高可塑性射頻通道增益溫度補(bǔ)償電路構(gòu)架研究

馬美霞,于謹(jǐn)華,胡天存

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

射頻、微波接收/發(fā)射系統(tǒng)由低噪聲放大器、變頻通道、功率放大器、頻率源和DC/DC模塊5部分組成。射頻通道元器件,如放大器、混頻器、濾波器、隔離器、衰減器以及無源互聯(lián)過渡線等在其工作環(huán)境溫度變化過程中,關(guān)鍵指標(biāo)增益、插入損耗等會(huì)發(fā)生線性變化。溫度范圍100℃范圍內(nèi),增益變化量約為常溫標(biāo)稱值的10%。接收通道后端連接數(shù)字處理A/D轉(zhuǎn)換器、發(fā)射通道功率放大器推動(dòng)后端行波管放大器,都需要通道功率穩(wěn)定輸出,保證后端器件始終在正常輸入工作范圍內(nèi),因此射頻通道需要對(duì)增益即輸出功率進(jìn)行溫度補(bǔ)償,從而保證穩(wěn)定輸出[1-7]。增益溫度補(bǔ)償電路由兩部分組成,第一部分是位于射頻通道中的射頻模擬衰減器,所處位置在其調(diào)整衰減量過程中不會(huì)引起噪聲系數(shù)和輸出1dB壓縮點(diǎn)惡化;第二部分是為模擬衰減器提供溫度變化過程對(duì)應(yīng)衰減量的控制電壓的低頻電路,該低頻電路輸入電壓一般是經(jīng)過穩(wěn)壓后的二次電,保證通道與系統(tǒng)級(jí)聯(lián)后依然能穩(wěn)定工作。本文主要闡述了目前常用增益溫度補(bǔ)償以及高可塑性增益溫度補(bǔ)償電路架構(gòu)。

1 常規(guī)溫補(bǔ)電路概述

1.1 數(shù)字溫補(bǔ)電路

數(shù)字溫度補(bǔ)償電路的原理圖如圖1所示,其優(yōu)勢(shì)為能精準(zhǔn)補(bǔ)償射頻通道增益溫補(bǔ)變化,但電阻構(gòu)成復(fù)雜、成本高昂、調(diào)試工作量較大,所以目前地面或星載射頻通道一般不采用此方案。

圖1 數(shù)字溫度補(bǔ)償電路Fig.1 Digital temperature compensation circuit

1.2 模擬溫補(bǔ)電路

1.2.1 射頻溫補(bǔ)衰減器

溫補(bǔ)衰減器實(shí)現(xiàn)增益溫度補(bǔ)償原理如圖2所示。溫補(bǔ)衰減器在射頻通道增益補(bǔ)償中具有一定的優(yōu)勢(shì),純無源網(wǎng)絡(luò)無需供電、結(jié)構(gòu)簡單、裝配簡單、易于多芯片集成實(shí)現(xiàn)小型化。射頻通道增益隨著任務(wù)要求往往大小不同,工作溫度范圍內(nèi)增益變化就不太一致,對(duì)于高增益射頻通道往往需要多只不同阻值不同溫度系數(shù)的衰減器綜合補(bǔ)償滿足任務(wù)需求。但是實(shí)際射頻通道元器件在溫度下增益或是插入損耗隨溫度變化量在設(shè)計(jì)之初較難獲得,所以將會(huì)導(dǎo)致射頻溫補(bǔ)衰減器實(shí)際補(bǔ)償效果與預(yù)期相差較大,且后期修正需要進(jìn)行期間重新選定更好,降低生產(chǎn)效率。

圖2 溫補(bǔ)衰減器補(bǔ)償原理Fig.2 Compensation principle of temperature compensating attenuator

1.2.2 模擬衰減器與有源控制電路組合型[8]

該組合型式由射頻模擬衰減器與含有熱敏電阻運(yùn)算放大器比例放大濾波控制電路組成。模擬衰減器有電壓控制類型和電流控制類型,原理圖如圖3所示。該類有源控制電路使用過程中需要供電,并且運(yùn)算放大器較為敏感,會(huì)發(fā)生低頻幾十千赫自激,直接調(diào)制到射頻輸出信號(hào)兩邊。影響系統(tǒng)處理結(jié)果的正確率。同時(shí)正負(fù)電同時(shí)供電情況下,容易出現(xiàn)電壓越過正負(fù)分界線,造成模擬衰減器受損。

