一種改善微波模塊增益指標(biāo)溫度特性的新方法

胡小禹，錢志芳

（中國電子科技集團公司第五十一研究所 上海 201802）

一種改善微波模塊增益指標(biāo)溫度特性的新方法

胡小禹，錢志芳

（中國電子科技集團公司第五十一研究所 上海 201802）

對于復(fù)雜的微波模塊，增益隨溫度變化很大，有時很難找到合適的無源溫變衰減器來調(diào)整增益。文中介紹一種利用溫度傳感器和數(shù)控衰減器相結(jié)合的方法來改善微波模塊增益指標(biāo)的溫度特性。

溫度特性；無源溫變衰減器；溫度傳感器；數(shù)控衰減器

目前，大部分微波模塊的的工作溫度范圍很大，有時達(dá)-50～+70℃，對于高集成微波模塊，其增益或插損指標(biāo)在全溫段變化很大，甚至超過±3 dB。

對于增益隨溫度變化不大的模塊可選用無源溫變衰減器來補償，這種溫變衰減器尺寸小，可靠性高。缺點是衰減器溫度系數(shù)（Temperature Coefficient of Attenuation，TCA）大的衰減器工作頻率往往局限在低頻段，且其常溫衰減量偏大。例如：EMC公司TVA系列的溫變衰減器工作頻率DC～6 GHz，TCA為-0.70 dB/10℃的衰減器在-50～+70℃溫度范圍內(nèi)插損變化有8.4 dB，但其常溫+25℃時插損達(dá)10 dB。這對于增益和噪聲系數(shù)指標(biāo)敏感的微波模塊，顯然不適合選用。

針對這種情況，本文提出一種比較靈活好用的解決方案：選用溫度傳感器和數(shù)控衰減器相結(jié)合的方法。

1 原 理

微波模塊內(nèi)大多集成多級放大電路，數(shù)控衰減器通常置于末級補償放大器前；而溫度傳感器用于測試模塊的環(huán)境溫度，測試數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器送入數(shù)據(jù)處理芯片形成控制電路，控制電路常用FR-4板材獨立設(shè)計，置于模塊有源器件集中部位。

試驗時，預(yù)先測出相應(yīng)溫度下傳感器的輸出電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過控制微波鏈路內(nèi)數(shù)控衰減器的衰減值，靈活調(diào)整模塊的增益指標(biāo)。其中輸出電壓與衰減器值的對應(yīng)表可以預(yù)存在數(shù)據(jù)處理芯片內(nèi)，框圖如圖1所示。

圖1 框圖Fig.1 Block Diagram

目前，溫度傳感器品種很多，這里推薦一款美國模擬器件公司（簡稱A.D公司）型號為AD22100的傳感器。AD22100是一款比較成熟的單片式溫度傳感器，廣泛應(yīng)用于各種溫度控制系統(tǒng)。

AD22100[1]有TO-92和SOIC兩種封裝，其引腳定義如圖2所示。

圖2 AD22100的封裝及引腳定義Fig.2 Package and pin configurations of AD22100

其中V+為電源輸入引腳，電壓范圍+4～+6.5 V，通常選擇+5 V，GND為接地端，VO為感溫電壓輸出引腳，NC懸空。

AD22100的感溫范圍為-50～+150℃，輸出電壓變化規(guī)律如下：

其中T為AD22100的環(huán)境溫度，溫度變化-50～+70℃時，輸出電壓范圍為+0.25～+2.95 V。例如當(dāng)V+=+5 V，T=+25℃時VO=1.938 V[2]。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器則推薦一款某公司的STM32F103C8T6[3]型單片機，這款單片機結(jié)合了高性能、實時、低功耗、低電壓、高集成度和易于開發(fā)等特點[4]，除了數(shù)據(jù)處理功能外，還包括兩個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換精度高，外設(shè)接口豐富[5]。其內(nèi)部ADC供電要求為+2.4～+3.6 V，通常選擇+3.3 V，此時模擬信號輸入范圍0～+3.3 V，正好適合AD22100的電壓輸出范圍。模數(shù)轉(zhuǎn)換后，單片機可靈活地將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)控衰減器的控制碼。

另外數(shù)控衰減器則可以根據(jù)微波鏈路的實際工作頻率和全溫段需要調(diào)整的增益變化量來選擇。這里介紹一款華北集成電路設(shè)計有限公司設(shè)計的數(shù)控衰減器，基本能滿足常規(guī)使用。衰減器型號NC3301M-218B，主要指標(biāo)如下：工作頻率范圍2～18 GHz，衰減范圍 0.5～31.5 dB[6]。 衰減器控制位定義見表1。

