地面数字电视发射机驻波比保护电路优化设计

寇学锋 李永锋 穆菲菲 范超

摘要 基于定向耦合器与对数检波器，设计了一种由硬件实现射频功率放大器输出驻波的实时门限检测及保护的电路。

【关键词】对数检波器 驻波比 定向耦合器功率放大器

1 背景

驻波比（VSWR）是用来测量射频电路中阻抗失配度的指标。驻波比过大会将会影响通信距离，降低信息传输的质量，并且会导致射频电路出现一系列问题。位于天线前端的功率放大器是对驻波恶化最为敏感的部件，反射功率返回到功率放大器中，情况严重时会造成高功率放大器永久性损坏，通常称之为驻波失效，故对高功率放大器進行有效的保护是十分重要的。

沿着传输线传输的电压和电流是通过特定比值联系起来的，这个特定比值称之为特性阻抗Zo。当功率放大器输出端接有与传输线特性阻抗相等的负载时，射频能量将全部传送到负载上，而阻抗失配将导致驻波的产生。当阻抗失配时，入射波电压与反射波电压相叠加，在传输路径上将产生电压的最大值Vmax和最小值Vmin，两者的比值为电压驻波比VSWR，详见公式（1）

VSWR=Vmax/Vmin （1）

功率放大器驻波比的测量与保护问题最终可归结为功率放大器输出端正、反向功率检测及使用合适的电路方案实现对功放部件实施保护的问题。

传统的检波电路是利用二极管半波整流特性来实现，其输出检波电压正比于输入电压，与输入功率成指数关系。带有温度补偿的二极管检波器在较大检波输入功率（+lOdBm～+15dBm）条件下具有很好的性能，但当输入功率降低时，其性能会急剧恶化。因此，在发送信号的峰值.平均功率比不固定时，便难以做到对功率的精确测量。另外，二极管检波电路工作频带相对较窄，在宽带场合应用时会造成检波平坦度的恶化，导致全频带范围内检波值的一致性无法满足要求。

相比较而言，真有效值对数检波器动态范围更宽，最高可以达到lOOdB，并且其线性特性和温度稳定性也能够在整个动态范围内保持恒定，最重要的一点是，真有效值对数检波器的输出检波电压与输入信号电平成正比，也就是我们常说的对数响应特性。对数检波器的对数响应特性使其在驻波比检测和增益测量方面得到了广泛的应用。

2 原驻波比保护电路

原电视发射机驻波比保护电路工作原理框图，如图l所示。

发射机输出功率先通过定向耦合器采样正向与反射功率，再通过AD8361检波器（功率大小应在AD8361线性输入范围内）将功率信号转换成电压信号，经过AD采样后将数据送入单片机，单片机依据采集电压计算出驻波比大小，当驻波比超过阈值时，主控板切断开关电源，从而达到保护功放模块目的。

但上述驻波比保护电路方案在实际应用中仍一些不足之处，主控板通过查询的方式来读取A/D数据，再进行驻波的计算，难以做到检测.动作的实时性。

3 升级后电路原理

改造升级后驻波比保护电路工作原理框图，如图2所示，其主要由定向耦合器，衰减器，检波器，运算放大器、门限比较器，主控板等组成。

定向耦合器使用同轴型定向耦合器，衰减器使用数字式电调谐衰减器实现。检波器选用方面，传统的二极管式检波器，一般要求输出信号功率较大（10～15dBm），当输入信号较小时，其线性指标会急剧恶化，尤其在发射信号峰均比不固定时根本无法准确测量功率。另外，二极管带宽相对较窄，在宽带场合下应用会造成检波平坦度进一步恶化，无法保证全频段检波值一致性。

而升级电路采用ADI有效值检波器AD8362，该器件有较好的线性度与较大的动态范围，即使在50～3800MHz宽范工作频率都有较好的一致性，且适用于无线通信中CDMA，W-CDMA，QAM等各种复合调制波形，当然也适合数字电视发射机QAM数字调制波形的功率检测。

4 工作原理分析

当VSWR=1.5时，反射系数为0 2，得△V=0.68V;放大器放大倍数为10，那么运算放大器输出为10△V=6.8V。

当VSWR=2.0时，反射系数为1/3，得△V=0.47V;放大器放大倍数为10，那么运算放大器输出为10△V=4.7V。

设置门限电压值为4.7V，当输出电压低于4.7V时，此时驻波比将大于2，比较器将输出高电平触发中断，主控板中断响应，加大衰减值，并切断电源，从而保护了功率放大器。

5 总结

实时的驻波比检测和保护电路是射频功放电路设计中不可缺少的部分，利用对数检波器结合定向耦合器、运算放大器电路和相应控制电路实现的实时驻波门限检测电路，简化了实际电路的设计过程，提高了驻波比检测的准确度。同时，电路试验表明，本文所提出的方案能够高精度地检测射频功放电路的输出驻波状态，并能及时、有效地对功放输出负载发生变化时做出反应，极大地提高了功率放大器的可靠性。