Los amplificadores logarítmicos y los acopladores direccionales permiten la detección de VSWR

Además de la distorsión de la señal, la ineficiencia y las ondas estacionarias, la energía de RF reflejada por el desajuste de impedancia entre una línea de transmisión y su carga puede dañar la fuente de la señal, como un amplificador de potencia (PA). Sin embargo, un circuito basado en amplificadores logarítmicos y un acoplador direccional que detecta la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) de la onda estacionaria resultante puede usarse para activar la protección del AP contra valores excesivos de VSWR.

VSWR es una medida de los desajustes de impedancia en un circuito. Un VSWR grande puede causar muchos problemas en los circuitos de RF. Entre las peores consecuencias está el daño permanente a los amplificadores de microondas/RF de alta potencia (HPA), comúnmente conocido como falla de VSWR. Es esencial proteger la HPA de tales desastres. Este artículo presenta un esquema para detectar la condición VSWR y proteger el HPA contra tales fallas utilizando acopladores direccionales y amplificadores logarítmicos de RF de alto rendimiento. Se ha diseñado y probado un prototipo de sistema de detección y protección VSWR. Un diseño HPA específico dañado a VSWR > 4:1 realizado incluso después de estar sujeto a VSWR > 15:1 cuando está equipado con el esquema de protección recomendado.

Existe una relación entre el voltaje y la corriente a lo largo de una línea de transmisión por una relación específica conocida como impedancia característica (Z_Oh). Cuando se envía energía de RF a lo largo de la línea de transmisión a través de una carga igual a la impedancia característica, toda la potencia disponible se suministra a la carga. Cualquier discontinuidad (discontinuidad) a lo largo de la línea de transmisión hace que la impedancia de la carga cambie las corrientes y voltajes reflejados a lo largo de la línea, creando una onda estacionaria. Las ondas incidentes y las ondas reflejadas interfieren constructivamente y destructivamente, y hay un máximo (V_máximo) y mínimo (V_min) como se muestra en la Figura 1. La relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR), una medida de esta compensación, se define como la relación de V_máximo/V_min.

Las impedancias perfectamente adaptadas (VSWR = 1:1) dan como resultado una transferencia de potencia ideal, mientras que las impedancias severamente desajustadas (alta VSWR) dan como resultado una transferencia de potencia reducida a la carga. Un alto VSWR puede causar problemas en cualquier parte del sistema, pero el PA frente a la antena es el más adecuado para estos eventos. Una VSWR excesiva puede reducir el rango operativo de la radio, hacer que la señal de transmisión sature la sección de recepción o que la radio se caliente. Los efectos más graves dañarían el transmisor y romperían la línea de transmisión dieléctrica a través de un mecanismo de falla catastrófico, como la quema. Una VSWR alta también puede causar sombras en un sistema de transmisión de TV porque la señal reflejada desde la antena se refleja desde el amplificador de potencia y luego se retransmite, lo que da como resultado un fenómeno similar al de trayectos múltiples.

Detección de ROE

La ecuación 1 y la figura 1 muestran que la VSWR se puede calcular si se conoce el coeficiente de reflexión.

dónde,

V_yo = onda incidente; V_r = onda reflejada; Z₀ = impedancia característica; Z_L= carga

La Figura 2 muestra un acoplador direccional colocado entre la fuente y la carga para aislar y muestrear las ondas incidentes y reflejadas de la carga. Con alta directividad, la relación entre la onda incidente y la onda reflejada es igual al coeficiente de reflexión, como se muestra en la ecuación 2. Por lo tanto, mediante el uso de un acoplador direccional y detectores, las ondas reflejadas y las ondas incidentes pueden detectarse y posponerse. procesado (dividiendo las ondas reflejadas e incidentes) para medir el coeficiente de reflexión.

dónde,

C = coeficiente de acoplamiento; D = dirección
θ y Φ = retrasos de fase desconocidos a través del acoplador
V_contra = voltaje en el puerto acoplado (Puerto C) del acoplador, muestra de la onda incidente
V_D = voltaje en el puerto reflejado (Puerto D) del acoplador, un ejemplo de la onda reflejada

Una vez que las señales incidente y reflejada han sido muestreadas y aisladas, se debe detectar la amplitud de estas señales, lo que requiere detección dual. El mejor método de detección se determina evaluando la precisión de la medición y el rango de detección en función de la temperatura.

