CN114152803A - 高阻微带线结构的功率检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高阻微带线结构的功率检测电路，该功率检测电路的功率采样电路分别与馈电电路、功率整流电路连接，检测滤波电路与功率整流电路的输出端连接；功率采样电路的高阻微带线的第一端与功率放大器的射频信号输出端、输出匹配结构的第一端连接，第二端与第一电容的第一端连接，第二端分别与馈电电路、功率整流电路的输入端连接；馈电电路的一端与参考电压源连接，另一端与第一电容、功率整流电路的输入端连接；功率整流电路将信号传输给检测滤波电路进行检测和滤除高频信号。本发明能够降低对功放的负载效应，从而达到提高整体功放电路效率、降低芯片面积的目的，并且提高了功率检测电路在高低温环境下的检测功率精确性。

Description

高阻微带线结构的功率检测电路

技术领域

本发明涉及射频信号检测技术领域，尤其涉及一种高阻微带线结构的功率检测电路。

背景技术

功率检测电路在无线通信、卫星导航等领域有很广的应用，其目的在于判别射频信号的发射/接收功率是否正常，以此来确保通信的可靠性，以及功放芯片是否处于失配状态，保护功放芯片。

然而，在现有的功率检测电路中存在一些问题，很难满足卫星通信、导航系统的应用，如在申请公布号CN106405222A、申请公布日为2017年2月15日的中国发明专利申请《一种射频检测电路》中，记载了一种功率检测电路。这种功率检测电路的采样信号检测点设置在射频功率放大器的输入端，由于功率放大器的输入端信号摆幅较小，为了使采样信号能够驱动整流电路，发明人在采样点和整流电路间插入一级放大电路去放大采样信号，再去驱动整流电路，这样会有两个主要缺陷，第一会增大芯片的面积，第二消耗额外功耗。其次记载的检测电压还有一个很大的缺陷，采样点设置在功率放大器的输入端，只能间接检测功率放大器在匹配条件下的输出功率。功率放大器的输出负载是存在开路、短路的情景，或者功率放大器的负载失配，在这样的条件下，功率放大器的输入依然能接收推动级输出的功率，然而输出却没有功率。但是记载的检测电路还能检测正常功率，输出检测电压，这样就与实际情景违背，不能正确反映功放的输出功率。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种高阻微带线结构的功率检测电路，在功率采样电路中设置高阻微带线，利用高阻微带线从射频功放口直接采集功率信号，由于高阻微带的高特征阻抗，能够降低对功放端口的负载效应；不必采用间接微带耦合式结构，从而达到提高整体功放电路效率、降低芯片面积的目的；其次通过馈电电路向功率整流电路提供恒定的偏置电流，从而提高了功率检测电路在高低温环境下的检测功率精确性。

为解决上述问题，本发明采用的一个技术方案为：一种高阻微带线结构的功率检测电路，所述高阻微带线结构的功率检测电路包括：功率采样电路、馈电电路、功率整流电路以及检测滤波电路，所述功率采样电路分别与所述馈电电路、功率整流电路连接，所述检测滤波电路与所述功率整流电路的输出端连接；所述功率采样电路包括高阻微带线、第一电容，所述高阻微带线的第一端与功率放大器的射频信号输出端、输出匹配结构的第一端连接，第二端与所述第一电容的第一端连接，第二端分别与所述馈电电路、功率整流电路的输入端连接，所述功率采样电路对所述功率放大器的输出功率进行采样，并将采样后的功率信号传输给所述馈电电路、功率整流电路；所述馈电电路的一端与参考电压源连接，另一端与所述第一电容、功率整流电路的输入端连接，通过所述馈电电路向所述功率整流电路提供恒定的偏置电流；所述功率整流电路对所述功率信号整流产生直流信号、高频交流信号，并将信号传输给所述检测滤波电路进行检测和滤除高频信号。

进一步地，所述功率采样电路还包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述高阻微带线的第二端连接，第二端与所述第一电容的第一端连接，所述输出匹配结构的第二端输出所述射频信号。

进一步地，所述馈电电路包括第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述第一电容的第二端连接，阳极与所述参考电压源连接。

进一步地，所述馈电电路还包括第一三极管、第二三极管，第一三极管的基极、集电极相互连接，且集电极与第一二极管的阳极连接，第二三极管的集电极与所述第一三极管的发射极、第二三极管的集电极连接，所述第二三极管的发射极接地。

