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∞：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
1.总体方案
频率范围：30～500MHz，最大输入功率：≤100W，插入损耗：≤0.5dB。

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。

2.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：＜
0.3dB，VSWR：＜1.30：1，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50Ω，所以并联75Ω电阻到地，使功率检波器AD8361的输入阻抗50Ω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
3.控制流程
模数转换器的采样间隔设定为5μS/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，节省开发成本。

参考文献：
[1]李缉熙.射频电路工程设计.电子工业出版社. 2011.
[2]徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例.电子工业出版社. 2009.
[3]EAMON NASH.《Measuring VSWR and Gain in Wireless Systems》 Analog Devices，Inc.。