圖3 有源控制電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of active control circuit

1.2.3 模擬衰減器與電阻網(wǎng)絡(luò)組合型[9]

該組合型式由射頻模擬衰減器與簡單電阻控制電路組成,簡單電阻網(wǎng)絡(luò)電路形式如圖4所示。

圖4 簡單電阻網(wǎng)絡(luò)控制電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of simple resistance network control circuit

R2*～R4*:RMK2012-0.1W-*-J待調(diào)電阻

R5:RMK2012-0.1W-101-J

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

ATT:CHT3091A-99F/00

網(wǎng)絡(luò)中熱敏電阻為負(fù)斜率,通過ADS仿真軟件優(yōu)化外圍電阻,得到需要的控制電壓。輸出控制電壓控制模擬衰減器衰減量,從而達(dá)到射頻通道增益溫度補(bǔ)償。該網(wǎng)絡(luò)輸出電壓趨勢(shì)較為單一,應(yīng)用范圍或是補(bǔ)償效果受到較大限制。

1.3 射頻溫補(bǔ)衰減器的位置

射頻溫補(bǔ)衰減器一般會(huì)設(shè)計(jì)在整個(gè)射頻鏈路中的后端,位于混頻后的位置,如圖5所示。根據(jù)級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)的定義可知,射頻系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于射頻輸入端第一級(jí)有源器件的噪聲系數(shù)。射頻鏈路中后端器件對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響會(huì)隨著后端器件與輸入端之間放大器的增益、級(jí)數(shù)的變大而減小。因此溫補(bǔ)衰減器置于混頻后可以有效降低其對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響。

圖5 射頻溫補(bǔ)衰減器在射頻鏈路中的位置Fig.5 Location of the radio frequency warm compensating attenuator in the radio frequency link

2 高可塑性溫度補(bǔ)償電路

目前,星載接收機(jī)、變頻器單機(jī)增益溫度穩(wěn)定度指標(biāo)要求非常嚴(yán)苛。以C頻段接收機(jī)為例,常溫增益60±0.5dB,鑒定溫度范圍-25℃～60℃范圍內(nèi)增益溫度穩(wěn)定度小于0.8dBp-p,任意25℃增益溫度穩(wěn)定度小于0.5dBp-p。

2.1 電路架構(gòu)

電路選用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻兩種,分別為溫度系數(shù)3500的2kΩ和溫度系數(shù)4200的80kΩ。正溫度系數(shù)熱敏電阻為溫度系數(shù)0.025的1kΩ。直流供電電壓為穩(wěn)壓后-5V。模擬衰減器型號(hào)CHT3091A-99F/00,控制電壓Vp范圍為-5V～0V,控制端口阻抗為高阻,該衰減器屬于電壓控制模擬衰減器。所以在關(guān)鍵仿真優(yōu)化過程中,模擬衰減器控制端口可以直接做開路簡化處理。其電路原理圖如圖6所示,由基爾霍夫電流定律可以得到高可塑性溫度補(bǔ)償電路參數(shù)關(guān)系,如式(1)、式(2)和式(3)所列。

圖6 高可塑性增益溫補(bǔ)電路架構(gòu)拓?fù)銯ig.6 Architecture topology of high plasticity gain temperature compensation circuit

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

RT1～RT4為熱敏電阻

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

RT1～RT4為熱敏電阻

R1*～R8*:RMK2012-0.1W-*-J待調(diào)電阻

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)可以推導(dǎo)得到V1與Vout關(guān)系,如式(4)所列。

(4)

將式(4)代入式(1)可以推導(dǎo)得到V2與Vout關(guān)系,如式(5)所列。

(5)

將式(4)和式(5)代入式(3)可以推導(dǎo)得到Vout與VDC關(guān)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)

