天线端口开短路保护电路设计与实现

天线端口开短路保护电路设计与实现摘要：本文主要介绍电台的天线端口开短路保护电路，当电台的天线端口出现开路、短路或严重失配等电压驻波比过大时，为内部电路提供保护作用，避免内部电路遭到反射功率损坏。该保护电路主要包括天线端口匹配电路、定向耦合器电路、功率检波器电路、模数转换电路以及FPGA控制电路。本文将就具体的应用给出设计实例。关键词：开短路保护；电压驻波比检测；功率检测；模数转换引言在射频传输系统中，驻波比（SWR）用来表征射频信号从信号源经过传输线，将功率输送到负载的传输效率。将驻波比用电压比表示，称为电压驻波比（VSWR），定义为：VSWR=|VMAX|/|VMIN|，VMAX是传输线上驻波电压的最大值，VMIN是传输线上驻波电压的最小值。最大值由入射波V+和反射波V-同向叠加产生：VMAX=V++V-，最小值由入射波V+和反射波V-反向叠加产生：VMIN=V+-V-，即：VSWR=|VMAX|/|VMIN|=|V++V-|/|V+-V-|。射频传输系统的电压驻波比示意图如图1所示。理想情况下，要使信号源传送到负载的功率最大，负载的共轭阻抗必须等于信号源的源阻抗（即RL-jXL=RS+jXS）。当负载开短路时，入射波V+和反射波V-值接近相等，VSWR为8：1；当负载与信号源阻抗完全匹配时，反射波V-接近等于0,VSWR为1：1。VSWR越大表明传输效率越低，反射功率越大，可能损坏发射机。天线端口开短路保护功能是电台最基本的保护功能，当检测到天线端口处于开短路状态时，应保护发射机，避免电路损坏。图1射频传输系统的电压驻波比示意图图2开短路保护电路系统框图总体方案频率范围：30〜500MHz，最大输入功率：＜100W，插入损耗：＜0.5dBo功率放大器模块输出的大功率射频信号经过高频插座进入天线口开短路保护电路：射频信号首先进入双向定向耦合器，定向耦合器对射频信号进行耦合分为正向耦合信号和反向耦合信号，正反向耦合信号分别进入正反向功率检波器进行功率检波，将射频信号转换为直流电平（正向功率检波直流电平即V+，反向功率检波直流电平即V-），正反向功率检波直流电平再分别进入模数转换器（ADC），ADC由FPGA控制电路进行控制，实时检测正反向功率的值，并实时计算电压驻波比：VSWR=|VMAX|/|VMIN|=|V++V-|/|V+-V-|，然后射频信号经过匹配滤波器，从射频输出口（即天线端口）输出，最后射频信号通过连接天线的馈线将信号输送到天线进行功率信号发射。当VSWR超过设定的门限值时，由FPGA控制电路给出天线开短路状态告警信号，并控制功率放大器模块采取相应动作，避免因天线口开短路失配导致的反向功率大幅度增加而使发射机损坏。开短路保护电路系统框图如图2所示。设计与实现开短路保护电路主要包括：射频部分和控制部分，射频部分包括：定向耦合器电路，匹配滤波器电路，功率检波器电路；控制部分包括：模数转换电路和FPGA控制电路。各部分电路核心器件选型如表1所示。表1核心器件选型核心器件主要指标：定向耦合器IPP-8070:频率范围：20〜1000MHz，插入损耗：V0.3dB,VSWR：V1.30：1，方向性：＞18dB，耦合度：50±1.5dB，功率容量：150W。功率检波器AD8361ART:频率范围：LF-2500MHz，检波范围：＞30dB，最大信号：＜10dBm，线性响应：±0.25dB。模数转换器AD7091R:采样位数：12Bit；吞吐速率：1MSPS，功耗：约1mW，内置基准电压源：+2.5V。FPGA芯片XC6SLX16-2CSG225I为通用处理器，低功耗和并行处理能力，满足系统对时序的设计要求。定向耦合器在工作频率范围内的插入损耗约为0.2dB，匹配滤波器是巴特沃斯(Butterworth)类型的7阶低通滤波器，巴特沃斯滤波器具有结构简单，插入损耗最小(大功率下该指标尤为重要)，通带内频率响应曲线最平滑等特点，特别适合用于天线口的匹配电路。值得注意的是匹配滤波器的电容和电感值均为理想值，根据实际的PCB分布参数，需要微调才能满足要求。微调电容和电感值以后，实测定向耦合器和匹配滤波器总的插入损耗约为0.4dB。定向耦合器和匹配滤波器电路如图3所示。匹配滤波器在ADS2011中的传输特性曲线S(2,1)仿真图如图4所示。由于定向耦合器的耦合度为50dB，开短路保护电路的最大输入功率为100W(+50dBm)，所以功率检波器AD8361的输入功率正常情况下约为0dBm。由于功率检波器AD8361射频输入阻抗不是500，所以并联750电阻到地，使功率检波器AD8361的输入阻抗500附近。AD8361输出的功率检波直流电平经过电容滤波和同向运算放大器进行输出，使用运算放大器目的是增加电路驱动能力，功率检波器电路如图5所示。双路模数转换器ADC分别对正反向功率检波直流电平同时进行采样，确保正反向功率采样同步性，提高准确度，降低误报警率。FPGA控制电路为常规应用，故简略。模数转换器和FPGA控制电路如图6所示。图5功率检波器电路图6模数转换器和FPGA控制电路控制流程模数转换器的采样间隔设定为5rS/次，定义每连续4次采样数据的平均值为有效采样值。根据实际的应用环境设定电压驻波比VSWR门限值约为5：1〜10：1，一般窄带发射机的VSWR门限值小一些，因为窄带系统发射机和天线之间容易匹配良好，而宽带系统的匹配是要兼顾全频段，故部分频段的匹配会稍微差，所以宽带系统的VSWR门限值大一些。当发射机处于发射状态时，连续检测正反向功率检波直流电平有效采样值，并对每组有效采样值都进行VSWR值计算，如果连续8组VSWR值都大于门限值，则认定天线端口处于开短路状态，FPGA控制电路给出告警信息，并控制功率放大器模块降低输出功率或者停止功率输出。当排除故障以后，再次将发射机置于发射状态时，发射机首先在低功率发射模式下，进行连续8组VSWR值计算，如果连续8组VSWR值都大于门限值，则继续输出告警信息，并继续处于保护状态，如果连续8组VSWR值都小于门限值，则停止告警信息输出，并使输出功率恢复正常值。功率恢复正常值后，开短路保护电路继续监测VSWR值，直到发射机停止发射。4.结束语该天线开短路保护电路已成功应用于某车载电台项目，并且在某次通信试验中，成功检测出由于射频馈线内部芯线虚焊而导致天线口开路的故障，避免发射机受到损坏。由于VSWR值可以通过软件进行调整，该保护电路具有较强的应用环境适应能力，方便其他项目参考借鉴，节省开