CN112904079B - 双向射频功率检测器、工作方法及系统 - Google Patents

双向射频功率检测器、工作方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双向射频功率检测器、工作方法及系统，包括：基于PA的输出平衡不平衡变换器、定向耦合器以及功率检测电路；所述功率检测电路与定向耦合器相连；所述基于PA的输出平衡不平衡变换器与定向耦合器相连；所述功率检测电路包括：输入级部件；所述射频信号通过输入级部件，利用二极管的单向导通特性，将射频电压信号转化为半波电流；CMOS工艺下二极管的导通电压较大，预期检测的反射信号功率较小，因此直流电源电压通过电感连接至输入二极管，提供二极管所需的导通电压。本发明复用输出Balun构造定向耦合器，使得本结构不占用额外的面积，输出电压抵抗PVT对检测结果的影响。

Description

双向射频功率检测器、工作方法及系统
技术领域
本发明涉及天线系统技术领域，具体地，涉及一种双向射频功率检测器、工作方法及系统，尤其涉及一种基于PA输出阻抗匹配网络的双向射频功率检测器工作方法及系统。
背景技术
天线系统的驻波比(SWR)的大小，对发射效率有很大影响；SWR大，意味着有大的功率被反射回功率放大器(Power amplifier，PA)，使射频发射机效率变低，甚至可能造成PA烧毁。天线系统的匹配状态是一个发射系统的瓶颈，不可忽视。用反射系数可以完善地描述传输系统的匹配状态，但用SWR更为简单和直观。我们知道，在匹配状态下，高频电磁能量全部流入负载，不存在反射。这时，沿传输线各个位置上的电压振幅相等，不存在驻波。而在失配时，由于存在反射波，反射波与正向波的叠加结果，就会使得在线上的各个点的振幅存在有规律的起伏，称为驻波状态。驻波比计是可以测量阻抗失配的电路，主要由两个模块组成:定向耦合器，功率检测电路。
定向耦合器又称为混合型变换器，其主要指标有方向性、隔离度、插入损耗，定向耦合器可以将输入功率分流到不同端口，同时可以单独区分出正向信号和反向信号分量，这正好是本设计需要的功能。定向耦合器是一个四端口器件，如图1所示，分别为输入端、直通端、隔离端和耦合端。定向耦合器可以用耦合微带线或者集总元件来设计，与波导结构相比，具有体积小、易集成的特点。
采用微带线结构的定向耦合器如图2所示，采用λ/4传输线与集总耦合电容结合的方式，结构简洁，甚至可以不采用集总电容，而是通过选择两个微带线之间的间距来提供耦合性。其缺点是需要较长的走线较大的面积来完成，以及造成较大的插入损耗，在射频波段，微带线长度无法集成在芯片内部。
采用集总元件的定向耦合器如图3所示，其主要部分是一个片上变压器(XFMR)，采用更小的电感值，可以有效节省面积，以及降低损耗。以XFMR为基础构建定向耦合器在近年有较多的研究成果，但主要是为了作为正交信号产生器使用，着重关注相位特性和幅度平衡的性能，没有开发它的方向性和功率分流功能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双向射频功率检测器、工作方法及系统。
根据本发明提供的一种双向射频功率检测器，包括：基于PA的输出平衡不平衡变换器、定向耦合器以及功率检测电路；所述功率检测电路与定向耦合器相连；所述基于PA的输出平衡不平衡变换器与定向耦合器相连；基于PA的输出平衡不平衡变换器、定向耦合器，功率检测电路；采用基于PA的输出平衡不平衡变换器构建定向耦合器；所述功率检测电路包括：输入级部件；所述射频信号通过输入级部件，利用二极管的单向导通特性，将射频电压信号转化为半波电流；CMOS工艺下二极管的导通电压较大，预期检测的反射信号功率较小，因此直流电源电压通过电感连接至输入二极管，提供二极管所需的导通电压。
所述输入级部件采用CMOS工艺二极管。