如圖7所示為是模擬衰減器不同工作頻率條件衰減量與電壓對(duì)應(yīng)曲線,在低頻段控制電壓為-3.5～-1.0V范圍內(nèi)衰減量隨著控制電壓線性變化,變化量約12dB,溫補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)控制電壓輸出Vout范圍選取該范圍可以對(duì)線性電路進(jìn)行較好的補(bǔ)償。如果單級(jí)衰減器衰減范圍不能滿足通道增益溫度變化量需求,可以在通道適當(dāng)位置增加模擬衰減器級(jí)數(shù),多級(jí)模擬衰減器采用同一電阻網(wǎng)絡(luò)輸出電壓進(jìn)行控制。

圖7 模擬衰減器CHT3091A-99F/00衰減特性圖Fig.7 Attenuation characteristic of simulated attenuator CHT3091A-99F/00

具體電路控制電壓精確值可以通過試驗(yàn)得到,采用桌面電源為模擬衰減器進(jìn)行供電及溫度梯度摸底試驗(yàn)。每個(gè)階梯溫度點(diǎn)保持一定時(shí)間從而使通道達(dá)到熱平衡,通道熱平衡后,按照0.1V步進(jìn)在-5～0V調(diào)整控制電壓Vp并記錄通道增益值,在高低溫下選取滿足指標(biāo)要求且與常溫增益值相同時(shí)對(duì)應(yīng)控制電壓Vp取值。試驗(yàn)得到不同溫度控制電壓值作為高可塑性溫補(bǔ)控制電路優(yōu)化目標(biāo)。

2.4 喉癌癌組織與聲帶息肉中Survivin、bcl-2、p53、caspase-3表達(dá)量比較 喉癌癌組織Survivin、bcl-2、p53表達(dá)量顯著高于聲帶息肉(P<0.05)，caspase-3表達(dá)量顯著低于聲帶息肉(P<0.05)，見表4。

高可塑性溫補(bǔ)控制電路電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入高阻電壓控制型計(jì)算較為簡單,只需要優(yōu)化電阻網(wǎng)絡(luò)組成電阻即可。但是對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)模擬衰減器,需要同時(shí)對(duì)模擬衰減器控制輸入阻抗進(jìn)行溫度摸底,得到不同溫度點(diǎn)阻抗值代入電阻網(wǎng)絡(luò)后端進(jìn)行一同計(jì)算,方可得到正確網(wǎng)絡(luò)電阻值。

2.2 控制電壓趨勢(shì)分析

通過理論計(jì)算推導(dǎo)得出高可塑性控制電路輸出電壓由不同阻值正、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻相互補(bǔ)償修正后,得到滿足目前任意射頻線性通道和壓縮通道增益溫度補(bǔ)償電壓趨勢(shì)值。

如圖8所示為ADS建立仿真電路原理圖?？刂齐妷狠敵鯲out趨勢(shì)圖如圖9所示。

圖8 仿真原理圖Fig.8 Schematic diagram of simulation

圖9 控制電壓隨溫度變化趨勢(shì)圖Fig.9 Trend diagram of control voltage variation with temperature

高可塑性增益溫度補(bǔ)償電路可以靈活實(shí)現(xiàn)多種控制電壓隨溫度變化趨勢(shì),從而滿足不同應(yīng)用需求。通過改變控制電壓Vout相關(guān)待調(diào)電阻R1*～R8*以及熱敏電阻RT1～RT4取值,可以得到6種電壓輸出趨勢(shì),其代調(diào)電阻阻值組合和對(duì)應(yīng)的電壓趨勢(shì)如表1所列。

表1 控制電阻網(wǎng)絡(luò)待調(diào)電阻取值Tab.1 Values of resistors to be adjusted in the control resistance network