La precisión del método de detección determinará la precisión de la medición de VSWR. La precisión de la salida utilizada para detectar ondas incidentes y reflejadas se ve degradada por el acoplamiento entre los dos canales, especialmente cuando los dos canales funcionan a diferentes niveles de potencia. Esto sugiere que el aislamiento es uno de los principales criterios para seleccionar detectores. Este criterio de aislamiento tiene dos aspectos: aislamiento entre las dos entradas del canal de RF y aislamiento entre la entrada de un canal de RF y la salida del otro canal de RF. El aislamiento entre las dos entradas se puede medir fácilmente usando analizadores de red, pero el aislamiento de entrada a salida es más importante. El aislamiento de entrada a salida se mide aumentando el nivel de potencia en un canal hasta que comienza a afectar la precisión de detección de potencia del otro canal (a un nivel de potencia mucho más bajo dentro de su rango dinámico) en 1 dB. La diferencia entre los dos niveles de potencia es el aislamiento de entrada-salida. Se pueden utilizar acopladores y atenuadores de diferentes valores para establecer los niveles de potencia de diferencia mínima en las entradas para reducir el acoplamiento. El acoplamiento en la placa de la computadora también afecta el aislamiento. Se debe tener cuidado en el diseño para aislar las entradas de RF entre sí.

El rango de detección de la señal incidente es igual al rango de potencia de salida del transmisor, pero la detección de señales de propagación inversa reflejadas desde la interfaz debe ser mayor. El nivel de potencia reflejada puede variar desde un nivel de señal muy pequeño (cuando hay una buena coincidencia de impedancia entre el PA y la antena) hasta un nivel de señal tan grande como el nivel de señal máximo incidente (cuando hay un circuito abierto o un cortocircuito). circuito). en la línea de transmisión) que requieren detectores de alto rango dinámico.

Debido a que la resta logarítmica es equivalente a la división, los cálculos complejos involucrados en la división de señales son más fáciles de realizar, una razón importante para elegir amplificadores logarítmicos para la detección de VSWR. Para las mediciones de VSWR que utilizan amperios logarítmicos, ambos detectores deben estar en el mismo chip para proporcionar una buena coincidencia con los cambios de temperatura y proceso. Los amplificadores logarítmicos tienen un rango dinámico mayor que otros tipos de detectores. Todo esto indica que el mejor método de detección a utilizar para aplicaciones VSWR es un amplificador logarítmico doble con alto rango dinámico y buena precisión de temperatura.

Además de las salidas diferenciales, es mejor tener acceso a las salidas individuales de los amplificadores logarítmicos ya que la mayoría de los diseñadores de RF usan esta información para determinar simultáneamente la potencia de salida de la sección Tx. El ADL5519 es un buen ejemplo de un detector de registro doble que tiene salidas de un solo canal y también la diferencia entre los dos canales. Como se muestra en la Figura 3, el ADL5519 ofrece un rango dinámico de 54 dB desde frecuencias bajas hasta 8 GHz, con una variación de temperatura de menos de ± 0,5 dB, lo que lo convierte en una solución ideal para detectar ondas incidentes y reflejadas y las salidas de control de potencia en al mismo tiempo. . Las excelentes especificaciones de aislamiento de canal de entrada a entrada y de entrada a salida del ADL5519 (> 30 dB), que se muestran en la Figura 4 y la Figura 5, hacen que esta pieza sea adecuada para sistemas de RF de dos canales. El AD8302 se puede usar cuando no hay necesidad de salidas de registros individuales.

