用定向耦合器和RF對數放大器檢測和保護VSWR
2020-12-13 電子產品世界
電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)是用於描述電路阻抗失配程度的參數。差的VSWR可能引起RF電路中的許多問題。VSWR引起的最壞情況是RF/微波高功率放大器(HPA)的永久性損壞，這通常被稱為VSWR故障。因此，保護HPA防止出現VSWR故障是極為重要的。本文提出了一種解決方案，它使用定向耦合器和高性能RF對數放大器檢測VSWR參數，避免VSWR故障，以保護HPA。本文對VSWR檢測和保護方案的原型電路進行了設計和測試，採用這個方案，以往在VSWR > 4:1的條件下就發生故障的HPA，在VSWR > 15:1的條件下仍能正常工作。
電壓駐波比(VSWR)
傳輸線上的電壓和電流由特定的比率聯繫在一起，該比率關係就是通常所說的特徵阻抗(ZO)。如果信號源加在阻抗大小為特徵阻抗的負載上，那麼所有資用功率均施加到該負載上。傳輸線上的任何失配會使負載阻抗發生變化，從而引起傳輸線上的反射電流和電壓，由此產生了駐波。入射波和反射波發生相長幹涉和相消幹涉，導致了圖1中示出的最大值(Vmax)和最小值(Vmin)。電壓駐波比即是描述該失配的參數，被定義為Vmax和Vmin的比值Vmax/Vmin。
理想的阻抗匹配(VSWR=1:1)可以使功率無損傳輸，而嚴重的阻抗失配(高VSWR)將導致傳輸到負載的功率減少。高VSWR可能引起多種系統問題，其中對VSWR最為敏感的器件是功率放大器，一般在天線之前。高VSWR可能造成無線電裝置的工作範圍縮小、發射信號使接收部分飽和、或者使無線電裝置過熱。更為嚴重的影響是損壞發射機並且擊穿傳輸電介質。由於天線上反射回的信號在功率放大器處再次反射，然後重新發射出去，導致了類似多徑現象，因此高VSWR可能引起電視廣播系統的遮蔽衰落。
使用定向耦合器和RF對數檢波器檢測VSWR
定向耦合器
圖1 失配條件下的傳輸線上的駐波是由入射波和反射波疊加而成的。
如式1和圖1所示，當已知反射係數時，可以計算VSWR。因此接下來的問題是如何檢測反射係數。圖2所示安置在電源和負載之間的定向耦合器，用於對負載的入射波和反射波進行隔離和採樣，由於定向性，反射係數等於入射波與反射波的比值，如式2所示。因此，通過定向耦合器和檢波器，可以檢測出反射波和入射波，以得到反射係數。
圖2: 定向耦合器使失配負載的入射和反射功率隔離並且對其進行採樣。
檢波器的選擇
在對入射信號和反射信號進行採樣和隔離之後，需要檢測這兩個信號的幅度，這需要兩個檢波器。通過考慮測量精度和檢測範圍隨溫度的變化，以確定最佳的檢測方法。
檢測方法的精度將決定VSWR測量的精度。由於兩個通道之間的耦合，特別是兩個通道在功率電平差異很大時，用於檢測入射波和反射波的輸出精度將下降。這意味著在選擇檢波器時，隔離度是一個主要的標準。該隔離標準有兩重含義，即兩個RF通道輸入之間的隔離度以及從一個RF通道的輸入到另一RF通道輸出的隔離度。使用網絡分析儀可以容易地測量兩個輸入之間的隔離度，但是輸入-輸出的隔離度更加重要。測量輸入-輸出的隔離度的方法是，增加一個通道上的功率電平，直至使另一通道的功率測量精度變化1 dB(在其動態範圍內且較低的功率電平下執行該操作)，兩個功率電平之間的差即是輸入-輸出的隔離度。使用不同標稱值的耦合器和衰減器以調整檢波器輸入功率電平，並最小化兩通道間的功率差異，以便於減少耦合。PC電路板上的耦合同樣會影響隔離度，在對電路板進行布局時應注意RF輸入的相互隔離。
入射信號的檢測範圍等於發送器的輸出功率範圍，但是反射信號的檢測範圍應該更大些。反射功率電平的範圍是從非常小的信號電平(功率放大器和天線之間的阻抗匹配良好)，到入射信號的最大信號電平(在傳輸線上存在開路或短路)，這要求檢波器具有大動態範圍。
對數放大器檢波器
對數減法等效於除法，由此可以簡單地執行信號除法這一複雜的數學計算，這是選擇對數放大器檢測VSWR的主要原因。對於使用對數放大器測量VSWR來說，差分輸出的精度是最為關心的參數，這要求兩個檢波器應位於同一晶片上(因為單晶片的檢波器隨溫度和工藝的漂移往往是相同的)。而且對數放大器的動態範圍大於其它類型的檢波器。所有這些因素表明，對於VSWR應用，最佳的檢測方法是使用一個雙路的對數放大器，具有寬動態範圍和高精度，且不易隨溫度變化。
除了差分輸出之外，還應當獲得獨立的對數放大器的輸出，這是因為大部分RF設計工程師使用該信息確定其發送鏈路的輸出功率。ADI公司的ADL5519是一款高性能的雙通道對數檢波器，它提供兩個通道獨立的輸出，並且還可以是兩個通道的差分輸出。如圖3所示，ADL5519能夠提供從低頻到8 GHz的54 dB的動態範圍，隨溫度漂移在+/-0.5dB 內，是用於檢測入射波和反射波，並同時控制輸出功率的理想的解決方案。如圖4和圖5所示，ADL5519具有優異的輸入-輸入和輸入-輸出通道隔離指標(>30 dB)，是雙通道RF系統的理想選擇。在不需要獨立的對數輸出時，可以使用ADI公司的AD8302。
圖3 ADL5519具有±1dB範圍內的對數一致性@900MHz，隨溫度的漂移0.5dB
圖4 ADL5519 :從一個RF通道的輸入到另一RF通道的輸出的隔離度
圖5 ADL5519：從一個RF通道的輸入到另一RF通道的輸出的隔離度
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