CN106405222B - 一种射频功率检测电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种射频功率检测电路，包括第一级电路、第二级电路和保护电路。所述第一级电路包括放大晶体管，用来跟随射频功率放大器中的功率晶体管的输出成比例地同步变化。所述第二级电路包括二极管一和二极管二，用来对第一级电路输出的射频信号进行功率检测；其中二极管一用来为二极管二设置具有温度补偿特性的偏置点。所述保护电路包括保护晶体管，用来在射频功率放大器的输出功率超出正常范围时开启保护晶体管从而降低射频功率放大器的输出功率。本申请提供的射频功率检测电路具有限制保护功能、在较小输入功率时就能输出较大变化范围的电压、可放置在射频功率放大器的输入端或中间级、对温度变化不敏感。

Description

一种射频功率检测电路

技术领域

本申请涉及一种射频功率检测电路，特别是涉及一种可在射频功率放大器的输出功率超出正常范围内限制其输出功率的射频功率检测电路。

背景技术

在射频发射机中，射频功率放大器用于将已调制信号进行功率放大，以得到满足天线发射的信号大小，并送给天线进行发射。在射频接收机中，射频功率放大器用于将已接收信号进行功率放大，以得到满足后续电路要求的信号大小，并送给后续电路进行处理。通常需要专门的功率检测电路对射频功率放大器输出的射频信号大小进行检测。

现有的射频功率放大器大多采用半导体芯片，芯片内部很多采用异质结双极晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor，HBT)作为功率晶体管实现放大功能，同时在芯片内部集成有射频功率检测电路。

请参阅图1，这是一种现有的射频功率检测电路。射频输入信号RFin通过电容一C1连接检波二极管D1的阳极，电容一C1用于隔直和检测电路的射频信号输入，检波二极管D1作为检测元件对射频信号大小进行检测，实际上是对射频信号进行整流。检波二极管D1的阴极输出检测电压Vout，检测电压Vout的大小对应输入的射频信号RFin的功率大小。参考电压Vreg通过电阻一R1连接检波二极管D1的阳极，为检波二极管D1提供正向偏置(forwardbias)。检波二极管D1的阴极还通过并联的电阻二R2和电容二C2接地，电阻二R2和电容二C2组成了一个低通滤波电路，对整流后的信号进行滤波。

图1所示的射频功率检测电路简单易用，但主要存在以下几个问题。

其一，射频功率检测电路的输出电压随着输入信号的功率变化而变化，输入信号功率的变化范围决定了其输出电压的变化范围。只有当输入信号的功率的变化范围足够大时，射频功率检测电路才能输出符合系统要求的输出电压变化范围。

其二，射频收发系统往往对射频功率检测电路的输出电压的范围有限制，要求输出范围具有较大的变化范围。为了满足系统要求，往往将射频功率检测电路放在射频功率放大器的输出端，这样会造成射频功率放大器的一定的功率损耗。

其三，在某些非理想例如误操作的情况下，射频功率放大器的输出端有可能偏离了50欧姆的阻抗，即出现输出阻抗失配，这会导致射频功率放大器因电流过大而烧坏。此时射频功率检测电路的输出电压比正常值大，但却无法限制射频功率放大器中的功率晶体管的过大电流，即无法在检测到异常时对射频功率放大器提供保护。若要进行限流保护，往往还需要配合其他比较复杂的保护电路。

现有文献也公开了一些射频功率放大器。

申请公布号为CN102624344A、申请公布日为2012年8月1日的中国发明专利申请《一种功率放大装置》中，记载了一种功率检测模块和功率控制模块。这种功率检测模块采用两个二极管构成的整流电路对放大器的输出功率进行检测。这种功率控制模块采用三极管在放大器的输出功率过大时导通，从而限制放大器的输出功率。由于二极管需要一定开启电压，因而在放大器的输出功率较小时二极管不会开启，功率检测模块无法正常工作。而且该功率检测模块放在放大器的输出端，会对放大器造成较大的功率损耗。

