除了信號(hào)失真，低效率和駐波之外，由傳輸線與其負(fù)載之間的阻抗失配反射的RF能量也會(huì)損壞信號(hào)源，例如功率放大器（PA）。然而，基于對(duì)數(shù)放大器和定向耦合器的電路可以檢測(cè)所產(chǎn)生的駐波的電壓駐波比（VSWR），以觸發(fā)保護(hù)PA免受過(guò)大的VSWR值的影響。

VSWR是電路中阻抗不匹配的量度。大的VSWR會(huì)在RF電路中引起許多問(wèn)題。最壞情況影響包括對(duì)RF /微波高功率放大器（HPA）的永久性損壞，通常稱為VSWR故障。保護(hù)HPA免受此類災(zāi)難至關(guān)重要。本文演示了一種使用定向耦合器和高性能RF對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)VSWR條件并保護(hù)HPA免受此類故障影響的方案。設(shè)計(jì)并測(cè)試了VSWR檢測(cè)和保護(hù)方案的原型。 VSWR》 4：1時(shí)受損的特定HPA設(shè)計(jì)即使在配備了所提出的保護(hù)方案時(shí)受到》15：1的VSWR后也能正常工作。

沿傳輸線的電壓和電流是通過(guò)稱為特征阻抗（Z O ）的特定比率相關(guān)聯(lián)。當(dāng)沿著傳輸線行進(jìn)的傳導(dǎo)RF能量遇到等于特征阻抗的負(fù)載時(shí)，所有可用功率都被傳遞到負(fù)載。沿著傳輸線的任何不連續(xù)（不匹配）改變負(fù)載阻抗會(huì)引起沿線的反射電流和電壓，從而產(chǎn)生駐波。入射和反射波相干和相消干涉導(dǎo)致最大值（V max ）和最小值（V min ），如圖1所示。電壓駐波比（VSWR），a測(cè)量這種不匹配，定義為V max / V min 的比率。

完全匹配的阻抗（VSWR = 1： 1）導(dǎo)致理想的動(dòng)力傳遞，而嚴(yán)重不匹配的阻抗（高VSWR）導(dǎo)致減少到負(fù)載的功率傳輸。高VSWR會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的任何地方出現(xiàn)問(wèn)題，但天線前面的PA對(duì)這些事件最敏感。過(guò)大的VSWR會(huì)降低無(wú)線電的工作范圍，導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)使接收部分飽和或?qū)е聼o(wú)線電升溫。更嚴(yán)重的影響會(huì)損壞發(fā)射機(jī)并通過(guò)某些災(zāi)難性故障機(jī)制（例如燃燒）來(lái)破壞傳輸線電介質(zhì)。高VSWR也可能導(dǎo)致電視廣播系統(tǒng)中的陰影，因?yàn)閺奶炀€反射的信號(hào)再次從功率放大器反射，然后重新廣播，導(dǎo)致多路徑現(xiàn)象。

VSWR檢測(cè)

等式1和圖1顯示，如果已知反射系數(shù)，則可以計(jì)算VSWR。

其中，

V i =入射波; V r =反射波; Z 0 =特征阻抗; Z L = load

圖2顯示了位于源和負(fù)載之間的定向耦合器，用于隔離和采樣來(lái)自負(fù)載的入射波和反射波。具有高方向性，入射波與反射波的比率等于反射系數(shù)，如公式2所示。因此，借助定向耦合器和探測(cè)器，可以檢測(cè)反射波和入射波并進(jìn)行后處理（進(jìn)行反射和入射波的分離）以測(cè)量反射系數(shù)。

其中，

C =耦合系數(shù); D =方向性

θ和Φ=通過(guò)耦合器的未知相位延遲

V C =耦合器耦合端口（端口C）上的電壓，入射波的樣本》 V D =耦合器反射端口（端口D）上的電壓，反射波的樣本

一旦入射和反射信號(hào)被采樣和隔離，需要檢測(cè)這些信號(hào)的大小，這需要雙檢測(cè)器。最佳檢測(cè)方法是通過(guò)考慮測(cè)量精度和溫度檢測(cè)范圍來(lái)確定的。

檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性將決定VSWR測(cè)量的準(zhǔn)確性。用于檢測(cè)入射波和反射波的輸出的精度由于兩個(gè)通道之間的耦合而降低，特別是當(dāng)兩個(gè)通道以不同的功率水平操作時(shí)。這意味著隔離是探測(cè)器選擇的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。這種隔離標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)：兩個(gè)RF通道輸入之間的隔離，以及從一個(gè)RF通道輸入到另一個(gè)RF通道輸出的隔離。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀可以輕松測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入之間的隔離，但輸入到輸出隔離更為重要。輸入到輸出隔離是通過(guò)增加一個(gè)通道上的功率電平來(lái)測(cè)量的，直到它開(kāi)始影響另一個(gè)通道的功率檢測(cè)精度（在其動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)低得多的功率水平）1 dB。兩個(gè)功率電平之間的差異是輸入到輸出的隔離?？梢允褂貌煌档鸟詈掀骱退p器來(lái)定位功率電平，以便在輸入處產(chǎn)生最小的差異，以便減少耦合。 PC板上的耦合也會(huì)影響隔離。在布局中應(yīng)注意將RF輸入彼此隔離。

入射信號(hào)的檢測(cè)范圍等于發(fā)射器的輸出功率范圍，但是從接口反射的反向傳播信號(hào)的檢測(cè)需要更大。反射功率電平范圍可以從非常小的信號(hào)電平（當(dāng)PA和天線之間存在良好的阻抗匹配時(shí)）到與事件信號(hào)的最大電平一樣大的信號(hào)電平（當(dāng)開(kāi)路或短路時(shí)）在傳輸線上）需要具有高動(dòng)態(tài)范圍的探測(cè)器。

對(duì)數(shù)減法相當(dāng)于除法的事實(shí)使得很容易執(zhí)行復(fù)雜的信號(hào)分割數(shù)學(xué)，這是選擇VSWR檢測(cè)的對(duì)數(shù)放大器的一個(gè)重要原因。對(duì)于使用對(duì)數(shù)放大器的VSWR測(cè)量，兩個(gè)探測(cè)器應(yīng)位于同一芯片上，以提供溫度和工藝變化的良好匹配。對(duì)數(shù)放大器還具有比其他探測(cè)器類型更大的動(dòng)態(tài)范圍。所有這些都表明，用于VSWR應(yīng)用的最佳檢測(cè)方法是雙對(duì)數(shù)放大器，具有高動(dòng)態(tài)范圍和良好的溫度精度。

除差分輸出外，最好能夠訪問(wèn)單個(gè)對(duì)數(shù)放大器輸出，因?yàn)榇蠖鄶?shù)RF設(shè)計(jì)人員使用此信息來(lái)同時(shí)確定Tx部分的輸出功率。 ADL5519是雙對(duì)數(shù)檢測(cè)器的一個(gè)很好的例子，它具有單獨(dú)的通道輸出以及兩個(gè)通道之間的差異。如圖3所示，ADL5519提供54 dB動(dòng)態(tài)范圍，從低頻到8 GHz，溫度漂移小于±0.5 dB，是檢測(cè)入射和反射波并同時(shí)控制輸出功率的理想解決方案。 ADL5519具有出色的輸入至輸入和輸入至輸出通道隔離規(guī)格（》 30 dB），如圖4和圖5所示，使該器件適用于雙射頻通道系統(tǒng)。 AD8302可用于不需要單獨(dú)日志輸出的地方。

有許多方法可以保護(hù)放大器免受潛在的破壞性高VSWR。高VSWR條件在高輸出功率下通常是災(zāi)難性的，因此保護(hù)電路的目標(biāo)應(yīng)該是降低輸出功率，從而將放大器置于安全工作模式。 VSWR檢測(cè)方法獨(dú)立于放大器的架構(gòu)，但該架構(gòu)的功率控制方案確實(shí)影響放大器保護(hù)機(jī)制的選擇。