Hay muchas formas de proteger un amplificador de VSWR alto que puede causar daños. Las condiciones de alto VSWR suelen ser desastrosas a altas potencias de salida, por lo que el propósito del circuito de protección debe ser reducir la potencia de salida, poniendo así al amplificador en un modo de operación seguro. La metodología de detección de VSWR es independiente de la arquitectura del amplificador, pero la elección del mecanismo de protección del amplificador está influenciada por el esquema de control de potencia de la arquitectura.

Cuando la potencia del amplificador está controlada por un pin externo, la potencia de salida se puede reducir fácilmente cuando el evento VSWR supera un nivel de referencia predeterminado. El esquema de protección propuesto tiene la capacidad de modificar esta línea base, extendiendo la protección VSWR a varias arquitecturas PA diferentes.

Resultados del prototipo de protección VSWR

Este mecanismo de protección VSWR se utilizó para proteger GSM AP en caso de fuerte desequilibrio. Se utilizaron un acoplador direccional y un detector dual para detectar el coeficiente de reflexión. Cuando el VSWR está por encima del límite seguro, el circuito de protección se activa al reducir la potencia de salida del amplificador ajustando el voltaje en su pin de control de potencia.

El circuito detector VSWR, que se muestra en la Figura 6, consta de un acoplador direccional, un detector de registro doble y un circuito de abrazadera. El acoplador direccional entre el HPA y la carga de muestra conecta las ondas incidentes y reflejadas a los puertos acoplados y reflejados, que luego se alimentan a un detector de doble registro como el ADL5519 o el AD8302. Se utilizó un acoplador direccional con un factor de acoplamiento de 30 dB y una directividad superior a 15 dB a 900 MHz para posicionar las señales acopladas y reflejadas dentro del rango de detección del detector.

La potencia del puerto se refleja (P_D) el acoplador direccional, proporcional a la VSWR, se envía a uno de los canales de entrada del detector. La potencia del puerto está acoplada (P_contra), que es independiente de VSWR, se envía al otro canal de entrada. Como se muestra en la ecuación 3, el detector logarítmico doble calcula la resta logarítmica de estas dos señales, lo que da como resultado una salida de diferencia V._DIF proporcional a la relación de las señales reflejadas y acopladas que es equivalente al coeficiente de reflexión. Las ecuaciones son válidas para acopladores de alta directividad (>40 dB). Con direcciones más bajas, la V se mide_DIF la salida será una función de la fase del VSWR. Se encontró que una directividad de 15 dB era suficiente para distinguir entre 1,5 y 3,0 VSWR sin preocuparse por la fase de la VSWR.

dónde,

V_DIF la salida diferencial (V) del detector es un doble amperio logarítmico
V_SLP la pendiente (mV/dB) es el detector logamp
pags_{EN T} interceptación (dBm) es V_AFUERA contra P_EN curva (ver Figura 4)
V_LVL el nivel de voltaje (V) es un modo común constante
Z_EN es la impedancia de entrada del detector

El circuito de abrazadera basado en amplificadores operacionales se activa cuando la salida de diferencia (V_DIF) el detector aumenta logarítmicamente bajo un nivel de voltaje predefinido (V_ÁRBITRO), lo que indica una condición de VSWR alta. Una vez que se detecta una condición de VSWR alta, el HPA pasa a un modo seguro de operación usando su puerto de control de voltaje de la fuente de alimentación (V_APC). pags_AFUERA contra V_APC la característica del AP debe tenerse en cuenta al elegir la V_ÁRBITRO nivel. En este modelo de trabajo, la V_ÁRBITRO El nivel para disparar el circuito de sujeción se fijó para valores de VSWR > 1,5:1.

El GSM PA que se muestra en la Figura 7 se daña irreversiblemente cuando se expone a VSWR > 4:1 en P_AFUERA = 34,5dBm a 900MHz. En una prueba experimental del circuito del detector realizada en estas condiciones, un PA GSM similar funcionó incluso después de mantener VSWR >15:1, como se muestra en la Figura 8. Estos resultados muestran que el dispositivo pudo potenciar la protección del amplificador bajo una potencia intensa. condiciones. condiciones de desajuste.