申请公布号为CN104849543A、申请公布日为2015年8月19日的中国发明专利申请《一种射频功率检测电路》中，所记载的射频功率检测电路先将射频信号转换为直流电压信号，再对直流电压信号进行放大，从而在射频信号的输入功率较小时也能得到较大的直流电压。并且这种射频功率检测电路可以改为在射频功率放大器的中间增益级进行检测，从而避免了射频功率放大器的输出阻抗失配对检测电压的影响，避免了射频功率检测电路放在射频功率放大器的输出端对其造成的功率损耗。然而在不同温度下，射频功率放大器的最后一级的增益往往不一样，这使得在射频功率放大器的输出功率不变时中间增益级输出的功率也会跟随温度而发生变化。这种射频功率检测电路在中间增益级进行检测，在不同温度下检测的电压与射频功率放大器的实际输出电压的差别较大。同时这种功率检测电路在检测到射频功率放大器的输出功率出现异常时，无法对射频功率放大器提供限制其输出功率的保护措施。

申请公布号为CN105717354A、申请公布日为2016年6月29日的中国发明专利申请《一种功率检测电路及检测方法》中，所记载的功率检测电路先对射频功率放大器输入的射频信号进行放大，再对放大后的射频信号进行检测，从而克服了采用二极管作为检测元件时对较小的输入功率无法检测的缺陷，取得了较宽的功率检测范围。然而，这种功率检测电路中的跟随放大单元采用的是共集电极(common collector)的晶体管放大结构，输出电压摆幅受到一定限制。同时在检测到射频功率放大器的输出功率出现异常时，无法对射频功率放大器提供限制其输出功率的保护措施。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种射频功率检测电路，可对射频功率放大器的输出功率进行限制性保护。

为解决上述技术问题，本申请提供的射频功率检测电路包括第一级电路、第二级电路和保护电路。

所述第一级电路包括放大晶体管，用来跟随射频功率放大器中的功率晶体管的输出成比例地同步变化。

所述第二级电路包括二极管一和二极管二，用来对第一级电路输出的射频信号进行功率检测；其中二极管一用来为二极管二设置具有温度补偿特性的偏置点。

所述保护电路包括保护晶体管，用来在射频功率放大器的输出功率超出正常范围时开启保护晶体管从而限制射频功率放大器的输出功率。

本申请取得的技术效果如下。

首先，本申请提供的射频功率检测电路可对射频功率放大器进行限制性保护，即当射频功率放大器的输出功率超出正常范围时，限制射频功率放大器的输出功率防止射频功率放大器烧坏。

其次，本申请提供的射频功率检测电路在输入信号的功率较小时就能使输出电压的变化范围较大，这是由于第一级电路提供了对射频输入信号的放大，同时由于采用共射极(common emitter)晶体管放大结构，输出电压摆幅较大。

再次，本申请提供的射频功率检测电路可以检测射频功率放大器的输入信号或其中任意一级放大单元的输入信号。这样既避免了射频功率放大器的输出阻抗失配对射频功率检测电路的检测电压的影响，也避免了射频功率检测电路放在射频功率放大器的输出端对其造成的功率损耗。

最后，本申请提供的射频功率检测电路对温度变化不敏感。由于第一级电路中的放大晶体管和射频功率放大器中的功率晶体管的偏置点一样，在不同温度情况下都能够按照一定比例大小同步变化地输出信号。并且第二级电路中的二极管一为二极管二提供了温度补偿功能，从而使得二极管二输出的检测电压并不会由于温度变化而发生较大偏差。

附图说明

图1是一种现有的射频功率检测电路的结构示意图。

图2是本申请提供的射频功率检测电路的结构示意图。

图3是本申请提供的射频功率检测电路的检测电压的曲线示意图。

图中附图标记说明：RFin为射频输入信号；Vout、Vdet为检测电压；Vreg为参考电压；Vsup为电源电压；Vb为偏置电压；D为二极管；Q为晶体管；C为电容；R为电阻。