對(duì)于放大器電源由外部引腳控制的情況，當(dāng)VSWR事件超過(guò)預(yù)定參考電平時(shí)，可以輕松降低輸出功率。所提出的保護(hù)方案能夠改變?cè)搮⒖茧娖剑瑢SWR保護(hù)擴(kuò)展到幾種不同的PA架構(gòu)。

VSWR保護(hù)原型結(jié)果

這種VSWR保護(hù)機(jī)制用于保護(hù)GSM PA嚴(yán)重不匹配。定向耦合器和雙檢測(cè)器用于檢測(cè)反射系數(shù)。當(dāng)VSWR超過(guò)安全限值時(shí)，保護(hù)電路會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)其電源控制引腳上的電壓來(lái)降低放大器的輸出功率。

VSWR檢測(cè)電路如圖6所示，由定向耦合器，雙對(duì)數(shù)檢測(cè)器和鉗位電路組成。 HPA和負(fù)載之間的定向耦合器將入射和反射波的樣本耦合到耦合和反射端口，然后將其饋送到雙對(duì)數(shù)檢測(cè)器，例如ADL5519或AD8302。定向耦合器具有30 dB耦合系數(shù)和900 MHz時(shí)大于15 dB的方向性，用于將耦合和反射信號(hào)定位在探測(cè)器的探測(cè)范圍內(nèi)。

來(lái)自定向耦合器的反射端口（P D ）的功率（與VSWR成比例）被饋送到一個(gè)探測(cè)器的輸入通道。來(lái)自耦合端口（P C ）的功率（與VSWR無(wú)關(guān)）被饋送到另一個(gè)輸入通道。如等式3所示，雙對(duì)數(shù)檢測(cè)器計(jì)算這兩個(gè)信號(hào)的對(duì)數(shù)減法，導(dǎo)致差值輸出V DIFF 與反射和耦合信號(hào)的比率成比例，其等于反射系數(shù)。該方程適用于具有高方向性（》 40 dB）的耦合器。在較低的方向性下，測(cè)量的V DIFF 輸出將是VSWR的相位的函數(shù)。發(fā)現(xiàn)15 dB的方向性足以區(qū)分1.5和3.0的VSWR，而不必?fù)?dān)心VSWR的相位。

其中，

V DIFF 是雙對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)器的差分輸出（V）

V SLP 是斜率（mV）對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)器的/ dB）

P INT 是V OUT 與P IN 的X軸截距（dBm） 》曲線（見(jiàn)圖4）

V LVL 是恒定的共模電壓電平（V）

Z IN 是探測(cè)器的輸入阻抗《 / p》

當(dāng)對(duì)數(shù)檢波器的差分輸出（V DIFF ）增加預(yù)定電壓電平（V REF 時(shí)，基于運(yùn)算放大器的鉗位電路觸發(fā)），表示高VSWR條件。一旦檢測(cè)到高VSWR條件，HPA將使用其電源控制電壓端口（V APC ）關(guān)閉到安全工作模式。在決定V REF 水平時(shí)，應(yīng)考慮P OUT 與PA的V APC 特性。在此工作模型中，V REF 電平設(shè)置為觸發(fā)鉗位電路，VSWR》 1.5：1。

當(dāng)在900 MHz時(shí)P OUT = 34.5 dBm的VSWR》 4：1時(shí)，圖7所示的GSM PA受到不可逆轉(zhuǎn)的損壞。在使用這些條件進(jìn)行的探測(cè)器電路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，類似的GSM PA即使在經(jīng)受VSWR》 15：1之后仍然起作用，如圖8所示。這些結(jié)果表明該裝置能夠在嚴(yán)重下保護(hù)功率放大器。錯(cuò)配條件。