6種電壓趨勢(shì)分別應(yīng)用背景介紹,Type1應(yīng)用于正常射頻通道增益補(bǔ)償,也即射頻通道高溫增益減小、低溫增益增大,需要增益溫度補(bǔ)償電路高溫衰減量減小、低溫衰減量增大進(jìn)行補(bǔ)償;Type 2應(yīng)用于通道所處整個(gè)鏈路其余部分出現(xiàn)增益溫度穩(wěn)定度多度補(bǔ)償情況,也即高溫增益高低溫增益低;Type 3應(yīng)用于固態(tài)放大器等工作在壓縮狀態(tài)射頻通道,低溫帶常溫段衰減量不變,常溫到高溫衰減量減小,也即補(bǔ)償通道增益下降量;Type 4應(yīng)用于通道衰減器衰減量與控制電壓成反比例情況,對(duì)工作在壓縮狀態(tài)射頻通道進(jìn)行增益溫度補(bǔ)償;Type 5用于微調(diào)增益溫度補(bǔ)償后低溫和高溫段增益高于常溫,也即碗狀增益趨勢(shì)通道反補(bǔ);Type 6用于微調(diào)增益溫度補(bǔ)償后低溫和高溫段增益低于常溫,也即拋物線增益趨勢(shì)通道反補(bǔ)。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)例

射頻通道隨溫度變化線性反斜率變化C頻段接收機(jī)為例,具體設(shè)計(jì)步驟如下。

圖10 增益相對(duì)控制電壓曲線Fig.10 Gain relative control voltage curve

2)將獲得的三溫下控制電壓值作為高可塑性控制電路輸出電壓優(yōu)化目標(biāo)值,通過優(yōu)化待調(diào)電阻R1*～R8*取值,獲得符合要求的控制電壓。R1*=1Ohm,R2*=1Ohm,R3*=100000Ohm,R4*=24000Ohm,R5*=390Ohm,R6*=3000Ohm,R7*=5100000Ohm,R8*=820Ohm。優(yōu)化后控制電壓高溫-2.512V,常溫-1.741V,低溫-1.518V。將電阻裝入電路中進(jìn)行溫度摸底,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見2.4節(jié)。

2.4 實(shí)物測(cè)試結(jié)果

星載C頻段接收機(jī)常溫增益60±0.5dB,增益溫度穩(wěn)定度要求:≤0.8dBpp@工作溫度范圍-5℃～+55℃。實(shí)物如圖11所示,單機(jī)采用高可塑性增益溫度補(bǔ)償電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償后,在驗(yàn)收溫度范圍-25℃～+60℃范圍內(nèi),每5℃溫度保持半個(gè)小時(shí)溫度梯度試驗(yàn),對(duì)工作帶內(nèi)中心點(diǎn)增益進(jìn)行連續(xù)采集,采集結(jié)果如圖12所示。在-25℃～+60℃范圍內(nèi),增益溫度穩(wěn)定度約0.7dB,滿足任務(wù)要求≤0.8dBpp。

圖11 C頻段接收機(jī)實(shí)物照片F(xiàn)ig.11 C-band receiver real photo

圖12 C頻段接收機(jī)增益溫度連續(xù)采集曲線Fig.12 C-band receiver gain temperature continuous acquisition curve

3 結(jié)論

本文介紹了高可塑性射頻通道增益溫度補(bǔ)償電路,通過調(diào)整控制電壓電路待調(diào)電阻取值靈活實(shí)現(xiàn)輸出電壓隨溫度正負(fù)斜率,只對(duì)低溫到常溫進(jìn)行補(bǔ)償、只對(duì)常溫到高溫進(jìn)行補(bǔ)償、常溫不變高低溫同向補(bǔ)償。滿足目前線性工作模式或是壓縮工作模式射頻通道增益溫度補(bǔ)償所有需求。同時(shí),控制電路為純電阻網(wǎng)絡(luò),操作簡單、無自身自激振蕩風(fēng)險(xiǎn),模擬衰減器是常見射頻器件,只需按照任務(wù)頻率范圍以及補(bǔ)償量進(jìn)行選用即可,具有極高推廣價(jià)值。目前,C頻段接收機(jī)在-25℃～60℃范圍內(nèi),增益溫度穩(wěn)定度約0.7dB;-5℃～55℃范圍內(nèi),增益溫度穩(wěn)定度約0.1dB,國際知名宇航公司ThalesAlenia公司C頻段接收機(jī)-5℃～55℃范圍內(nèi),增益溫度穩(wěn)定度約0.22dB,達(dá)到國際領(lǐng)先水平。