具体实施方式

请参阅图2，这是本申请提供的射频功率检测电路。为了便于描述，图2中还包含了偏置电路和射频功率放大器。偏置电路为射频功率放大器中的功率晶体管Q1和第一级电路中的放大晶体管Q2提供偏置电压Vb。射频功率放大器主要包括功率晶体管Q1实现放大功能。偏置电压Vb通过电阻一R1连接功率晶体管Q1的基极，为其提供偏置电压。射频输入信号RFin通过电容一C1连接功率晶体管Q1的基极，电容一C1用于隔直和检测电路的射频信号输入。电源电压Vsup通过电感一L1连接功率晶体管Q1的集电极，电感一L1用来防止功率晶体管Q1输出的射频信号泄露到电源电压Vsup造成功率损失。功率晶体管Q1的发射极接地。

图2中仅示意性地表示出一个功率晶体管Q1，在实际的射频功率放大器中通常是由多个功率晶体管Q1并联以实现较大的增益值。

图2中除了射频功率放大器和偏置电路以外的部分，都是本申请提供的射频功率检测电路。所述射频功率检测电路主要包括第一级电路、第二级电路和保护电路。

射频功率检测电路中的第一级电路包括电容二C2、电阻二R2、放大晶体管Q2和电感二L2，主要用来对耦合到电容二C2的射频输入信号RFin进行放大，这样可以在较小的输入功率变化范围实现输出较大的检测电压，达到系统指标要求。放大晶体管Q2具体实现放大功能，优选与功率晶体管Q1采用相同类型的器件。偏置电压Vb通过电阻二R2连接放大晶体管Q2的基极，为其提供偏置电压。射频输入信号RFin通过电容二C2连接放大晶体管Q2的基极，电容二C2用于隔直和检测电路的射频信号输入。电源电压Vsup通过电感二L2连接放大晶体管Q2的集电极，放大晶体管Q2的集电极也作为第一级电路的输出端，电感二L2用来防止放大晶体管Q2输出的射频信号泄露到电源电压Vsup造成功率损失。放大晶体管Q2的发射极接地。

上述第一级电路用来跟随射频功率放大器的输出功率。通常，第一级电路中的放大晶体管Q2与射频功率放大器中的单个功率晶体管Q1的管子类型相同，面积也成一定比例，功率晶体管Q1通常为多个并联。假设功率晶体管Q1、放大晶体管Q2的面积分别为A1、A2，那么电阻一R1和电阻二R2的取值满足R2/R1＝A1/A2。放大晶体管Q2与功率晶体管Q1共用偏置电压Vb，因此可以保证两个晶体管具有相同的偏置状态，这样放大晶体管Q2的输出功率就会跟随功率晶体管Q1的输出功率按一定比例缩小地同步变化，即实现准确跟随。

射频功率检测电路中的第二级电路包括电阻三R3至电阻六R6、二极管一D1、二极管二D2和电容四C4，主要用来对第一级电路输出的射频信号进行功率检测。电容三C3是第一级电路与第二级电路之间的耦合电容。第一级电路中的放大晶体管Q2的输出端通过电容三C3连接二极管二D2的阳极。参考电压Vreg通过串联的电阻三R3和电阻四R4连接二极管一D1的阳极，为其提供正向偏置。二极管一D1的阴极接地。参考电压Vreg还通过电阻三R3连接二极管二D2的阳极，为其提供正向偏置。二极管二D2的阴极作为第二级电路的输出端，也是整个射频功率检测电路的输出端对外输出检测电压Vdet。通常，二极管一D1与二极管二D2具有相同的面积和环境，二极管一D1用来为二极管二D2设置具有温度补偿特性的偏置点。具体而言，随着温度变化例如升高，两个二极管D1、D2的开启电压都会变小。由电阻三R3、电阻四R4和二极管一D1组成的分压支路中，由于二极管一D1的开启电压变小，使得二极管二D2的阳极的分压值变小。这恰好抵消了二极管二D2的开启电压变小对输出的检测电压Vdet的不利影响，使得检测电压Vdet在不同温度下大致保持稳定。二极管二D2的阴极还通过两条并联支路接地，其中一条支路由串联的电阻五R5和电阻六R6组成，另一条支路为电容四C4。电阻五R5、电阻六R6和电容四C4构成了一个低通滤波电路，对二极管二D2输出的整流后的直流电压进行滤波。

