一種性能優(yōu)異的毫米波溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

張宇平，王曉會(huì)，劉紅兵

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

一種性能優(yōu)異的毫米波溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

張宇平，王曉會(huì)，劉紅兵

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

采用溫度傳感器電壓控制毫米波電調(diào)二極管，設(shè)計(jì)了一種新的毫米波溫度補(bǔ)償電路，與放大器增益鏈路的常用幾種溫度補(bǔ)償電路相比較，其具有電路形式簡(jiǎn)單、溫度補(bǔ)償精確等顯著特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明在-40℃～+70℃溫度范圍內(nèi)毫米波增益波動(dòng)1 dB，該電路對(duì)溫度補(bǔ)償電路的工程化使用具有重要意義。

溫度補(bǔ)償；傳感器；電調(diào)二極管

0 引 言

由于半導(dǎo)體器件自身的特點(diǎn)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，放大器增益會(huì)發(fā)生變化，多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)后增益起伏更是十分顯著[1]。在毫米波波段，該特性已經(jīng)影響到產(chǎn)品的性能，嚴(yán)重的甚至不能正常工作，因此溫度補(bǔ)償技術(shù)的研究顯得很有必要。

溫度補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展較早，種類(lèi)繁多，歸納起來(lái)，對(duì)微波毫米波電路主要的補(bǔ)償方式有電源電壓補(bǔ)償、溫補(bǔ)衰減器補(bǔ)償、單片機(jī)數(shù)字補(bǔ)償。

電源電壓補(bǔ)償原理為利用熱敏電阻的溫度特性改變放大器的工作點(diǎn)，使放大器工作點(diǎn)隨環(huán)境溫度變化而變化，從而改變放大器增益以達(dá)到控制增益波動(dòng)的目的。此方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但有一定的局限性，對(duì)于電壓不敏感的器件不適用，而且對(duì)于電源電壓變化與補(bǔ)償不能量化。目前溫補(bǔ)衰減器發(fā)展比較迅速，市面上正負(fù)溫度系數(shù)的溫補(bǔ)衰減器品種較多，電路簡(jiǎn)單，只要選取合適的溫補(bǔ)衰減器，就能達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

由于溫補(bǔ)衰減器并不是嚴(yán)格意義上的線(xiàn)性，如負(fù)溫度系數(shù)溫補(bǔ)衰減器隨溫度變化的斜率在低溫下陡峭而高溫下平緩，則補(bǔ)償效果為低溫過(guò)補(bǔ)、高溫欠補(bǔ)，致使常溫增益最高。單片機(jī)數(shù)字補(bǔ)償比較精確，在溫度范圍內(nèi)能和毫米波增益波動(dòng)全部擬合，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，工作量大，補(bǔ)償精準(zhǔn)。使用溫度傳感器，測(cè)量大量的溫度數(shù)據(jù)作為補(bǔ)償依據(jù)，通過(guò)單片機(jī)技術(shù)將不同溫度下的增益數(shù)據(jù)進(jìn)行建表，每個(gè)溫度對(duì)應(yīng)一個(gè)衰減量，對(duì)放大器鏈路增益進(jìn)行修正。但該方法要求測(cè)試的原始數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，一般需要大量不同溫度下的測(cè)試數(shù)據(jù)(如每5℃測(cè)試一個(gè)數(shù)據(jù)，在-40℃～+70℃溫度范圍就需要23組數(shù)據(jù))，否則補(bǔ)償效果就較差，另外如果放大器應(yīng)用于輻照環(huán)境，單片機(jī)的選擇也受到局限。

本文采用的溫度補(bǔ)償電路是利用溫度傳感器產(chǎn)生電壓，控制毫米波電路中的電調(diào)二極管，使得二極管的衰減量隨溫度變化而產(chǎn)生變化，以補(bǔ)償毫米波電路中放大器等器件增益隨溫度變化產(chǎn)生的波動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定電路輸出增益的目的。

1 溫度補(bǔ)償原理

溫度補(bǔ)償技術(shù)是一種均衡技術(shù)，不同環(huán)境溫度下，放大器的工作點(diǎn)勢(shì)必會(huì)發(fā)生變化，偏離常溫時(shí)的工作狀態(tài)，導(dǎo)致放大器的增益發(fā)生變化，溫度補(bǔ)償?shù)淖饔檬菑?qiáng)行改變放大器的工作點(diǎn)，來(lái)彌補(bǔ)其工作點(diǎn)偏離的缺陷而保持其溫度下增益狀態(tài)穩(wěn)定。

