用定向耦合器和RF对数放大器检测和保护VSWR

　　电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)是用于描述电路阻抗失配程度的参数。差的VSWR可能引起RF电路中的许多问题。VSWR引起的最坏情况是RF/微波高功率放大器(HPA)的永久性损坏，这通常被称为VSWR故障。因此，保护HPA防止出现VSWR故障是极为重要的。本文提出了一种解决方案，它使用定向耦合器和高性能RF对数放大器检测VSWR参数，避免VSWR故障，以保护HPA。本文对VSWR检测和保护方案的原型电路进行了设计和测试，采用这个方案，以往在VSWR > 4:1的条件下就发生故障的HPA，在VSWR > 15:1的条件下仍能正常工作。

　　电压驻波比(VSWR)

　　传输线上的电压和电流由特定的比率联系在一起，该比率关系就是通常所说的特征阻抗(ZO)。如果信号源加在阻抗大小为特征阻抗的负载上，那么所有资用功率均施加到该负载上。传输线上的任何失配会使负载阻抗发生变化，从而引起传输线上的反射电流和电压，由此产生了驻波。入射波和反射波发生相长干涉和相消干涉，导致了图1中示出的最大值(Vmax)和最小值(Vmin)。电压驻波比即是描述该失配的参数，被定义为Vmax和Vmin的比值Vmax/Vmin。

　　理想的阻抗匹配(VSWR=1:1)可以使功率无损传输，而严重的阻抗失配(高VSWR)将导致传输到负载的功率减少。高VSWR可能引起多种系统问题，其中对VSWR最为敏感的器件是功率放大器，一般在天线之前。高VSWR可能造成无线电装置的工作范围缩小、发射信号使接收部分饱和、或者使无线电装置过热。更为严重的影响是损坏发射机并且击穿传输电介质。由于天线上反射回的信号在功率放大器处再次反射，然后重新发射出去，导致了类似多径现象，因此高VSWR可能引起电视广播系统的遮蔽衰落。

　　使用定向耦合器和RF对数检波器检测VSWR

　　定向耦合器

图1 失配条件下的传输线上的驻波是由入射波和反射波叠加而成的。

　　如式1和图1所示，当已知反射系数时，可以计算VSWR。因此接下来的问题是如何检测反射系数。图2所示安置在电源和负载之间的定向耦合器，用于对负载的入射波和反射波进行隔离和采样，由于定向性，反射系数等于入射波与反射波的比值，如式2所示。因此，通过定向耦合器和检波器，可以检测出反射波和入射波，以得到反射系数。

图2: 定向耦合器使失配负载的入射和反射功率隔离并且对其进行采样。

　　检波器的选择

　　在对入射信号和反射信号进行采样和隔离之后，需要检测这两个信号的幅度，这需要两个检波器。通过考虑测量精度和检测范围随温度的变化，以确定最佳的检测方法。

　　检测方法的精度将决定VSWR测量的精度。由于两个通道之间的耦合，特别是两个通道在功率电平差异很大时，用于检测入射波和反射波的输出精度将下降。这意味着在选择检波器时，隔离度是一个主要的标准。该隔离标准有两重含义，即两个RF通道输入之间的隔离度以及从一个RF通道的输入到另一RF通道输出的隔离度。使用网络分析仪可以容易地测量两个输入之间的隔离度，但是输入-输出的隔离度更加重要。测量输入-输出的隔离度的方法是，增加一个通道上的功率电平，直至使另一通道的功率测量精度变化1 dB(在其动态范围内且较低的功率电平下执行该操作)，两个功率电平之间的差即是输入-输出的隔离度。使用不同标称值的耦合器和衰减器以调整检波器输入功率电平，并最小化两通道间的功率差异，以便于减少耦合。PC电路板上的耦合同样会影响隔离度，在对电路板进行布局时应注意RF输入的相互隔离。

　　入射信号的检测范围等于发送器的输出功率范围，但是反射信号的检测范围应该更大些。反射功率电平的范围是从非常小的信号电平(功率放大器和天线之间的阻抗匹配良好)，到入射信号的最大信号电平(在传输线上存在开路或短路)，这要求检波器具有大动态范围。

　　对数放大器检波器

　　对数减法等效于除法，由此可以简单地执行信号除法这一复杂的数学计算，这是选择对数放大器检测VSWR的主要原因。对于使用对数放大器测量VSWR来说，差分输出的精度是最为关心的参数，这要求两个检波器应位于同一芯片上(因为单芯片的检波器随温度和工艺的漂移往往是相同的)。而且对数放大器的动态范围大于其它类型的检波器。所有这些因素表明，对于VSWR应用，最佳的检测方法是使用一个双路的对数放大器，具有宽动态范围和高精度，且不易随温度变化。

　　除了差分输出之外，还应当获得独立的对数放大器的输出，这是因为大部分RF设计工程师使用该信息确定其发送链路的输出功率。ADI公司的ADL5519是一款高性能的双通道对数检波器，它提供两个通道独立的输出，并且还可以是两个通道的差分输出。如图3所示，ADL5519能够提供从低频到8 GHz的54 dB的动态范围，随温度漂移在+/-0.5dB 内，是用于检测入射波和反射波，并同时控制输出功率的理想的解决方案。如图4和图5所示，ADL5519具有优异的输入-输入和输入-输出通道隔离指标(>30 dB)，是双通道RF系统的理想选择。在不需要独立的对数输出时，可以使用ADI公司的AD8302。

图3 ADL5519具有±1dB范围内的对数一致性@900MHz，随温度的漂移0.5dB

图4 ADL5519 :从一个RF通道的输入到另一RF通道的输出的隔离度

图5 ADL5519：从一个RF通道的输入到另一RF通道的输出的隔离度