可选地，二极管一D1也可采用双极型晶体管(BJT)实现，具体来说是将双极型晶体管的基极和集电极短接在一起。该双极型晶体管的集电极、发射极分别相当于二极管一D1的阳极、阴极。

上述第二级电路实际上检测的是第一级电路输出的射频信号的功率。由于第一级电路的输出功率与射频功率放大器的输出功率是按照一定比例同步变化的，因此间接地实现了检测射频功率放大器的输出功率。

射频功率放大器中的保护电路包括保护晶体管Q3、电阻七R7和电阻八R8。电阻七R7的一端连接电阻五R5和电阻六R6之间的节点V0，另一端连接保护晶体管Q3的基极，由节点V0的电压来决定保护晶体管Q3的开启状态。电阻八R8的一端连接工作电压Vb，另一端连接保护晶体管Q3的集电极。保护晶体管Q3的发射极接地。

图2所示的射频功率检测电路中，如果射频功率放大器仅为一级放大单元，那么射频输入信号RFin可以是射频功率放大器的输入端的射频输入信号。如果射频功率放大器包括多级放大单元，此时射频输入信号RFin可以是射频功率放大器的任意一级放大单元的输入端信号。此时射频功率检测电路中的第一级电路就改为跟随射频功率放大器中具有相同输入端信号的那一级放大单元的输出成比例地同步变化。换而言之，本申请提供的射频功率检测电路可以放置在射频功率放大器的输入端，也可放到射频功率放大器的任意一级放大单元的输入端。

图2中，所有晶体管都可以是异质结双极晶体管、MOS管(MOSFET)等。如改为MOS管，则异质结双极晶体管的基极、发射极、集电极分别改为MOS管的栅极、源极、漏极。

请参阅图3，这是本申请提供的射频功率检测电路输出的检测电压。其中横坐标表示射频功率放大器的输出功率，纵坐标表示射频功率检测电路输出的检测电压。假设Pmax是射频功率放大器的最大安全输出功率，也就是一旦输出功率大于Pmax则射频功率放大器就可能因过流而烧坏。假设射频功率放大器的输出功率为Pmax时，射频功率检测电路输出的检测电压Vdet为Vmax。当射频功率放大器的输出功率超出Pmax后如果继续增大，那么射频功率检测电路的检测电压Vdet也会在Vmax的基础上随之增大，串联的电阻五R5和电阻六R6组成了一条分压支路，因而节点V0的电压值也就随之增大。通过选择合适的电阻五R5和电阻六R6的电阻值，使得当射频功率检测电路输出的检测电压Vdet超出Vmax后，节点V0的电压值恰好可以开启保护晶体管Q3。保护晶体管Q3开启后集电极与发射极连通，工作电压Vb通过电阻八R8接地，因而促使工作电压Vb下降。这便限制了射频功率放大器的电流，从而限制了射频功率放大器的输出功率，实现了对射频功率放大器的保护。

与现有的射频功率检测电路相比，本申请主要具有以下一些优点。

其一，在特殊情况例如射频功率放大器的输出阻抗失配时，一旦射频功率放大器的输出功率超出正常范围，射频功率检测电路就会对射频功率放大器的输出功率进行限定，使其回到正常范围以内，避免射频功率放大器因过流而烧坏。

其二，射频功率检测电路中的第一级电路先对射频信号进行放大，第二级电路再对放大后的射频信号进行功率检测。这样射频功率检测电路就可以在较小的输入信号的功率变化范围内实现输出较大范围的检测电压。并且第一级电路中的放大晶体管采用共射极连接方式，输出电压摆幅较大。

其三，射频功率检测电路可以放在射频功率放大器的输入端或任意一级放大单元的输入端，即对射频功率放大器的输入信号或任意一级放大单元的输入信号进行功率检测。这样既避免了射频功率放大器的输出阻抗失配对射频功率检测电路的检测电压的影响，也避免了射频功率检测电路放在射频功率放大器的输出端对其造成的功率损耗。

