一種性能優異的毫米波溫度補償電路設計

張宇平，王曉會，劉紅兵

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

一種性能優異的毫米波溫度補償電路設計

張宇平，王曉會，劉紅兵

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

采用溫度傳感器電壓控制毫米波電調二極管，設計了一種新的毫米波溫度補償電路，與放大器增益鏈路的常用幾種溫度補償電路相比較，其具有電路形式簡單、溫度補償精確等顯著特點。測試結果表明在-40℃～+70℃溫度范圍內毫米波增益波動1 dB，該電路對溫度補償電路的工程化使用具有重要意義。

溫度補償；傳感器；電調二極管

0 引 言

由于半導體器件自身的特點，當環境溫度變化時，放大器增益會發生變化，多級放大器級聯后增益起伏更是十分顯著[1]。在毫米波波段，該特性已經影響到產品的性能，嚴重的甚至不能正常工作，因此溫度補償技術的研究顯得很有必要。

溫度補償技術發展較早，種類繁多，歸納起來，對微波毫米波電路主要的補償方式有電源電壓補償、溫補衰減器補償、單片機數字補償。

電源電壓補償原理為利用熱敏電阻的溫度特性改變放大器的工作點，使放大器工作點隨環境溫度變化而變化，從而改變放大器增益以達到控制增益波動的目的。此方法實現簡單，但有一定的局限性，對于電壓不敏感的器件不適用，而且對于電源電壓變化與補償不能量化。目前溫補衰減器發展比較迅速，市面上正負溫度系數的溫補衰減器品種較多，電路簡單，只要選取合適的溫補衰減器，就能達到溫度補償的效果。

由于溫補衰減器并不是嚴格意義上的線性，如負溫度系數溫補衰減器隨溫度變化的斜率在低溫下陡峭而高溫下平緩，則補償效果為低溫過補、高溫欠補，致使常溫增益最高。單片機數字補償比較精確，在溫度范圍內能和毫米波增益波動全部擬合，但實現較為復雜，工作量大，補償精準。使用溫度傳感器，測量大量的溫度數據作為補償依據，通過單片機技術將不同溫度下的增益數據進行建表，每個溫度對應一個衰減量，對放大器鏈路增益進行修正。但該方法要求測試的原始數據穩定可靠，一般需要大量不同溫度下的測試數據(如每5℃測試一個數據，在-40℃～+70℃溫度范圍就需要23組數據)，否則補償效果就較差，另外如果放大器應用于輻照環境，單片機的選擇也受到局限。

本文采用的溫度補償電路是利用溫度傳感器產生電壓，控制毫米波電路中的電調二極管，使得二極管的衰減量隨溫度變化而產生變化，以補償毫米波電路中放大器等器件增益隨溫度變化產生的波動，達到穩定電路輸出增益的目的。

1 溫度補償原理

溫度補償技術是一種均衡技術，不同環境溫度下，放大器的工作點勢必會發生變化，偏離常溫時的工作狀態，導致放大器的增益發生變化，溫度補償的作用是強行改變放大器的工作點，來彌補其工作點偏離的缺陷而保持其溫度下增益狀態穩定。

整個鏈路補償的原理是：在放大器鏈路中，通過引入與放大器性能隨溫度變化趨勢相反的電路來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穩定，從而達到一種溫度補償效果。溫度補償示意圖如圖1所示。

2 毫米波溫度補償電路設計

本文以一個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增益為33 dB±1 dB，對其進行溫度補償電路設計。

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

對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，如果是幾級放大器級聯，其增益溫度變化就相當可觀。對于毫米波諧波混頻器，在溫度變化100℃的范圍內，插損變化約為2 dB，如圖3所示。整個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，呈線性變化。整個溫度范圍內在未補償條件下該毫米波接收前端增益變化為6 dB左右，高溫相對于常溫下降3 dB，低溫相對于常溫上升3 dB，也就是說需要補償的變化將近6 dB。