进一步地，所述馈电电路还包括第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述参考电压源连接，第二端与所述第一三极管的基极、集电极连接。

进一步地，所述馈电电路还包括第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述参考电压源连接，第二端与所述第一电容的第二端连接。

进一步地，所述功率整流电路包括第三三极管，所述第三三极管的基极、集电极相互连接，且基极与所述第一电容的第二端连接，发射极与所述功率整流电路的输入端连接。

进一步地，所述功率采样电路包括第二电容、第五电阻，所述第二电容的第一端与所述功率整流电路的输出端连接，第二端接地，所述第五电阻的第一端与所述第二电容的第一端、功率检测电压输出端连接，第二端接地。

进一步地，所述检测滤波电路还包括第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管，所述第五二极管的阴极接地，阳极与所述第四二极管的阴极连接，第四二极管的阳极与所述第三二极管的阴极连接，所述第三二极管的阳极与第二电容的第一端、第二二极管的阴极连接，所述第二二极管的阳极接地。

进一步地，所述检测滤波电路还包括第四电阻，所述第四电阻的第一端与所述功率整流电路的输出端连接，第二端与所述第二电容的第一端连接。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：利用高阻微带线从射频功放口直接采集功率信号，由于高阻微带的高特征阻抗，能够降低对功放端口的负载效应；不必采用间接微带耦合式结构，从而达到提高整体功放电路效率、降低芯片面积的目的；其次通过馈电电路向功率整流电路提供恒定的偏置电流，从而提高了高阻微带线结构的功率检测电路在高低温环境下的检测功率精确性。

附图说明

图1为本发明高阻微带线结构的功率检测电路一实施例的结构图；

图2为本发明高阻微带线结构的功率检测电路一实施例的电路图。

图中：100、功率采样电路；101、馈电电路；102、功率整流电路；103、检测滤波电路；TL1、高阻微带线；C1、第一电容；R1、第一电阻；D1、第一二极管；Q1、第一三极管；Q2、第二三极管；R2、第二电阻；R3、第三电阻；Q3、第三三极管；C2、第二电容；R5、第五电阻；D2、第二二极管；D3、第三二极管；D4、第四二极管；D5、第五二极管；R4、第四电阻。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

请参阅图1-2，图1为本发明高阻微带线结构的功率检测电路一实施例的结构图；图2为本发明高阻微带线结构的功率检测电路一实施例的电路图，结合图1、图2对本发明高阻微带线结构的功率检测电路进行详细说明。

在本实施例中，高阻微带线结构的功率检测电路包括：功率采样电路100、馈电电路101、功率整流电路102以及检测滤波电路103，功率采样电路100分别与馈电电路101、功率整流电路102连接，检测滤波电路103与功率整流电路102的输出端连接；功率采样电路100包括高阻微带线TL1、第一电容C1，高阻微带线TL1的第一端与功率放大器的射频信号输出端、输出匹配结构的第一端连接，第二端与第一电容C1的第一端连接，第二端分别与馈电电路101、功率整流电路102的输入端连接，功率采样电路100对功率放大器的输出功率进行采样，并将采样后的功率信号传输给馈电电路101、功率整流电路102；馈电电路101的一端与参考电压源连接，另一端与第一电容C1、功率整流电路102的输入端连接，通过馈电电路101向功率整流电路102提供恒定的偏置电流；功率整流电路102对功率信号整流产生直流信号、高频交流信号，并将信号传输给检测滤波电路103进行检测和滤除高频信号。其中，功率采样电路100直接耦合在功率放大器的最后一级，直接进行功率采样，采样后的信号传送给功率整流电路102进行整流转化，整流后的信号在传送给检测滤波电路103进行处理后变为直流电压提供给后端ADC(模拟数字转换电路)采集，馈电电路101给整个功率检波电路提供静态工作点，并且在全温-40度到85度都能提供补偿，使功率检测电路的检测功率不会因为温度的变化而产生变化。

在本实施例中，功率采样电路100还包括第一电阻R1，第一电阻R1的第一端与高阻微带线TL1的第二端连接，第二端与第一电容C1的第一端连接，输出匹配结构的第二端输出射频信号。

在功率检测电路中功率采样方式上有直接功率采样和耦合功率采样两种方式。在大功率功放电路中，功率采样电路100通常会采用耦合式采样，降低对功率放大器负载的影响，耦合出少量的功率信号在传送给功率检测电路，从而转换出检测电压。然而耦合器是一种无源器件，在芯片上实现需要占用较大的版图面积，不利于功放芯片小型化。本发明避免采用耦合器采样功率，大大降低芯片版图面积，提高集成度，并能达到同样耦合器功率采样的目的。