其四，本申请提供的射频功率检测电路对温度变化不敏感。由于第一级电路中的放大晶体管和射频功率放大器中的功率晶体管的偏置点一样，在不同温度情况下都能够按照一定比例大小同步变化地输出信号。并且第二级电路中的二极管一为二极管二提供了温度补偿功能，从而使得二极管二输出的检测电压并不会由于温度变化而发生较大偏差。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种射频功率检测电路，其特征是，包括第一级电路、第二级电路和保护电路；

所述第一级电路包括放大晶体管，用来跟随射频功率放大器中的功率晶体管的输出成比例地同步变化；

所述第二级电路包括二极管一和二极管二，用来对第一级电路输出的射频信号进行功率检测；其中二极管一用来为二极管二设置具有温度补偿特性的偏置点；

所述保护电路包括保护晶体管，用来在射频功率放大器的输出功率超出正常范围时开启保护晶体管从而限制射频功率放大器的输出功率。

2.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征是，所述射频功率检测电路检测的是射频功率放大器的输入端信号；

或者当射频功率放大器为多级放大结构时，所述射频功率检测电路检测的是任意一级放大单元的输入端信号；此时所述第一级电路跟随射频功率放大器中具有相同输入端信号的那一级放大单元的输出成比例地同步变化。

3.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征是，所述放大晶体管采用共射极连接方式。

4.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征是，所述第一级电路包括电容二、电阻二、放大晶体管和电感二；偏置电压通过电阻二连接放大晶体管的基极为其提供偏置；所述偏置电压也通过电阻一为射频功率放大器中的功率晶体管提供偏置；射频输入信号通过电容二连接放大晶体管的基极；电源电压通过电感二连接放大晶体管的集电极，放大晶体管的集电极也作为所述射频功率检测电路中的第一级电路的输出端；放大晶体管的发射极接地。

5.根据权利要求4所述的射频功率检测电路，其特征是，当功率晶体管、放大晶体管的面积分别为A1、A2，那么电阻一和电阻二的取值满足R2/R1=A1/A2，此时放大晶体管的输出功率按照一定比例与功率晶体管的输出功率同步变化。

6.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征是，所述第二级电路包括电阻三至电阻六、二极管一、二极管二和电容四；第一级电路中的放大晶体管的输出端通过电容三连接二极管二的阳极；参考电压通过串联的电阻三和电阻四连接二极管一的阳极，为其提供正向偏置；二极管一的阴极接地；参考电压还通过电阻三连接二极管二的阳极，为其提供正向偏置；二极管二的阴极作为第二级电路的输出端，也是整个射频功率检测电路的输出端对外输出检测电压；二极管二的阴极还通过两条并联支路接地，其中一条支路由串联的电阻五和电阻六组成，另一条支路为电容四。

7.根据权利要求1或6所述的射频功率检测电路，其特征是，所述二极管一为二极管二设置具有温度补偿特性的偏置点是指：当温度变化时，二极管一和二极管二的开启电压均发生变化；由电阻三、电阻四和二极管一组成的分压支路中，由于二极管一的开启电压变化，使得电阻三与电阻四的连接位置的分压值发生变化，抵消了二极管二的开启电压变化对输出电压的不利影响。

8.根据权利要求6所述的射频功率检测电路，其特征是，所述保护电路包括保护晶体管、电阻七和电阻八；电阻七的一端连接电阻五和电阻六之间的节点V0，另一端连接保护晶体管的基极，由节点V0的电压来决定保护晶体管的开启状态；电阻八的一端连接工作电压Vb，另一端连接保护晶体管的集电极；保护晶体管的发射极接地。

9.根据权利要求8所述的射频功率检测电路，其特征是，当射频功率放大器的输出功率超出安全范围时，节点V0的电压值恰好开启保护晶体管，保护晶体管开启后集电极与发射极连通促使工作电压下降；这便限制了射频功率放大器的电流，从而限制了射频功率放大器的输出功率，实现了对射频功率放大器的保护。

10.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征是，各晶体管采用异质结双极晶体管或MOS管；异质结双极晶体管的基极、发射极、集电极分别相当于MOS管的栅极、源极、漏极。