高可塑性射频通道增益温度补偿电路构架研究

马美霞,于谨华,胡天存

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

射频、微波接收/发射系统由低噪声放大器、变频通道、功率放大器、频率源和DC/DC模块5部分组成。射频通道元器件,如放大器、混频器、滤波器、隔离器、衰减器以及无源互联过渡线等在其工作环境温度变化过程中,关键指标增益、插入损耗等会发生线性变化。温度范围100℃范围内,增益变化量约为常温标称值的10%。接收通道后端连接数字处理A/D转换器、发射通道功率放大器推动后端行波管放大器,都需要通道功率稳定输出,保证后端器件始终在正常输入工作范围内,因此射频通道需要对增益即输出功率进行温度补偿,从而保证稳定输出[1-7]。增益温度补偿电路由两部分组成,第一部分是位于射频通道中的射频模拟衰减器,所处位置在其调整衰减量过程中不会引起噪声系数和输出1dB压缩点恶化;第二部分是为模拟衰减器提供温度变化过程对应衰减量的控制电压的低频电路,该低频电路输入电压一般是经过稳压后的二次电,保证通道与系统级联后依然能稳定工作。本文主要阐述了目前常用增益温度补偿以及高可塑性增益温度补偿电路架构。

1 常规温补电路概述

1.1 数字温补电路

数字温度补偿电路的原理图如图1所示,其优势为能精准补偿射频通道增益温补变化,但电阻构成复杂、成本高昂、调试工作量较大,所以目前地面或星载射频通道一般不采用此方案。

图1 数字温度补偿电路Fig.1 Digital temperature compensation circuit

1.2 模拟温补电路

1.2.1 射频温补衰减器

温补衰减器实现增益温度补偿原理如图2所示。温补衰减器在射频通道增益补偿中具有一定的优势,纯无源网络无需供电、结构简单、装配简单、易于多芯片集成实现小型化。射频通道增益随着任务要求往往大小不同,工作温度范围内增益变化就不太一致,对于高增益射频通道往往需要多只不同阻值不同温度系数的衰减器综合补偿满足任务需求。但是实际射频通道元器件在温度下增益或是插入损耗随温度变化量在设计之初较难获得,所以将会导致射频温补衰减器实际补偿效果与预期相差较大,且后期修正需要进行期间重新选定更好,降低生产效率。

图2 温补衰减器补偿原理Fig.2 Compensation principle of temperature compensating attenuator

1.2.2 模拟衰减器与有源控制电路组合型[8]

该组合型式由射频模拟衰减器与含有热敏电阻运算放大器比例放大滤波控制电路组成。模拟衰减器有电压控制类型和电流控制类型,原理图如图3所示。该类有源控制电路使用过程中需要供电,并且运算放大器较为敏感,会发生低频几十千赫自激,直接调制到射频输出信号两边。影响系统处理结果的正确率。同时正负电同时供电情况下,容易出现电压越过正负分界线,造成模拟衰减器受损。

图3 有源控制电路原理图Fig.3 Schematic diagram of active control circuit

1.2.3 模拟衰减器与电阻网络组合型[9]

该组合型式由射频模拟衰减器与简单电阻控制电路组成,简单电阻网络电路形式如图4所示。

图4 简单电阻网络控制电路原理图Fig.4 Schematic diagram of simple resistance network control circuit

R2*～R4*:RMK2012-0.1W-*-J待调电阻

R5:RMK2012-0.1W-101-J

C1:CT41L-0805-2C1-100V-103-K

ATT:CHT3091A-99F/00

网络中热敏电阻为负斜率,通过ADS仿真软件优化外围电阻,得到需要的控制电压。输出控制电压控制模拟衰减器衰减量,从而达到射频通道增益温度补偿。该网络输出电压趋势较为单一,应用范围或是补偿效果受到较大限制。

1.3 射频温补衰减器的位置

射频温补衰减器一般会设计在整个射频链路中的后端,位于混频后的位置,如图5所示。根据级联噪声系数的定义可知,射频系统的噪声系数主要取决于射频输入端第一级有源器件的噪声系数。射频链路中后端器件对系统噪声系数的影响会随着后端器件与输入端之间放大器的增益、级数的变大而减小。因此温补衰减器置于混频后可以有效降低其对系统噪声系数的影响。