所述功率检测电路包括：LPF模块；所述LPF模块采用数字控制的可变电容电阻阵列，调节低通滤波器电阻，可以改变加在二极管两端的直流电压，因此可以改变可检测的最小射频信号功率，也即调节功率检测器的灵敏度；调节电容，可以滤除大功率下的交流分量，减小输出检测电压的误差。同时为了抵消芯片制造过程中PVT的影响，复制功率检测部分，不输入外加功率，产生参考电压，输出电压与参考电压相减再进行输出，就可以大大抵消PVT带来的影响。
所述功率检测电路包括：电源开关、参考电压产生模块。
由于二极管的导通电压基本保持恒定，结合二极管的高频小信号模型，二极管负极所接的LPF器件对功率检测电路的输入阻抗影响较小，因此改变LPF的电容电阻值，不会对定向耦合器的性能造成较大影响。
根据本发明提供的一种双向射频功率检测器工作方法，包括：步骤S1：基于PA的输出平衡不平衡变换器(Balun)构建定向耦合器，以定向耦合器的隔离端和耦合端作为输出，实现双向功率检测，可以检测到射频发射系统在天线端的反射功率，估算驻波比，监控射频发射系统的发射效率。本发明参考以XFMR为主要部分的定向耦合器，基于PA的输出匹配网络设计。由于天线为单端口元件，所以射频差分PA的输出需要经过一个Balun进行差转单，同时Balun完成PA输出的阻抗匹配功能，使PA能达到最大的输出功率。本发明在
步骤S2：在Balun的次级线圈处再加一个小线圈，小线圈与次级线圈以集总电容连接，调节电容电感参数进行信号耦合，发射/反射功率信号在小线圈上表现出方向性，小线圈的两个端口分布为隔离端和耦合端，得到一个定向耦合器；
本耦合器的实现不需要额外的面积，只需要调节线圈电感值、线圈间的互感以及耦合电容值，就可以将输入信号分流。
步骤S3：利用功率检测电路用于提取与发射正向功率、天线反射功率成正比的直流电压，经二极管进行半波整流，留下射频信号的正向导通电流，流经电阻和低通滤波器，滤除高频分量，产生直流输出电压信号。
优选地，还包括：
步骤S4：本发明为了减小功率检测电路的加入对PA发射通路的影响，在二极管输入、输出分别加到地、关断直流的开关，在小线圈电感的偏置处设置开关，分别连接电源电压和地。
优选地，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：在开启状态下，二极管输入处到地的开关断开，电源电压接通，二极管负极处LPF接通，功率检测器正常工作；
优选地，所述步骤S4包括：
步骤S4.2：在关闭状态下，到地开关闭合，屏蔽功率检测电路，电感偏置点接地，二极管负极和LPF断开，功率检测电路输出0V电压，对射频主通路的影响降到最低。
根据本发明提供的一种双向射频功率检测器工作系统，包括：
模块M1：基于PA的输出平衡不平衡变换器(Balun)构建定向耦合器，以定向耦合器的隔离端和耦合端作为输出，实现双向功率检测，可以检测到射频发射系统在天线端的反射功率，估算驻波比，监控射频发射系统的发射效率。
本发明参考以XFMR为主要部分的定向耦合器，基于PA的输出匹配网络设计。由于天线为单端口元件，所以射频差分PA的输出需要经过一个Balun进行差转单，同时Balun完成PA输出的阻抗匹配功能，使PA能达到最大的输出功率。本发明在
模块M2：在Balun的次级线圈处再加一个小线圈，小线圈与次级线圈以集总电容连接，调节电容电感参数进行信号耦合，发射/反射功率信号在小线圈上表现出方向性，小线圈的两个端口分布为隔离端和耦合端，得到一个定向耦合器；
本耦合器的实现不需要额外的面积，只需要调节线圈电感值、线圈间的互感以及耦合电容值，就可以将输入信号分流。
模块M3：利用功率检测电路用于提取与发射正向功率、天线反射功率成正比的直流电压，经二极管进行半波整流，留下射频信号的正向导通电流，流经电阻和低通滤波器，滤除高频分量，产生直流输出电压信号。
模块M4：本发明为了减小功率检测电路的加入对PA发射通路的影响，在二极管输入、输出分别加到地、关断直流的开关，在小线圈电感的偏置处设置开关，分别连接电源电压和地。
所述模块M4包括：