本发明的功率采样电路100直接通过P1结点挂载在功率放大器的输出端，其中将高阻微带线TL1直接与功率放大器的输出端口连接。在P1结点，输出匹配结构和功率采样电路100在连接上处于并联关系，都充当功率放大器的负载，从功率放大器获得功率。如果输出匹配结构的射频输入阻抗远远小于功率采样电路100输入阻抗，那么功率放大器输出的功率绝大部分将传送给输出匹配结构，仅剩少量的功率传送给功率采样电路100，基于这样的原理，只要实现功率采样电路100在P1结点的射频输入阻抗远远大于在P1节点输出匹配结构的射频阻抗，就能实现较好的隔离作用，达到和耦合器同等的功率衰减效果。为了实现功率采样电路100在P1结点呈现较高的射频输入阻抗，本发明通过用高阻微带线TL1实现这一要求。

功率整流电路102在电路的偏置条件下，其在射频频段通常呈现低的射频输入阻抗，其阻抗大小与输出匹配结构输入阻抗同数量级，因此不能在射频频段直接把整流电路P2结点直接挂载在P1结点。为了使功率采样电路100在P1节点呈现高阻状态，通过第一电阻R1和高阻微带线TL1把P2节点功率整流电路102的低阻牵引到P1节点的高阻状态，高阻微带线TL1在芯片上的实现只需一条很细线宽的金属线就能呈现很高的特征阻抗微带线，通过调整高微带线的长度，就能控制功率采样电路100的功率衰减量。第一电容C1实现隔直作用，且第一电容C1可以调谐到基波频段，降低基波插损。通过本发明提供的功率采样电路100结构就可实现在同一芯片上直接进行功率采样检测，极大节省了版图面积。其次，本发明的在功率放大器在开路条件下，功率检测电路接收绝大部分功率，而导致检测输出指示电压超过正常门限而报警，提示逻辑控制电路功放开路，从而保护功率放大器，传统定向耦合式检测由于是固定衰减，而无法报警进行电压指示，进而不能实现保护功率放大器，因此这是本发明的另一点优势。

在本实施例中，馈电电路101包括第一二极管D1，第一二极管D1的阴极与第一电容C1的第二端连接，阳极与参考电压源连接。

其中，馈电电路101还包括第一三极管Q1、第二三极管Q2，第一三极管Q1的基极、集电极相互连接，且集电极与第一二极管D1的阳极连接，第二三极管Q2的集电极与第一三极管Q1的发射极、第二三极管Q2的集电极连接，第二三极管Q2的发射极接地。

在本实施例中，馈电电路101还包括第二电阻R2，第二电阻R2的第一端与参考电压源连接，第二端与第一三极管Q1的基极、集电极连接。

在一个具体的实施例中，馈电电路101还包括第三电阻R3，第三电阻R3的第一端与所述参考电压源连接，第二端与第一电容C1的第二端连接。

本发明通过馈电电路101提供一种温度补偿直流供电方式，如图2中馈电电路101结构所示，本发明的馈电电路101供电方式有别于现有的发明专利，能实现全温度的温度补偿和增强射频信号与直流隔离的强度，更有利于采样后的功率信号全部进入整流电路，提高转换效率。本发明带温度补偿的馈电电路101原理分析如下，在增强直流隔离方面通过第三电阻R3和第一二极管D1实现直流射频信号的隔离，P1结点的功率信号经过功率采样电路100功率采样后到达P2结点，功率信号面临两条支路的选择，功率信号的一部分能量进入功率整流电路102，一另一部分能量进入馈电电路101，为了提高功率信号转化为直流电压的效率，需要绝大部分功率信号由P2结点进入功率整流电路102，避免功率进入馈电电路101，因此需要提高馈电电路101的输出阻抗，本发明通过使用第一二极管D1的单向导通性原理提高输出阻抗。第一二极管D1的阴极连接P2结点，这样就增大了馈电电路101的输出阻抗，在通过第三电阻R3进一步提高输出阻抗，防止P2结点功率信号进入馈电电路101，达到增强直流和直流隔离效果。

本发明并没有完全采用第三电阻R3进行隔离，因为完全采用第三电阻R3隔离需要较大电路，增加版图面积消耗。但，单独采用第三电阻R3或者单独设置第一二极管D1去隔离射频和直流信号也是本发明的保护范围。