表1 NC3301M-218B引腳功能定義表Tab.1 Pin function descriptions of NC3301M-218B

2 實例分析

下面通過一實例分析溫度傳感器AD22100和數(shù)控衰減器NC3301M-218B相結(jié)合的使用方法。

某微波集成模塊工作頻率6～18 GHz，工作溫度-50～+70℃，要求全溫段插損-3±2 dB，其中±2 dB為全頻段增益平坦度。

未加溫補措施前，全溫段模塊增益變化為-2.5～+5.6 dB，見表2，衰減量所需調(diào)整范圍為0.5～8.5 dB。-50～+70℃溫度范圍內(nèi)，AD22100的感溫電壓為+0.25～+2.95 V。其電路圖如圖3所示。

圖3 電路圖Fig.3 Circuit diagram

其中單片機通過PA0口讀取AD22100的感溫電壓輸出，PA1～PA6輸出對數(shù)控衰減器的控制碼，CANH和CANL作為單片機的CAN通信口。

AD22100的感溫電壓輸出（R3輸入端電壓）和微波模塊增益指標(biāo)的實驗室測試結(jié)果如表2所示，根據(jù)增益要求和實測增益值計算得衰減器的衰減量。

從表2可以看出，感溫電壓和衰減量隨溫度變化接近線性，變化量約為22.5 mV/℃及0.067 dB/℃，如圖4所示。這樣，可以通過電壓輸出調(diào)整衰減量，實現(xiàn)對模塊的增益控制，調(diào)整斜率約為 0.5 dB/7.5℃，即 0.5 dB/168 mV，而 AD22100的實測感溫電壓與理論值相差不大，幾十毫伏級，而且比較固定，可以忽略。調(diào)整后，全溫段內(nèi)模塊的增益均線在±0.5 dB范圍內(nèi)變化，達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。

單片機STM32F103C8T6內(nèi)置程序參考如下：

表2 AD22100的電壓輸出和微波模塊增益Tab.2 Output voltage of AD22100 and the gain feature of microwave modules

圖4 輸出電壓和衰減量隨溫度變化圖Fig.4 Output voltage and attenuations vs.temperature

3 結(jié) 論

利用溫度傳感器和數(shù)控衰減器相結(jié)合來改善微波模塊增益溫度特性的方法，具有溫度范圍適應(yīng)廣，頻率受限小的優(yōu)點，可以自動實現(xiàn)增益的溫度補償，補償效果穩(wěn)定可靠，對其他指標(biāo)影響小，值得推廣。

[1]AnalogDevices Inc.AD22100 DataSheet[EB/OL].[2004-06].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheet/AD22100.pdf.

[2]吳樟寅.AD22100溫度傳感器的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，1995，10（4）:15-17.

WU Zhang-yin.The apply of AD22100 temperature sensor[J].Electronic Design Engineering，1995，10（4）:15-17.

[3]STMicroelectronics.STM32F103×8 DataSheet[EB/OL].[2010-06-03].http://datasheet.eeworld.com.cn/pdf/356336_STMICROELECTRONICS_STM32F103CB.html.

[4]張舞杰，南亦民.基于STM32F103VB的應(yīng)用編程技術(shù)的實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用，2009，10（29）:2820-2822.

ZHANG Wu-jie，NAN Yi-min.Design and implementation of IAP techniques based on STM32F103VB [J].Journal of Computer Applications，2009，10（29）:2820-2822.

[5]曾奕帝.列車信號機回路電流檢測技術(shù)的研究 [D].北京:北京交通大學(xué)，2011.

[6]華北集成電路設(shè)計有限公司.華北集成電路設(shè)計有限公司產(chǎn)品手冊[R].石家莊:華北集成電路設(shè)計有限公司，2010.

A new way to improve the temperature character of microwave modules’gain feature

HU Xiao-yu，QIAN Zhi-fang
（51st Research Institute of CETC，Shanghai201802，China）

To complex microwave modules，it is hard to find one appropriate passive temperature variable attenuator to rectify the gain feature due to temperature largely changing.Here a method is presented to improve the temperature character of microwave modules’gain feature by the temperature sensor and digital control attenuator combined.

temperature character； passive temperature variable attenuator； temperature sensor； digital control attenuator

TN850.3

A

1674－6236（2012）03-0078-04

2011-12-15 稿件編號：201112084

胡小禹（1976—），男，湖南東安人，工程師。研究方向：數(shù)字電路設(shè)計。