摘要:本文对频段为3MHz～26.1MHz短波发射系统中的正反向功率检测器的作用和工作原理进行了分析, 提出了一种功率检测器采用电流互感器和电压互感器双磁环检测工作方式的设计方案，同时给出了实际设计原理电路图和测试结果。
关键词：检测器；耦合度；隔离度
1 引言
正反向功率检测器在短波发射系统中是一个必不可少的部件之一，其功能特性直接影响短波发射系统的输出功率平坦度和稳定性，决定发射机能否建立起一个可靠的保护系统。针对短波发射设备功率检测的平坦性、可靠性和方便调试等问题， 本文主要分析一种功率检测采用电流互感器和电压互感器双磁环检测形式的电路结构，此种电路结构形式的功率检测器的各项性能指标都比较优，在实际的生产和调试中都比较简单，因此其在短波发射设备中有着重要的应用。
2正反向功率检测器的工作原理和电路结构
功率检测器在短波发射系统中的应用示意图1，功率检测器在作为功率电平取样时，在短波电台发射系统中，一般接于功放滤波之后。功率检测器对谐波滤波器输出的射频信号进行检测，检测出正反向功率取样电压，供给激励器数字化处理后进行正反向功率指示，同时对正反向功率进行控制和保护。
当信号功率自端口1输入，则端口2为输出端口，3为耦合度端口，4为定向性端口（或称隔离端口），理想状态下端口4应该没有功率输出。设计功率检测器的核心问题是：频率范围、耦合度、耦合度幅频响应、定向性、插入损耗、功率容量等指标，其各定义如下所示[1]；
耦合度C：输入端功率P1与耦合度端功率P3之比，可用dB表示。
耦合度幅频响应△C：习称耦合平坦度，在工作频带内，耦合度端功率P3最大值（P3max）与P3最小值（P3min）之比，可用dB表示：
定向性D：耦合度端功率P3与定向性端功率P4之比，可用dB表示：
隔离度I：输入端功率P1与隔离端功率P4之比，可用dB表示：
插入损耗LA：输入端功率P1与输出端功率P2之比，可用dB表示：
频率范围：是指满足发射设备各指标要求的频率范围。U0 I0
2.2电路结构
图3是正反向功率检测器的电路结构图，它由电流互感器和电压互感器双磁环组成，主要用来检测射频信号的正向功率和反向功率的取样电平，此电路原理的主要特点是频率特性在短波频率范围内平坦特性较好,它们的等效并联阻抗随频率变化很小，检测电路有较好的频率响应特性,从而保证了检测值的稳定性和准确性，同时此电路还具有原理简单，容易实现，成本低，电路尺寸小等特点。根据基本的电路理论、变压器的原理及参考文献[1]中要求，有如下的一些理论计算公式：
I0/I1＝N1/N0 (1) U0/U2= N2/N0 (2)
P0＝U0×I0 (3) P1＝U1×I1 (4)
U1＝U2 (5)
C耦合度＝10log（P0/P1）=10log[(U0×I0)/(U1×I1)]＝10log[1/(N1×N2)] (6)
L≥4RL/ 2∏fmin（L为T1和T2的线圈电感量） (7)
取样隔离度为20lgN (N为T1和T2的线圈匝数) (8)
另外R1和R2电阻值可推出：
当主线输入、输出阻抗都是50Ω时，检测器电桥平衡即U1＝U2，
因为U1＝I1×R1，I1＝I0/N1，I0＝U0/50，所以U1＝U0×R1/（50×N1）。
又因为U2＝U0/N2，U1＝U2，所以得到：
U0×R1/（50×N1）＝ U0/N2，N1＝N2，从而得到R1＝R2＝50Ω
3 3MHz～26.1MHz正反向功率检测器设计实例
设计一个5kW短波发射机正反向功率检测器，其指标要求为：频率范围3MHz～26.1MHz,耦合度：-29±1dB, 耦合度平坦性≤0.3 dB, 隔离度≤-30dB，功率容量≤6kW。