图5 射频温补衰减器在射频链路中的位置Fig.5 Location of the radio frequency warm compensating attenuator in the radio frequency link

2 高可塑性温度补偿电路

目前,星载接收机、变频器单机增益温度稳定度指标要求非常严苛。以C频段接收机为例,常温增益60±0.5dB,鉴定温度范围-25℃～60℃范围内增益温度稳定度小于0.8dBp-p,任意25℃增益温度稳定度小于0.5dBp-p。

2.1 电路架构

电路选用负温度系数热敏电阻两种,分别为温度系数3500的2kΩ和温度系数4200的80kΩ。正温度系数热敏电阻为温度系数0.025的1kΩ。直流供电电压为稳压后-5V。模拟衰减器型号CHT3091A-99F/00,控制电压Vp范围为-5V～0V,控制端口阻抗为高阻,该衰减器属于电压控制模拟衰减器。所以在关键仿真优化过程中,模拟衰减器控制端口可以直接做开路简化处理。其电路原理图如图6所示,由基尔霍夫电流定律可以得到高可塑性温度补偿电路参数关系,如式(1)、式(2)和式(3)所列。

图6 高可塑性增益温补电路架构拓扑Fig.6 Architecture topology of high plasticity gain temperature compensation circuit

PTC:R1×eαt×(T2-T1)(αt=0.025 R1=1kΩ)[16]

RT1～RT4为热敏电阻

PTC:R1×eαt×(T2-T1)(αt=0.025 R1=1kΩ)[16]

RT1～RT4为热敏电阻

R1*～R8*:RMK2012-0.1W-*-J待调电阻

R5:RMK2012-0.1W-101-J

C1:CT41L-0805-2C1-100V-103-K

ATT:CHT3091A-99F/00

(1)

(2)

(3)

其中A=R2//RT1、B=R6//RT2、C=R7//RT4、D=R4//RT3、E=R1+(R2//RT1)、F=R3+(R4//RT3)、G=(R7//RT4)/(R3+R4//RT3)。由式(2)可以推导得到V1与Vout关系,如式(4)所列。

(4)

将式(4)代入式(1)可以推导得到V2与Vout关系,如式(5)所列。

(5)

将式(4)和式(5)代入式(3)可以推导得到Vout与VDC关系,如式(6)所列。

Vout=VDC×(B×E)/{-R8×B×C×F×
(R3×B-R3×D+B×D)+
[(E+G)×(R8×E+R8×B+B×E)]×
(C+F)×(R3×B-R3×D+B×D)-
[B×C×D×F-(E+G)×(C+F)×
R3×D]×R8×E}

(6)

如图7所示为是模拟衰减器不同工作频率条件衰减量与电压对应曲线,在低频段控制电压为-3.5～-1.0V范围内衰减量随着控制电压线性变化,变化量约12dB,温补网络控制电压输出Vout范围选取该范围可以对线性电路进行较好的补偿。如果单级衰减器衰减范围不能满足通道增益温度变化量需求,可以在通道适当位置增加模拟衰减器级数,多级模拟衰减器采用同一电阻网络输出电压进行控制。

图7 模拟衰减器CHT3091A-99F/00衰减特性图Fig.7 Attenuation characteristic of simulated attenuator CHT3091A-99F/00

具体电路控制电压精确值可以通过试验得到,采用桌面电源为模拟衰减器进行供电及温度梯度摸底试验。每个阶梯温度点保持一定时间从而使通道达到热平衡,通道热平衡后,按照0.1V步进在-5～0V调整控制电压Vp并记录通道增益值,在高低温下选取满足指标要求且与常温增益值相同时对应控制电压Vp取值。试验得到不同温度控制电压值作为高可塑性温补控制电路优化目标。

2.4 喉癌癌组织与声带息肉中Survivin、bcl-2、p53、caspase-3表达量比较 喉癌癌组织Survivin、bcl-2、p53表达量显著高于声带息肉(P<0.05)，caspase-3表达量显著低于声带息肉(P<0.05)，见表4。

高可塑性温补控制电路电阻网络对输入高阻电压控制型计算较为简单,只需要优化电阻网络组成电阻即可。但是对于电流驱动模拟衰减器,需要同时对模拟衰减器控制输入阻抗进行温度摸底,得到不同温度点阻抗值代入电阻网络后端进行一同计算,方可得到正确网络电阻值。