模块M4.1：在开启状态下，二极管输入处到地的开关断开，电源电压接通，二极管负极处LPF接通，功率检测器正常工作；
模块M4.2：在关闭状态下，到地开关闭合，屏蔽功率检测电路，电感偏置点接地，二极管负极和LPF断开，功率检测电路输出0V电压，对射频主通路的影响降到最低。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明复用输出Balun构造定向耦合器，使得本结构不占用额外的面积，输出电压抵抗PVT对检测结果的影响。
2、本发明的功率检测部分采取了开启和断开两种状态，在开启时，正常检测发射功率和反射功率，监测天线端驻波比；在关闭时，将功率检测电路和感应线圈屏蔽，使其对PA发射通路的影响降到最低。
3、本发明采用复用Balun构建定向耦合器的方法，减小了无源器件的数量，节省芯片面积。同时对功率检测电路加以改进。改进后的双向功率检测器有工作模式和关闭状态。工作模式下正常地检测射频信号的功率；关闭状态下屏蔽功率检测电路以及感应线圈，减小对PA输出功率的损耗。设置的参考电压可以可以消除因PVT变化引起的检测结果的误差，提高检测器的检测精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为输入端、直通端、隔离端和耦合端结构示意图。
图2为采用微带线结构的定向耦合器结构示意图。
图3为采用集总元件的定向耦合器结构示意图。
图4为本发明提供的二极管功率检测器结构示意图。
图5为传统的射频双向功率检测器示意图。
图6为本发明提供的射频双向功率检测器原理示意图。
图7为本发明的PA输出阻抗匹配电路和定向耦合器示意图。
图8为本发明的功率检测电路示意图。
图9为本发明的定向耦合器状态展示示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种基于PA输出匹配网络的双向射频功率检测器，可以同时监测射频链路的输出功率以及天线端反射信号，衡量反射功率以及天线系统驻波比的大小。本设计在传统架构的基础上，复用PA输出匹配网络，节省芯片面积；加入数字控制调节阵列，可以调节检测灵敏度；同时本功率检测器在不起功率检测作用时作为通路匹配元件，减小对功率发射通路的影响。
本发明使用的射频功率检测器为二极管功率检测器。如图4所示的二极管功率检测器，该功率检测器由一个二极管电路与RC低通滤波器组成。根据二极管的单向导通特性，射频信号从二极管正极输入，正向导通产生的半波电流经低通滤波后转化为直流输出电压。
传统的射频双向功率检测器如图5所示，在PCB板上用一条与设计阻抗相匹配的微带线连接，然后在微带线的两侧，对称地设置两条有一定长度的耦合线，一条作为反向耦合器，一条作为正向耦合器。靠近输入端口的检波器担负正向功率的检测，它对反向电能不敏感。靠近输出端的检波器也只检测反向传输的功率。实现这种定向检测功能要靠端接匹配负载后，仔细调节电阻R的阻值来达到。
本发明改进的射频双向功率检测器原理如图6所示，采用定向耦合器，输入端接PA输出，直通端连接发射天线，则耦合端检测正向发射功率，隔离端不会有信号输出。由于定向耦合器的对称性，当天线反射功率到达耦合器的直通端时，隔离端会有反向功率，也即天线端的反射信号，由此实现了双向功率检测的功能。由隔离端的功率检测电路转换为直流电压信号输出。
复用PA输出端的阻抗匹配网络进行定向耦合器设计，以一个定向耦合器完成正向功率和反向功率的检测，简化测量结构，大大节省了芯片面积。同时在功率检测部分加入开关，使得功率检测电路关闭时的寄生参数对PA输出通路影响最小。通过功率检测器的检测结果与参考电压对比，消除PVT变化带来的检测误差。
本发明提供一种基于PA输出阻抗匹配网络的双向射频功率检测器。在传统功率检测器的基础上，基于PA的输出平衡不平衡变换器(Balun)构建定向耦合器，以定向耦合器的隔离端和耦合端作为输出，实现双向功率检测，可以检测到射频发射系统在天线端的反射功率，估算驻波比，监控射频发射系统的发射效率。新型双向射频功率检测器包括了，基于Balun的定向耦合器电路，功率检测电路。