在本实施例中，功率整流电路102包括第三三极管Q3，第三三极管Q3的基极、集电极相互连接，且基极与第一电容C1的第二端连接，发射极与功率整流电路102的输入端连接。

本发明在馈电电路101温度补偿方面原理具体分析如下，馈电电路101通过与参考电压源连接的Vref结点输入参考电压，电压通过第二电阻R2后加载在第一三极管Q1集电极和第三电阻R3左端，第一三极管Q1和第二三极管Q2连接成二极管方式，在第一三极管Q1的集电极产生钳位电压VQ1C，第一二极管D1的压降为VD1，第三三极管Q3的压降为VQCE3。其中，三极管由PN结组成，三极管阈值开启电压VT随温度是发生变化的，温度升高电压VT下降，温度下降电压VT升高。为了保持检测节点电压Vdet在全温下保持恒定，因此馈电电路101需要全温条件下提供恒定的偏置电流，这样偏置电流与第五电阻R5的乘积电压Vdet才能保持恒定，本发明的馈电电路101就具备这样的功能。第三三极管Q3其静态电流IQ3与其基射电压Vbe3相关，当温度升高，第三三极管Q3的阈值电压VT3下降，为了维持静态电流IQ3不变，必然要求第三三极管Q3其基射电压Vbe3下降才能保持电流不变；当温度下降，第三三极管Q3阈值电压VT3升高，为了维持静态电流IQ3不变，必然要求第三三极管Q3其基射电压Vbe3升高才能保持电流不变。同样原理，在温度升高时，由于第一三极管Q1、第二三极管Q2阈值电压下降，第一三极管Q1集电极其钳位电压VQ1C必然下降，第一二极管D1的压降VD1也变低，即：

因此能维持高温时静态电流IQ3不变，也即Vdet不变；同理在温度下降时，由于第一二极管D1、第二二极管D2阈值电压升高，第一二极管D1集电极其钳位电压VQ1C必然升高，第一二极管D1的压降VD1也升高，有：

因此能维持低温时静态电流IQ3不变，也就电压Vdet不变。进一步分析，第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第一二极管D1在晶体管面积匹配条件下，PN结随温度电压变化量ΔV相同。为了维持静态电流IQ3保持不变，常温时第三三极管Q3维持IQ3大小对应电压Vbe3；高温时第三三极管Q3维持IQ3大小对应电压(Vbe3-ΔV)；低温时第三三极管Q3维持IQ3大小对应电压(Vbe3+ΔV)，第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一二极管D1组合正好能提供这样的补偿趋势。

由于第三三极管Q3的单向导通性，在P2结点信号周期正半周第三三极管Q3导通；在P2结点信号周期负半周第三三极管Q3截止，因此能在P3结点产生直流电流分量和其它谐波、杂散分量，达到整流目的。

在本实施例中，检测滤波电路103包括第二电容C2、第五电阻R5，第二电容C2的第一端与功率整流电路102的输出端连接，第二端接地，第五电阻R5的第一端与第二电容C2的第一端、功率检测电压输出端连接，第二端接地。

其中，检测滤波电路103还包括第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5，第五二极管D5的阴极接地，阳极与第四二极管D4的阴极连接，第四二极管D4的阳极与第三二极管D3的阴极连接，第三二极管D3的阳极与第二电容C2的第一端、第二二极管D2的阴极连接，第二二极管D2的阳极接地。

在本实施例中，检测滤波电路103还包括第四电阻R4，第四电阻R4的第一端与功率整流电路102的输出端连接，第二端与第二电容C2的第一端连接。

当功率整流电路102输出的直流电流流过第五电阻R5就会产生直流电压，功率放大器输出功率越大，产生的直流电压就会越大，这样根据检测节点电压Vdet的大小就能判别功率放大器输出功率的大小，实现了功率检测功能。第二电容C2充当滤波功能，能对功率整流电路102输出的谐波、杂散等高频信号进行滤除，使检测节点电压Vdet比较干净。第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5具备ESD保护和过检保护功能，当功放开路时，存在大功率输入功率检测电路的现象，导致Vdet升高，为了防止Vdet过大，超过检测电压范围，利用二极管钳位原理，使Vdet在控制电压范围。

本发明的高阻微带线结构的功率检测电路具备以下优点：

1、本发明提供的功率采样电路100，通过采用高阻微带线TL1结构实现了较高的输入阻抗，使功率检测电路与功率放大器所在的电路得到了较好隔离效果，从而替换定向耦合器结构，极大了缩减了芯片布图面积，并且实现了高效率功率检测效果、简化了功率检测电路。