2.2 控制电压趋势分析

通过理论计算推导得出高可塑性控制电路输出电压由不同阻值正、负温度系数热敏电阻相互补偿修正后,得到满足目前任意射频线性通道和压缩通道增益温度补偿电压趋势值。

如图8所示为ADS建立仿真电路原理图。控制电压输出Vout趋势图如图9所示。

图8 仿真原理图Fig.8 Schematic diagram of simulation

图9 控制电压随温度变化趋势图Fig.9 Trend diagram of control voltage variation with temperature

高可塑性增益温度补偿电路可以灵活实现多种控制电压随温度变化趋势,从而满足不同应用需求。通过改变控制电压Vout相关待调电阻R1*～R8*以及热敏电阻RT1～RT4取值,可以得到6种电压输出趋势,其代调电阻阻值组合和对应的电压趋势如表1所列。

表1 控制电阻网络待调电阻取值Tab.1 Values of resistors to be adjusted in the control resistance network

6种电压趋势分别应用背景介绍,Type1应用于正常射频通道增益补偿,也即射频通道高温增益减小、低温增益增大,需要增益温度补偿电路高温衰减量减小、低温衰减量增大进行补偿;Type 2应用于通道所处整个链路其余部分出现增益温度稳定度多度补偿情况,也即高温增益高低温增益低;Type 3应用于固态放大器等工作在压缩状态射频通道,低温带常温段衰减量不变,常温到高温衰减量减小,也即补偿通道增益下降量;Type 4应用于通道衰减器衰减量与控制电压成反比例情况,对工作在压缩状态射频通道进行增益温度补偿;Type 5用于微调增益温度补偿后低温和高温段增益高于常温,也即碗状增益趋势通道反补;Type 6用于微调增益温度补偿后低温和高温段增益低于常温,也即抛物线增益趋势通道反补。

2.3 设计实例

射频通道随温度变化线性反斜率变化C频段接收机为例,具体设计步骤如下。

图10 增益相对控制电压曲线Fig.10 Gain relative control voltage curve

2)将获得的三温下控制电压值作为高可塑性控制电路输出电压优化目标值,通过优化待调电阻R1*～R8*取值,获得符合要求的控制电压。R1*=1Ohm,R2*=1Ohm,R3*=100000Ohm,R4*=24000Ohm,R5*=390Ohm,R6*=3000Ohm,R7*=5100000Ohm,R8*=820Ohm。优化后控制电压高温-2.512V,常温-1.741V,低温-1.518V。将电阻装入电路中进行温度摸底,实验结果见2.4节。

2.4 实物测试结果

星载C频段接收机常温增益60±0.5dB,增益温度稳定度要求:≤0.8dBpp@工作温度范围-5℃～+55℃。实物如图11所示,单机采用高可塑性增益温度补偿电路进行温度补偿后,在验收温度范围-25℃～+60℃范围内,每5℃温度保持半个小时温度梯度试验,对工作带内中心点增益进行连续采集,采集结果如图12所示。在-25℃～+60℃范围内,增益温度稳定度约0.7dB,满足任务要求≤0.8dBpp。

图11 C频段接收机实物照片Fig.11 C-band receiver real photo

图12 C频段接收机增益温度连续采集曲线Fig.12 C-band receiver gain temperature continuous acquisition curve

3 结论

本文介绍了高可塑性射频通道增益温度补偿电路,通过调整控制电压电路待调电阻取值灵活实现输出电压随温度正负斜率,只对低温到常温进行补偿、只对常温到高温进行补偿、常温不变高低温同向补偿。满足目前线性工作模式或是压缩工作模式射频通道增益温度补偿所有需求。同时,控制电路为纯电阻网络,操作简单、无自身自激振荡风险,模拟衰减器是常见射频器件,只需按照任务频率范围以及补偿量进行选用即可,具有极高推广价值。目前,C频段接收机在-25℃～60℃范围内,增益温度稳定度约0.7dB;-5℃～55℃范围内,增益温度稳定度约0.1dB,国际知名宇航公司ThalesAlenia公司C频段接收机-5℃～55℃范围内,增益温度稳定度约0.22dB,达到国际领先水平。