一種新型星載發(fā)射機輸出功率溫補方案

林遠(yuǎn)超，王立民，宋艷軍，周 同，楊 丹，張 倩

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

一種新型星載發(fā)射機輸出功率溫補方案

林遠(yuǎn)超，王立民，宋艷軍，周 同，楊 丹，張 倩

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

發(fā)射機射頻通道的增益會隨溫度變化而變化。通常在通道中加入射頻可調(diào)衰減器，通過熱敏電阻電路調(diào)節(jié)衰減器的控制電壓或電流達(dá)到補償射頻通道增益變化的目的。針對星載設(shè)備小型化和低功耗的設(shè)計需求，提出了一種新型的溫補方案：通過熱敏電阻調(diào)節(jié)DAC的BIASJ引腳偏置電阻來控制DAC的輸出功率（即射頻通道的輸入功率），從而實現(xiàn)發(fā)射機輸出功率穩(wěn)定的目的。對該方案進(jìn)行了原理分析，并給出了設(shè)計方法。通過試驗證明該方案合理可行。

射頻通道；溫補電路；熱敏電阻；偏置電阻

0 引言

發(fā)射機射頻通道通常具有高溫增益低、低溫增益高的特性［1－3］，為滿足系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定的要求，通常在射頻通道中增加溫補電路，在溫變情況下通過改變可變衰減器的衰減狀態(tài)補償通道增益的，從而實現(xiàn)發(fā)射機輸出功率穩(wěn)定的目的。常用的溫補電路包括以下3種形式：模擬射頻衰減器與運放電路相結(jié)合型、模擬射頻衰減器與阻性網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合型；射頻溫補衰減器［3－7］。前2種方式增加的器件種類較多，電路較復(fù)雜，并采用了有源器件，不利于星載設(shè)備小型化和低功耗設(shè)計。第3種方式電路形式簡單、體積小，且是無源器件，但射頻溫補衰減器是通過自身溫度進(jìn)行衰減量調(diào)節(jié)的，由于整機溫度往往不能正確反映衰減器的溫度，補償結(jié)果不夠理想。上述3種方式都是在射頻通道中增加溫補電路，對射頻通道的幅頻特性和群時延特性會造成一定的影響［8－10］。

本文提出了一種新型的溫補方案，該方案在數(shù)字部分進(jìn)行溫度補償，通過熱敏電阻調(diào)節(jié)DAC的BIASJ引腳偏置電阻來控制DAC的輸出功率，電路形式簡單、體積小，有利于星載設(shè)備小型化和低功耗設(shè)計，且不會對射頻通道特性造成影響，彌補了傳統(tǒng)方案的不足。

1 溫補電路工作原理

發(fā)射機［11，12］組成圖如圖1所示，通常由數(shù)字信號處理部分、數(shù)模轉(zhuǎn)換部分和射頻通道等部分組成。通常DAC都有輸出偏置引腳BIASJ，通過改變偏置電阻阻值，可改變DAC輸出電流。為了彌補射頻通道的增益變化，需要DAC的中頻輸出功率具有高溫輸出功率高、低溫輸出功率低的特性。而DAC的滿量程輸出電流與偏置電阻關(guān)系如式（1）所示，輸出電流與偏置電阻成反比，偏置電阻越大，輸出電流越小；因此，若偏置電阻Rbias選用具有負(fù)溫度系數(shù)特性的熱敏電阻，溫度越高電阻越小，則輸出電流越大，即DAC的輸出功率越大，可以達(dá)到溫度補償?shù)哪康摹?/p>

圖1 發(fā)射機組成

式中，IO（FS）為滿量程輸出電流，即當(dāng)DAC輸入數(shù)據(jù)D［N：0］（DAC的轉(zhuǎn)換精度為N bit）全為1時的輸出電流，VEXTIO為參考電壓，DAC內(nèi)部提供1.2 V的參考電壓。

輸出功率與滿量程輸出電流平方成正比，轉(zhuǎn)換為dB單位，則輸出功率變化（以Rbias0時的輸出功率為參考，即Rbias1時的輸出功率減去Rbias0時的輸出功率）如式（2）所示。

設(shè)計流程：①通過熱循環(huán)摸底試驗，得出在不加溫補措施時整機的射頻輸出電平隨溫度變化的曲線如圖2（a）所示；②根據(jù)圖2（a）給出溫補的目標(biāo)曲線如圖2（b）所示；③以某一溫度（一般選常溫25℃）時電平為參考，根據(jù)式（2）推算出各溫度點所需的Rbias值；④選擇溫度特性與步驟③所得結(jié)果接近的熱敏電阻，并按照選定熱敏電阻的理論溫度特性，進(jìn)行理論計算驗證補償后射頻輸出電平隨溫度變化特性是否符合指標(biāo)要求；⑤選擇合適的安裝位置，由于試驗所得數(shù)據(jù)都是指環(huán)境溫度，因此熱敏電阻應(yīng)安裝在接近環(huán)境溫度的地方，如機殼上或溫升很小的地方；⑥通過試驗驗證實際補償效果是否符合指標(biāo)要求。