2、本发明提供的馈电电路101能使功率检测电路在全温度范围内实现非常好的补偿效果，在高低温下提供稳定的偏置电流使功率检测电路检测的功率不受温度的影响。其次馈电电路101能使射频信号和直流信号得到较好隔离，从而提高了整流电路的转换效率。

3、本发明提供的电路，电路结构简单、紧凑，只需单路供电，功耗低，便于芯片集成。

通过上述结构，本发明提供了一种便于芯片直接集成的高阻微带线结构的功率检测电路，该功率检测电路在全温度范围-40度到85度都能检测功率，具有较好的温度补偿效果；并且功率检测电路能直接检测功率放大器输出口功率，又不对功率放大器产生较大的负载效应，降低了功率放大器输出功率的影响；从而使功率检测电路不需要额外第二次放大模块从而消耗更多芯片面积和功耗。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种高阻微带线结构的功率检测电路，其特征在于，所述高阻微带线结构的功率检测电路包括：功率采样电路、馈电电路、功率整流电路以及检测滤波电路，所述功率采样电路分别与所述馈电电路、功率整流电路连接，所述检测滤波电路与所述功率整流电路的输出端连接；

所述功率采样电路包括高阻微带线、第一电容，所述高阻微带线的第一端与功率放大器的射频信号输出端、输出匹配结构的第一端连接，第二端与所述第一电容的第一端连接，第二端分别与所述馈电电路、功率整流电路的输入端连接，所述功率采样电路对所述功率放大器的输出功率进行采样，并将采样后的功率信号传输给所述馈电电路、功率整流电路；

所述馈电电路的一端与参考电压源连接，另一端与所述第一电容、功率整流电路的输入端连接，通过所述馈电电路向所述功率整流电路提供恒定的偏置电流；

所述功率整流电路对所述功率信号整流产生直流信号、高频交流信号，并将信号传输给所述检测滤波电路进行检测和滤除高频信号。

2.如权利要求1所述的高阻微带线结构的功率检测电路，其特征在于，所述功率采样电路还包括第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述高阻微带线的第二端连接，第二端与所述第一电容的第一端连接，所述输出匹配结构的第二端输出所述射频信号。

3.如权利要求1所述的高阻微带线结构的功率检测电路，其特征在于，所述馈电电路包括第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述第一电容的第二端连接，阳极与所述参考电压源连接。

4.如权利要求3所述的高阻微带线结构的功率检测电路，其特征在于，所述馈电电路还包括第一三极管、第二三极管，第一三极管的基极、集电极相互连接，且集电极与第一二极管的阳极连接，第二三极管的集电极与所述第一三极管的发射极、第二三极管的集电极连接，所述第二三极管的发射极接地。

5.如权利要求4所述的高阻微带线结构的功率检测电路，其特征在于，所述馈电电路还包括第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述参考电压源连接，第二端与所述第一三极管的基极、集电极连接。

6.如权利要求1所述的高阻微带线结构的功率检测电路，其特征在于，所述馈电电路还包括第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述参考电压源连接，第二端与所述第一电容的第二端连接。

7.如权利要求1所述的高阻微带线结构的功率检测电路，其特征在于，所述功率整流电路包括第三三极管，所述第三三极管的基极、集电极相互连接，且基极与所述第一电容的第二端连接，发射极与所述功率整流电路的输入端连接。

8.如权利要求1所述的高阻微带线结构的功率检测电路，其特征在于，所述检测滤波电路包括第二电容、第五电阻，所述第二电容的第一端与所述功率整流电路的输出端连接，第二端接地，所述第五电阻的第一端与所述第二电容的第一端、功率检测电压输出端连接，第二端接地。

9.如权利要求8所述的高阻微带线结构的功率检测电路，其特征在于，所述检测滤波电路还包括第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管，所述第五二极管的阴极接地，阳极与所述第四二极管的阴极连接，第四二极管的阳极与所述第三二极管的阴极连接，所述第三二极管的阳极与第二电容的第一端、第二二极管的阴极连接，所述第二二极管的阳极接地。

10.如权利要求9所述的高阻微带线结构的功率检测电路，其特征在于，所述检测滤波电路还包括第四电阻，所述第四电阻的第一端与所述功率整流电路的输出端连接，第二端与所述第二电容的第一端连接。

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