用定向耦合器和RF对数放大器检测和保护VSWR

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

　　VSWR保护

　　防止出现破坏性的高VSWR保护放大器的方法有很多种。在输出功率较高的情况下，高VSWR通常会造成严重的影响，因此保护电路的目的是降低输出功率，使放大器工作于安全模式。这里所提出的VSWR检测方法与放大器的架构无关，主要取决于放大器的功率控制机制。

　　许多其它的放大器使用外部电压控制功率(如数字控制功率)。对于由外部电压控制的情况，当VSWR大于预定的参考指标时，可以调节引脚上的电压。所提出的保护方案应能灵活的设置参考值，这在选择放大器时更为方便。

　　实验室中搭建的原型电路

　　这一VSWR保护机制用于在严重失配的条件下保护GSM的功放。定向耦合器和双通道检波器用于检测反射系数。当VSWR大于安全极限时，保护电路触发，通过改变其功率控制引脚上的电压来调节放大器的输出功率。

　　如图6所示，VSWR检测电路由一个定向耦合器、一个双通道对数检波器和一个箝位电路构成。HPA和负载之间的定向耦合器将入射波和反射波的采样结果耦合到耦合端口和反射端口，然后将其馈送到双通道对数检波器，如ADL5519或AD8302。在900 MHz频段具有30 dB耦合因子和大于15 dB方向性的定向耦合器使耦合信号和反射信号处于检波器的检测范围内。

图6 VSWR检测和保护电路装置使用定向耦合器和双通道对数检波器(如ADL5519或AD8302)

　　定向耦合器反射端口的功率(PD)与VSWR成正比，被馈送到检波器的一个输入通道。而耦合端口的功率(PC)与VSWR无关，被馈送到另一输入通道。如式3所示，双通道对数检波器计算这两个信号的对数减法结果，获得差分输出VDIFF，其与反射系数成正比，而反射系数等于反射信号和耦合信号的比。

　　上式对于具有高方向性(>40 dB)的耦合器是成立的。如果方向性较低，则测得的VDIFF输出将是VSWR相位的函数。15 dB的方向性已足够用于区别1.5和3.0的VSWR，而不必担心VSWR的相位。

　　当对数检测器的差分输出(VDIFF)的增加量等于预先设定的电压(VREF)时，运算放大器的箝位电路触发，指示高VSWR条件。一旦检测到高VSWR条件，则通过HPA的功率控制电压端口(VAPC)，降低HPA功率以使其进入安全工作模式。在确定VREF时，应考虑功率放大器的POUT vs. VAPC特性。在这个电路模型里，VREF被设定在检测到VSWR大于1.5时触发箝位电路。

　　如图7所示，在VSWR>4 ，POUT=34.5 dBm，Freq=900 MHz的条件下，被试验的GSM功率放大器彻底损坏。而在相似的工作条件下，采用所提出的电路，在VSWR>15的条件下，GSM功率放大器仍然能正常工作，如图8所示。

图7 GSM功率放大器@900MHz在VSWR>4的条件下发生故障。

图8 采用所提出的保护方案，GSM功率放大器@900MHz在VSWR>15的条件下仍然正常工作。

　　结语

　　VSWR是RF电路设计中的一个重要参数，特别是在设计功率放大器和天线之间的接口时。双通道对数检波器是用于精确测量VSWR的最佳器件。使用定向耦合器和高性能双通道RF对数检波器实现了VSWR的检测和保护。原型电路的测试结果表明，该电路能够在严重的失配条件下保护功率放大器。