整個(gè)鏈路補(bǔ)償?shù)脑硎牵涸诜糯笃麈溌分校ㄟ^(guò)引入與放大器性能隨溫度變化趨勢(shì)相反的電路來(lái)均衡放大器性能隨溫度的變化，使放大器鏈路的增益保持相對(duì)穩(wěn)定，從而達(dá)到一種溫度補(bǔ)償效果。溫度補(bǔ)償示意圖如圖1所示。

2 毫米波溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

本文以一個(gè)毫米波頻段接收前端為例，其工作溫度范圍-40℃～70℃，要求在全溫度范圍內(nèi)增益為33 dB±1 dB，對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)。

整個(gè)接收前端增益包括功分器、濾波器、低噪聲放大器、數(shù)控衰減器、溫補(bǔ)電路、諧波混頻器和中頻放大器等，整個(gè)增益為33 dB。接收前端原理框圖如圖2所示。

對(duì)于一般砷化鎵低噪聲放大器，增益隨溫度變化為 0.005～0.02 dB/ ℃[2]，即每100℃變化0.5～2 dB，如果是幾級(jí)放大器級(jí)聯(lián)，其增益溫度變化就相當(dāng)可觀。對(duì)于毫米波諧波混頻器，在溫度變化100℃的范圍內(nèi)，插損變化約為2 dB，如圖3所示。整個(gè)鏈路增益變化與溫度差成正比，低溫增益變大，高溫增益變小，呈線(xiàn)性變化。整個(gè)溫度范圍內(nèi)在未補(bǔ)償條件下該毫米波接收前端增益變化為6 dB左右，高溫相對(duì)于常溫下降3 dB，低溫相對(duì)于常溫上升3 dB，也就是說(shuō)需要補(bǔ)償?shù)淖兓瘜⒔? dB。

2.1 設(shè)計(jì)思路

在電路中裝配溫度傳感器，用溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫，得到一個(gè)隨溫度變化的線(xiàn)性電壓，用這個(gè)電壓來(lái)控制毫米波電調(diào)衰減器，達(dá)到溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)溫度低時(shí)，傳感器的電壓變大，衰減器衰減量變大。降低放大器鏈路的增益，在高溫時(shí)，溫度傳感器的電壓變小，衰減器衰減量變小或不衰減，來(lái)提高放大器的增益。該思路與單片機(jī)數(shù)字補(bǔ)償相近，所不同的是電路相對(duì)簡(jiǎn)單，一般溫度傳感器給出了電壓隨溫度變化的曲線(xiàn)，不同溫度對(duì)應(yīng)不同的電壓，無(wú)需單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試。只需調(diào)整溫度傳感器輸出電壓范圍適應(yīng)電調(diào)衰減器的控制電壓范圍即可。

2.2 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

2.2.1 溫度傳感器

選取進(jìn)口生產(chǎn)的溫度傳感器，其輸出電壓隨溫度變化的曲線(xiàn)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)性曲線(xiàn)(見(jiàn)圖4)，電壓隨溫度變化斜率為10 mV/℃，電壓輸出隨溫度變化關(guān)系為：

Vo=(-3.88×10-6×T2)+ (-1.15×10-2×T)+1.883 9

(2)

低溫電壓大，高溫電壓小[3]。

2.2.2 毫米波電調(diào)衰減器

電調(diào)衰減器的基本原理是:利用二極管的正向?qū)娮桦S注入電壓不同而不同達(dá)到連續(xù)模擬可調(diào)[4]。雖然二極管特性不是純線(xiàn)性的，但在衰減幾個(gè)dB的小范圍內(nèi)可以近似認(rèn)為線(xiàn)性。由于工作在毫米波頻段的電調(diào)衰減器還不是很多，下面選取的電調(diào)衰減器實(shí)際上是一種國(guó)產(chǎn)開(kāi)關(guān)單片，隨著控制電壓的變化，開(kāi)關(guān)單片內(nèi)部二極管導(dǎo)通的電流不同，對(duì)信號(hào)的衰減量也不同來(lái)達(dá)到電調(diào)衰減作用。指標(biāo)如表1所示。

表1 電調(diào)衰減器指標(biāo)