本发明参考以XFMR为主要部分的定向耦合器，基于PA的输出匹配网络设计。由于天线为单端口元件，所以射频差分PA的输出需要经过一个Balun进行差转单，同时Balun完成PA输出的阻抗匹配功能，使PA能达到最大的输出功率。本发明在Balun的次级线圈处再加一个小线圈，小线圈与次级线圈以集总电容连接，调节电容电感参数进行信号耦合，发射/反射功率信号在小线圈上表现出方向性，小线圈的两个端口分布为隔离端和耦合端，得到一个定向耦合器。本耦合器的实现不需要额外的面积，只需要调节线圈电感值、线圈间的互感以及耦合电容值，就可以将输入信号分流。
本发明所述的功率检测电路用于提取与发射正向功率、天线反射功率成正比的直流电压，经二极管进行半波整流，留下射频信号的正向导通电流，流经电阻和低通滤波器，滤除高频分量，产生直流输出电压信号。所述功率检测电路包括二极管输入级，电源开关、低通滤波器(LPF)和参考电压产生模块。所述的输入级为CMOS工艺二极管。射频信号通过二极管，利用二极管的单向导通特性，将射频电压信号转化为半波电流。CMOS工艺下二极管的导通电压较大，预期检测的反射信号功率较小，因此直流电源电压通过电感连接至输入二极管，提供二极管所需的导通电压。同时，LPF模块采用了数字控制的可变电容电阻阵列，调节低通滤波器电阻，可以改变加在二极管两端的直流电压，因此可以改变可检测的最小射频信号功率，也即调节功率检测器的灵敏度；调节电容，可以滤除大功率下的交流分量，减小输出检测电压的误差。同时为了抵消芯片制造过程中PVT的影响，复制功率检测部分，不输入外加功率，产生参考电压，输出电压与参考电压相减再进行输出，就可以大大抵消PVT带来的影响。
由于二极管的导通电压基本保持恒定，结合二极管的高频小信号模型，二极管负极所接的LPF器件对功率检测电路的输入阻抗影响较小，因此改变LPF的电容电阻值，不会对定向耦合器的性能造成较大影响。同时，本发明为了减小功率检测电路的加入对PA发射通路的影响，在二极管输入、输出分别加到地、关断直流的开关，在小线圈电感的偏置处也加了开关，分别连接电源电压和地。在开启状态下，二极管输入处到地的开关断开，电源电压接通，二极管负极处LPF接通，功率检测器正常工作；在关闭状态下，到地开关闭合，屏蔽功率检测电路，电感偏置点接地，二极管负极和LPF断开，功率检测电路输出0V电压，对射频主通路的影响降到最低。
图7是本发明的PA输出阻抗匹配电路和定向耦合器，电感L1、L2与互感因子k1
构成PA的输出Balun，差分信号转为单端信号，同时将PA的最优输出阻抗匹配到50Ω，使得PA传输到天线的功率最大；C1、L2、L3与互感因子k2构成定向耦合器，定向耦合器的隔离端和耦合端接图8的功率检测电路。L3的偏置点有一个开关S1，可以选择连接到电源电压给功率检测器供电，同时也提供虚地点，起到隔离两个端口二极管ac信号的作用，使其不会互相影响，或者在功率检测器关闭时接地。
如图8为本发明的功率检测电路。D1为二极管整流器，利用二极管的单向导通特性，将射频电压信号转化为半波电流。CMOS工艺下二极管的导通电压较大，预期检测的反射信号功率较小，因此图7中的直流电源电压通过电感连接至输入二极管，提供二极管所需的导通电压。LPF模块的R1和C1为可变电容电阻阵列，其阻值和容值可以由数字信号控制。调节低通滤波器电阻R1，可以改变加在二极管两端的直流电压，调节功率检测器的灵敏度；调节电容C1，可以滤除大功率下的交流分量，减小输出检测电压的误差。同时D2二极管电路是为了抵消芯片制造过程中PVT的影响，复制功率检测部分，产生参考电压，输出电压与参考电压相减再进行输出。
