一种改善微波模块增益指标温度特性的新方法

摘要：对于复杂的微波模块，增益随温度变化很大，有时很难找到合适的无源温变衰减器来调整增益。文中介绍一种利用温度传感器和数控衰减器相结合的方法来改善微波模块增益指标的温度特性。
关键词：温度特性；无源温变衰减器；温度传感器；数控衰减器

    目前，大部分微波模块的的工作温度范围很大，有时达-50～+70℃，对于高集成微波模块，其增益或插损指标在全温段变化很大，甚至超过±3dB。
    对于增益随温度变化不大的模块可选用无源温变衰减器来补偿，这种温变衰减器尺寸小，可靠性高。缺点是衰减器温度系数(Temperatu re Coefficient of Attenuation，TCA)大的衰减器工作频率往往局限在低频段，且其常温衰减量偏大。例如：EMC公司TVA系列的温变衰减器工作频率DC～6GHz，TCA为-0．70 dB／10℃的衰减器在-50～+70℃温度范围内插损变化有8．4 dB，但其常温+25℃时插损达10 dB。这对于增益和噪声系数指标敏感的微波模块，显然不适合选用。
    针对这种情况，本文提出一种比较灵活好用的解决方案：选用温度传感器和数控衰减器相结合的方法。

1 原理
    微波模块内大多集成多级放大电路，数控衰减器通常置于末级补偿放大器前；而温度传感器用于测试模块的环境温度，测试数据经模数转换器送入数据处理芯片形成控制电路，控制电路常用FR-4板材独立设计，置于模块有源器件集中部位。
    试验时，预先测出相应温度下传感器的输出电压，模数转换后，通过控制微波链路内数控衰减器的衰减值，灵活调整模块的增益指标。其中输出电压与衰减器值的对应表可以预存在数据处理芯片内，框图如图1所示。

    目前，温度传感器品种很多，这里推荐一款英国模拟器件公司(简称A．D公司)型号为AD22100的传感器。AD22100是一款比较成熟的单片式温度传感器，广泛应用于各种温度控制系统。
    AD22100有TO-92和SOIC两种封装，其引脚定义如图2所示。

    其中V+为电源输入引脚，电压范围+4～+6．5 V，通常选择+5V，GND为接地端，Vo为感温电压输出引脚，NC悬空。
    AD22100的感温范围为-50～+150℃，输出电压变化规律如下：
    Vo=(V+／5 V)×[1．375 V+(22．5 mV／℃)×T]
    其中T为AD22100的环境温度，温度变化-50～+70℃时，输出电压范围为+0．25～+2．95 V。例如当V+=+5 V，T=+25℃时Vo=1．938V。
    模数转换器则推荐一款某公司的STM32F103C8T6型单片机，这款单片机结合了高性能、实时、低功耗、低电压、高集成度和易于开发等特点，除了数据处理功能外，还包括两个12位模数转换器，A／D转换精度高，外设接口丰富。其内部ADC供电要求为+2．4～3．6 V，通常选择+3．3 V，此时模拟信号输入范围0～+3．3 V，正好适合AD22100的电压输出范围。模数转换后，单片机可灵活地将数字信号转换成相应数控衰减器的控制码。
    另外数控衰减器则可以根据微波链路的实际工作频率和全温段需要调整的增益变化量来选择。这里介绍一款华北集成电路设计有限公司设计的数控衰减器，基本能满足常规使用。衰减器型号NC3301M-218B，主要指标如下：工作频率范围2～18GHz，衰减范围0.5～31.5dB。衰减器控制位定义见表1。

2 实例分析
    下面通过一实例分析温度传感器AD22100和数控衰减器NC3301M-218B相结合的使用方法。
    某微波集成模块工作频率6～18 GHz，工作温度-50～+70℃，要求全温段插损-3±2 dB，其中±2 dB为全频段增益平坦度。
    未加温补措施前，全温段模块增益变化为-2．5～+5．6dB，见表2，衰减量所需调整范围为0．5～8．5dB。-50～+70℃温度范围内，AD22 100的感温电压为-0.25～+2．95 V。其电路图如图3所示。

    其中单片机通过PA0口读取AD22100的感温电压输出，PA1～PA6输出对数控衰减器的控制码，CANH和CANL作为单片机的CAN通信口。
    AD22100的感温电压输出(R3输入端电压)和微波模块增益指标的实验室测试结果如表2所示，根据增益要求和实测增益值计算得衰减器的衰减量。
    从表2可以看出，感温电压和衰减量随温度变化接近线性，变化量约为22.5 mV／℃及0.067dB／℃，如图4所示。这样，可以通过电压输出调整衰减量，实现对模块的增益控制，调整斜率约为0.5dB／7.5℃，即0.5 dB／168 mV，而AD22100的实测感温电压与理论值相差不大，几十毫伏级，而且比较固定，可以忽略。调整后，全温段内模块的增益均线在±0．5 dB范围内变化，达到预期指标。

    单片机STM32F103C8T6内置程序参考如下：

   

3 结论
    利用温度传感器和数控衰减器相结合来改善微波模块增益温度特性的方法，具有温度范围适应广，频率受限小的优点，可以自动实现增益的温度补偿，补偿效果稳定可靠，对其他指标影响小，值得推广。