根據(jù)電調(diào)衰減器的指標(biāo)，當(dāng)電壓在0.5～1V變化時(shí)，電調(diào)衰減器的插損在5～6dB范圍變化，滿(mǎn)足溫度變化5～6dB的補(bǔ)償目標(biāo)。將電調(diào)衰減器常溫插損設(shè)為-3dB，低溫控制在-6dB，而高溫不衰減，來(lái)達(dá)到反補(bǔ)放大器增益的溫度特性，理論上可以達(dá)到變化曲線(xiàn)的完美擬合。但實(shí)際上，通過(guò)電調(diào)衰減器指標(biāo)特性可以看出，電流越大，衰減量越大，且衰減量的電流與正溫?zé)崦綦娮杼匦韵嘟?，?fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻阻抗值與工作溫度的關(guān)系為：

(3)

式中：Rt為熱敏電阻在T1溫度下的阻值；R為熱敏電阻在T2常溫下的標(biāo)稱(chēng)阻值；B為熱敏電阻材料常數(shù)；溫度T1和T2的單位為K。

選取常溫為10 kΩ的正溫貼裝熱敏電阻與固定電阻串聯(lián)來(lái)改變熱敏電阻的曲線(xiàn)斜率，無(wú)限接近電調(diào)衰減器的電流曲線(xiàn)，達(dá)到精準(zhǔn)的控制衰減量。高溫下，正溫?zé)崦綦娮枳柚底兇螅鬟^(guò)電調(diào)衰減器的電流變小，電調(diào)衰減器衰減變?。坏蜏叵?，正溫?zé)崦綦娮枳柚底冃?，流過(guò)電調(diào)衰減器的電流變大，電調(diào)衰減器衰減變大。溫度補(bǔ)償電原理圖如圖5所示，電調(diào)二極管并聯(lián)在鏈路中。正溫?zé)崦綦娮璧碾娮桦S溫度變化如圖6所示。

2.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

通過(guò)采用溫度傳感器和電調(diào)衰減器組合設(shè)計(jì)，射頻前端全溫度范圍內(nèi)增益變化在1 dB左右，如表2所示，補(bǔ)償效果非常明顯。而原溫補(bǔ)衰減器方案，由于需要補(bǔ)償較多，采用進(jìn)口生產(chǎn)的6 dB負(fù)溫溫補(bǔ)衰減器，其常溫衰減量在6 dB，致使鏈路總增益不足，且高溫下補(bǔ)到1 dB左右，低溫已經(jīng)過(guò)補(bǔ)1 dB，補(bǔ)償結(jié)果最好也在2 dB以上，兩者結(jié)果還是有較大差距。不同情況下增益隨溫度變化對(duì)比如圖7所示。

表2 測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)調(diào)整正溫?zé)崦綦娮璧那€(xiàn)變化來(lái)調(diào)整溫度傳感器輸出電壓隨溫度變化曲線(xiàn)的斜率，合理選擇一段電壓范圍適應(yīng)電調(diào)衰減器的控制電壓范圍，利用較少的成本和工作量，得到了近乎完美的溫度補(bǔ)償效果。該溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)滿(mǎn)足工程要求，已成功用于產(chǎn)品中，具有很好的工程實(shí)用性。

[1] 霍年鑫.GaAs FET功率放大器溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)[J].低溫與超導(dǎo)，2007(4)：352-354.

[2] 潘杰利·雷蒙德.微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管的理論、設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].李章華，趙國(guó)湘，冀復(fù)生譯.北京：電子工業(yè)出版社，1987.

[3] 高曉蓉.傳感器技術(shù)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2003.

[4] 《中國(guó)集成電路大全》編委會(huì).微波集成電路[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

Design of A Millimeter Wave Temperature Compensation Circuit with Excellent Performance

ZHANG Yu-ping，WANG Xiao-hui,LIU Hong-bing

(The 13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang 050051，China)

This paper designs a new millimeter wave temperature compensation circuit by using temperature sensor voltage to control millimeter wave electrically tunable diode.The circuit has remarkable characteristics of simple circuit form,accurate temperature compensation and so on compared with several common temperature compensation circuits based on amplifier gain link.Test results show that the millimeter wave gain fluctuations 1 dB in the temperature scope from -40℃ to +70℃,the circuit is of important meaning to the engineering applications of temperature compensation circuit.

temperature compensation;sensor;electrically tunable diode

2016-06-01

TN43

A

CN32-1413(2017)01-0105-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.023