一種改善微波模塊增益指標(biāo)溫度特性的新方法

摘要：對(duì)于復(fù)雜的微波模塊，增益隨溫度變化很大，有時(shí)很難找到合適的無(wú)源溫變衰減器來(lái)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(lái)改善微波模塊增益指標(biāo)的溫度特性。
關(guān)鍵詞：溫度特性；無(wú)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(shí)達(dá)-50～+70℃，對(duì)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(guò)±3dB。
    對(duì)于增益隨溫度變化不大的模塊可選用無(wú)源溫變衰減器來(lái)補(bǔ)償，這種溫變衰減器尺寸小，可靠性高。缺點(diǎn)是衰減器溫度系數(shù)(Temperatu re 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～6GHz，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(shí)插損達(dá)10 dB。這對(duì)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(duì)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(jí)放大電路，數(shù)控衰減器通常置于末級(jí)補(bǔ)償放大器前；而溫度傳感器用于測(cè)試模塊的環(huán)境溫度，測(cè)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(dú)立設(shè)計(jì)，置于模塊有源器件集中部位。
    試驗(yàn)時(shí)，預(yù)先測(cè)出相應(yīng)溫度下傳感器的輸出電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)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(duì)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。

    目前，溫度傳感器品種很多，這里推薦一款英國(guó)模擬器件公司(簡(jiǎn)稱(chēng)A．D公司)型號(hào)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有TO-92和SOIC兩種封裝，其引腳定義如圖2所示。

    其中V+為電源輸入引腳，電壓范圍+4～+6．5 V，通常選擇+5V，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：
    Vo=(V+／5 V)×[1．375 V+(22．5 mV／℃)×T]
    其中T為AD22100的環(huán)境溫度，溫度變化-50～+70℃時(shí)，輸出電壓范圍為+0．25～+2．95 V。例如當(dāng)V+=+5 V，T=+25℃時(shí)Vo=1．938V。
    模數(shù)轉(zhuǎn)換器則推薦一款某公司的STM32F103C8T6型單片機(jī)，這款單片機(jī)結(jié)合了高性能、實(shí)時(shí)、低功耗、低電壓、高集成度和易于開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，除了數(shù)據(jù)處理功能外，還包括兩個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換精度高，外設(shè)接口豐富。其內(nèi)部ADC供電要求為+2．4～3．6 V，通常選擇+3．3 V，此時(shí)模擬信號(hào)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(jī)可靈活地將數(shù)字信號(hào)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(shí)際工作頻率和全溫段需要調(diào)整的增益變化量來(lái)選擇。這里介紹一款華北集成電路設(shè)計(jì)有限公司設(shè)計(jì)的數(shù)控衰減器，基本能滿(mǎn)足常規(guī)使用。衰減器型號(hào)NC3301M-218B，主要指標(biāo)如下：工作頻率范圍2～18GHz，衰減范圍0.5～31.5dB。衰減器控制位定義見(jiàn)表1。

2 實(shí)例分析
    下面通過(guò)一實(shí)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(bǔ)措施前，全溫段模塊增益變化為-2．5～+5．6dB，見(jiàn)表2，衰減量所需調(diào)整范圍為0．5～8．5dB。-50～+70℃溫度范圍內(nèi)，AD22 100的感溫電壓為-0.25～+2．95 V。其電路圖如圖3所示。

    其中單片機(jī)通過(guò)PA0口讀取AD22100的感溫電壓輸出，PA1～PA6輸出對(duì)數(shù)控衰減器的控制碼，CANH和CANL作為單片機(jī)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果如表2所示，根據(jù)增益要求和實(shí)測(cè)增益值計(jì)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0.067dB／℃，如圖4所示。這樣，可以通過(guò)電壓輸出調(diào)整衰減量，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的增益控制，調(diào)整斜率約為0.5dB／7.5℃，即0.5 dB／168 mV，而AD22100的實(shí)測(cè)感溫電壓與理論值相差不大，幾十毫伏級(jí)，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(jī)STM32F103C8T6內(nèi)置程序參考如下：


   

3 結(jié)論
    利用溫度傳感器和數(shù)控衰減器相結(jié)合來(lái)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(diǎn)，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)增益的溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償效果穩(wěn)定可靠，對(duì)其他指標(biāo)影響小，值得推廣。