一種改善微波模塊增益指標溫度特性的新方法

時間：2012-05-25 16:24:52

關鍵字：溫度 BSP 衰減器數(shù)控

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[導讀]摘要：對于復雜的微波模塊，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)控衰減器相結合的方法來改善微波模塊增益指標的溫度特性。關鍵詞：溫度特性；無源溫

摘要：對于復雜的微波模塊，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)控衰減器相結合的方法來改善微波模塊增益指標的溫度特性。
關鍵詞：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-50～+70℃，對于高集成微波模塊，其增益或插損指標在全溫段變化很大，甚至超過±3dB。
    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)(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℃時插損達10 dB。這對于增益和噪聲系數(shù)指標敏感的微波模塊，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板材獨立設計，置于模塊有源器件集中部位。
    試驗時，預先測出相應溫度下傳感器的輸出電壓，模數(shù)轉換后，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。其中輸出電壓與衰減器值的對應表可以預存在數(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，輸出電壓范圍為+0．25～+2．95 V。例如當V+=+5 V，T=+25℃時Vo=1．938V。
    模數(shù)轉換器則推薦一款某公司的STM32F103C8T6型單片機，這款單片機結合了高性能、實時、低功耗、低電壓、高集成度和易于開發(fā)等特點，除了數(shù)據(jù)處理功能外，還包括兩個12位模數(shù)轉換器，A／D轉換精度高，外設接口豐富。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)轉換后，單片機可靈活地將數(shù)字信號轉換成相應數(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計有限公司設計的數(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表1。

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～+5．6dB，見表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的實驗室測試結果如表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0.067dB／℃，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0.5dB／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，達到預期指標。

    單片機STM32F103C8T6內(nèi)置程序參考如下：



3 結論
    利用溫度傳感器和數(shù)控衰減器相結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，對其他指標影響小，值得推廣。