如图7和图8，三个开关S1、S2、S3，该开关可以由CMOS工艺中的NMOS或者PMOS晶体管构成。工作状态下，S1连接电源电压VDD，S2闭合，S3开路，此时二极管和LPF正常导通，对天线端的发射信号和反射信号进行检测；关闭模式下，S1连接GND，S2将LPF和二极管断开，S3闭合接地，将二极管功率检测电路屏蔽，此时定向耦合器状态如图9所示，可以看到等效为输出Balun加两个寄生电容C1，因此可以把该功率检测器对PA的输出损耗降到最小。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种双向射频功率检测器工作方法，其特征在于，包括：
步骤S1：基于PA的输出平衡不平衡变换器构建定向耦合器，以定向耦合器的隔离端和耦合端作为输出，实现双向功率检测；
步骤S2：在Balun的次级线圈处再加一个小线圈，小线圈与次级线圈以集总电容连接，调节电容电感参数进行信号耦合，发射/反射功率信号在小线圈上表现出方向性，小线圈的两个端口分布为隔离端和耦合端，得到一个定向耦合器；
步骤S3：利用功率检测电路用于提取与发射正向功率、天线反射功率成正比的直流电压，经二极管进行半波整流，留下射频信号的正向导通电流，流经电阻和低通滤波器，滤除高频分量，产生直流输出电压信号；
步骤S4：在二极管输入、输出分别加到地、关断直流的开关，在小线圈电感的偏置处设置开关，分别连接电源电压和地。
2.根据权利要求1所述的双向射频功率检测器工作方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：在开启状态下，二极管输入处到地的开关断开，电源电压接通，二极管负极处LPF接通，功率检测器正常工作。
3.根据权利要求1所述的双向射频功率检测器工作方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S4.2：在关闭状态下，到地开关闭合，屏蔽功率检测电路，电感偏置点接地，二极管负极和LPF断开，功率检测电路输出0V电压，对射频主通路的影响降到最低。
4.一种双向射频功率检测器工作系统，其特征在于，包括：
模块M1：基于PA的输出平衡不平衡变换器构建定向耦合器，以定向耦合器的隔离端和耦合端作为输出，实现双向功率检测；
模块M2：在Balun的次级线圈处再加一个小线圈，小线圈与次级线圈以集总电容连接，调节电容电感参数进行信号耦合，发射/反射功率信号在小线圈上表现出方向性，小线圈的两个端口分布为隔离端和耦合端，得到一个定向耦合器；
模块M3：利用功率检测电路用于提取与发射正向功率、天线反射功率成正比的直流电压，经二极管进行半波整流，留下射频信号的正向导通电流，流经电阻和低通滤波器，滤除高频分量，产生直流输出电压信号；
模块M4：在二极管输入、输出分别加到地、关断直流的开关，在小线圈电感的偏置处设置开关，分别连接电源电压和地；
所述模块M4包括：
模块M4.1：在开启状态下，二极管输入处到地的开关断开，电源电压接通，二极管负极处LPF接通，功率检测器正常工作；
模块M4.2：在关闭状态下，到地开关闭合，屏蔽功率检测电路，电感偏置点接地，二极管负极和LPF断开，功率检测电路输出0V电压，对射频主通路的影响降到最低。
5.一种双向射频功率检测器，其特征在于，采用权利要求1至3任一项所述的双向射频功率检测器工作方法，包括：基于PA的输出平衡不平衡变换器、定向耦合器以及功率检测电路；
所述功率检测电路与定向耦合器相连；
所述基于PA的输出平衡不平衡变换器与定向耦合器相连；
所述功率检测电路包括：输入级部件；
射频信号通过输入级部件，将射频电压信号转化为半波电流。
6.根据权利要求5所述的双向射频功率检测器，其特征在于，所述输入级部件采用CMOS工艺二极管。
7.根据权利要求5所述的双向射频功率检测器，其特征在于，所述功率检测电路包括：LPF模块；
所述LPF模块采用数字控制的可变电容电阻阵列。
8.根据权利要求5所述的双向射频功率检测器，其特征在于，所述功率检测电路包括：电源开关、参考电压产生模块。
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