圖2 溫度補償原理

2 設(shè)計舉例

在某型號發(fā)射機設(shè)計中，在不加溫補措施的情況下，通過熱循環(huán)摸底試驗，射頻輸出電平變化隨溫度變化曲線如圖3所示，射頻輸出電平變化隨溫度變化（－35～＋70℃）可達(dá)5 dB，不能滿足射頻輸出電平2 dB變化的要求。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，中頻輸出電平隨溫度變化幾乎不變，因此射頻輸出電平變化主要是由射頻通道增益變化引起的。

圖3 射頻輸出電平變化隨溫度變化曲線

考慮到星載設(shè)備對可靠性要求高且不可維修的特點，對圖1中的溫補電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，如圖4所示，使用R1和R3與熱敏電阻R2進(jìn)行串并聯(lián)設(shè)計，在熱敏電阻發(fā)生短路或開路失效的情況下保證等效Rbias仍在要求范圍內(nèi)，不至于發(fā)生設(shè)備功能中斷的災(zāi)難性故障。由于熱敏電阻的實際溫度特性具有一定的離散性，因此可考慮兩只熱敏電阻并聯(lián)使用，以減小元器件的離散性對電路造成影響。本設(shè)計仍按圖4進(jìn)行設(shè)計。

圖4 DAC輸出溫補電路

通過嘗試選擇R1、R2和R3的電阻，最終選定R1、R3阻值為2.2 kΩ的固定電阻，R3為MF51－3 000－1 kΩ，常溫情況下電阻值為1 kΩ，具有負(fù)溫度系數(shù)的特性。各溫度點的阻值如表1所示，結(jié)合式（2）可給出補償后DAC輸出功率變化隨溫度變化曲線如圖5所示。

表1 MF51－3 000－1 kΩ阻溫分度表

圖5 DAC輸出功率變化隨溫度變化曲線

綜合圖3和圖5，可以擬合出加溫度補償后，射頻輸出電平變化量隨溫度變化曲線圖，如圖6所示，由圖可見補償后射頻輸出電平變化在1.2 dB范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖6 射頻輸出電平變化隨溫度變化曲線

3 試驗驗證

按照上述參數(shù)設(shè)計完成后，進(jìn)行熱循環(huán)試驗驗證。試驗溫度為－35～＋70℃，溫度每變化5℃保持30 min待設(shè)備溫度穩(wěn)定后再測試輸出電平并記錄結(jié)果。試驗結(jié)果如圖7所示，輸出電平變化在1.4 dB范圍內(nèi)。試驗結(jié)果總體趨勢與設(shè)計預(yù)想基本一致。

圖7 射頻輸出電平變化隨溫度變化曲線

4 結(jié)束語

基于星載設(shè)備小型化、低功耗的設(shè)計理念，提出了一種新型的發(fā)射機輸出功率變化溫補方案，給出了詳細(xì)的原理分析和設(shè)計思路，并對該方案進(jìn)行了試驗驗證，試驗結(jié)果證明該方案合理可行。但該方案的適用范圍具有一定的局限性，適用于正交數(shù)字調(diào)制方案的發(fā)射機，對于正交模擬調(diào)制的發(fā)射機難以保證I、Q兩路的幅度平衡。

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A New Temperature Compensation Scheme of Output Power in Space-borne Transmitter

LIN Yuan-chao，WANG Li-min，SONG Yan-jun，ZHOU Tong，YANG Dan，ZHANG Qian
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

The gain of RF channel in the transmitter varies at different temperatures.Generally，the adjustable RF attenuator is added in channel，and the thermistor circuit is used to adjust the control voltage or current of attenuator to compensate the RF channel gain variation at different temperatures.According to the design requirement of space-borne equipment’s miniaturization and low power consumption，a new temperature compensation scheme is put forward.In this scheme，the thermistor is used to adjust DAC BIASJ pin bias resistor to control the output power of DAC（i.e.，input power of RF channel），and to realize stable output power of transmitter.The principle of this scheme is analyzed and the design method is put forward.The test results show that this scheme is reasonable and feasible.

RF channel；temperature compensation circuit；thermistor；bias resistor

TN830.3

A

1003－3106（2015）10－0023－03

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.06

林遠(yuǎn)超，王立民，宋艷軍，等.一種新型星載發(fā)射機輸出功率溫補方案［J］.無線電工程，2015，45（10）：23－25.

林遠(yuǎn)超男，（1985—），工程師。主要研究方向：星載設(shè)備硬件電路設(shè)計。

2015-07-15

國家部委基金資助項目。

王立民男，（1976—），高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信。