2.1 設計思路

在電路中裝配溫度傳感器，用溫度傳感器進行測溫，得到一個隨溫度變化的線性電壓，用這個電壓來控制毫米波電調衰減器，達到溫度補償作用。當溫度低時，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，溫度傳感器的電壓變小，衰減器衰減量變小或不衰減，來提高放大器的增益。該思路與單片機數字補償相近，所不同的是電路相對簡單，一般溫度傳感器給出了電壓隨溫度變化的曲線，不同溫度對應不同的電壓，無需單獨進行測試。只需調整溫度傳感器輸出電壓范圍適應電調衰減器的控制電壓范圍即可。

2.2 溫度補償電路設計

2.2.1 溫度傳感器

選取進口生產的溫度傳感器，其輸出電壓隨溫度變化的曲線為一個標準線性曲線(見圖4)，電壓隨溫度變化斜率為10 mV/℃，電壓輸出隨溫度變化關系為：

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 毫米波電調衰減器

電調衰減器的基本原理是:利用二極管的正向導通電阻隨注入電壓不同而不同達到連續模擬可調[4]。雖然二極管特性不是純線性的，但在衰減幾個dB的小范圍內可以近似認為線性。由于工作在毫米波頻段的電調衰減器還不是很多，下面選取的電調衰減器實際上是一種國產開關單片，隨著控制電壓的變化，開關單片內部二極管導通的電流不同，對信號的衰減量也不同來達到電調衰減作用。指標如表1所示。

表1 電調衰減器指標

根據電調衰減器的指標，當電壓在0.5～1V變化時，電調衰減器的插損在5～6dB范圍變化，滿足溫度變化5～6dB的補償目標。將電調衰減器常溫插損設為-3dB，低溫控制在-6dB，而高溫不衰減，來達到反補放大器增益的溫度特性，理論上可以達到變化曲線的完美擬合。但實際上，通過電調衰減器指標特性可以看出，電流越大，衰減量越大，且衰減量的電流與正溫熱敏電阻特性相近，負溫度系數(NTC)熱敏電阻阻抗值與工作溫度的關系為：

(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常溫下的標稱阻值；B為熱敏電阻材料常數；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來改變熱敏電阻的曲線斜率，無限接近電調衰減器的電流曲線，達到精準的控制衰減量。高溫下，正溫熱敏電阻阻值變大，流過電調衰減器的電流變小，電調衰減器衰減變小；低溫下，正溫熱敏電阻阻值變小，流過電調衰減器的電流變大，電調衰減器衰減變大。溫度補償電原理圖如圖5所示，電調二極管并聯在鏈路中。正溫熱敏電阻的電阻隨溫度變化如圖6所示。

2.3 實測結果

通過采用溫度傳感器和電調衰減器組合設計，射頻前端全溫度范圍內增益變化在1 dB左右，如表2所示，補償效果非常明顯。而原溫補衰減器方案，由于需要補償較多，采用進口生產的6 dB負溫溫補衰減器，其常溫衰減量在6 dB，致使鏈路總增益不足，且高溫下補到1 dB左右，低溫已經過補1 dB，補償結果最好也在2 dB以上，兩者結果還是有較大差距。不同情況下增益隨溫度變化對比如圖7所示。

表2 測試結果

3 結束語

通過調整正溫熱敏電阻的曲線變化來調整溫度傳感器輸出電壓隨溫度變化曲線的斜率，合理選擇一段電壓范圍適應電調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償效果。該溫度補償電路設計滿足工程要求，已成功用于產品中，具有很好的工程實用性。

[1] 霍年鑫.GaAs FET功率放大器溫度補償的設計[J].低溫與超導，2007(4)：352-354.

[2] 潘杰利·雷蒙德.微波場效應晶體管的理論、設計和應用[M].李章華，趙國湘，冀復生譯.北京：電子工業出版社，1987.

[3] 高曉蓉.傳感器技術[M].成都:西南交通大學出版社，2003.

[4] 《中國集成電路大全》編委會.微波集成電路[M].北京:國防工業出版社，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