如图4所示的原理设计图是实际制作的电路图，图中采用T1电流互感器和T2电压互感器双磁环的检测工作方式。这里两个互感器的制作和所使用的材料都相同,尽量避免了相位误差等因素的影响，在50Ω负载时，T1、T2取样交流信号幅度相等，在A点相位相同，B点相位相反。R1、R2提供取样交流信号的交流，V1、V2为检波二极管，在这里起到把交流电压整成直流电压。型号为1N34, 它的优点是在短波范围内频响好。R5、RP1和R6、RP2分别组成正反向功率检测取样电平的分压电路 ，集成电路N1和N2在这里主要起到电压跟随的作用，提高后端负载驱动能力。
3.1 T1和T2变压器的设计
(1)磁环的选择：根据设计要求可知道工作通带的上限频率为26.1MHz，所以这里磁环选用Fair-Rite公司磁导率为67的材料,该磁环的磁导率在短波频率范围内的频率特性比较好，功率检测比较稳定，也满足设计要求。
（2）互感器T1和T2的线圈匝数、电阻R1/R2阻值和功率检测器隔离度的计算：
在理想情况下，可以很容易推导出变压的匝数，根据上面的理论公式和设计指标的要求，即可推算出T1和T2变压器的匝数，电桥电阻R1、R2的阻值和隔离度：
①C耦合度＝10log（P0/P1）＝10log[1/(N1×N2)]
因为耦合度为30dB，N1＝N2时，可得10log（1/(N1×N2)）＝30dB
所以N1＝N2＝31.6，取整得N1＝N2＝32。
②当主线输入、输出阻抗都是50Ω时，检测器电桥平衡即U1＝U2，
因为U1＝I1×R1，I1＝I0/N1，I0＝U0/50，所以U1＝U0R1/（50×N1）。
又因为U2＝U0/N2，U1＝U2，所以得到：U0×R1/（50×N1）＝U0/N2，N1＝N2，
从而得到R1＝R2＝50Ω
③隔离度(dB)=20lgN(dB)=20lg32(dB)=30(dB)
图5正向耦合度实测曲线
以上所测数据包括了测试线缆的损耗。测试线缆的损耗在3MHz时为0.03dB，在26.1MHz时为0.08dB。所以在3～26.1MHz频率范围内功率检测器的耦合度平坦性≤0.3dB。
3.2.3 隔离度的测试
在3MHz～26.1MHz频率范围内的隔离度≤-55dB。实测结果如图6所示。
调试过程，本电路有良好的技术特性：在3 MHz～26.1MHz 频段内，耦合系数的平坦性优于± 0.15dB，隔离度超过 30dB。图4为一个电路的原理图，可工作至≤ 5kW。
在实际制作过程中，两组互感器的屏蔽隔离是十分重要的，必须特别指出的是，互感器初、次级之间的电场屏蔽也是十分必要的，否则，功率检测器的频率平坦性变差。但是切记，屏蔽层只允许一端接地，而另一端悬空，如果两端皆接地，则根本不能工作！原理细节请看图3、图4。
5 结束语
通过以上对3MHz～26.1MHz正反向功率检测器的分析及工程设计制作，利用电路原理图1的电路结构形式，及以上的实际测试结果可知，本正反向功率检测器不管是在小信号、大信号，还是接真天线，其主线传输、耦合度和隔离度均满足设计和实际使用要求，同时此正反向功率检测器只需改变磁环的尺寸大小、磁环的磁导率参数及相应电容参数，本原理电路可以适用于中波、短波各种功率等级的正反向功率检测，有着广阔的应用，且其生产成本也低。
参考文献：
[1]张纪刚.射频铁氧体宽带器件[M].北京：科学出版社，1986
[2] 盛胜君.短波3KW集中参数形式的双定向耦合器设计.通信对抗，2001年01期【9】
[3] 德庆色珍次仁白姆，德庆卓玛，白玛央宗，尼玛曲宗. 基于定向耦合器的新型短波功率检测器的设计.广播电视信息，2016（5）：82-84
论文作者:陈开宝
论文发表刊物:《电力设备》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/1
标签：功率论文; 检测器论文; 耦合度论文; 短波论文; 电路论文; 频率论文; 平坦论文; 《电力设备》2017年第9期论文;