CN111987999A - 基于负温度系数ntc电阻设计的射频补偿方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提出一种基于负温度系数NTC电阻设计的射频补偿方法，包括如下步骤：获取射频链路全温范围内的射频功率变化与温度的关系；根据所述射频功率变化与温度的关系设计衰减电路的衰减量与温度的关系；根据所述衰减量与温度的关系反推衰减电路中NTC电阻温度特性，根据所述NTC电阻温度特性进行器件选型。本申请实施例可以实现射频功率自动补偿，全程无需人为参与或程序控制，方案新颖且成本低、可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及基于负温度系数NTC电阻设计的射频补偿方法和装置。
背景技术
射频链路作为各种无线通讯系统收发射机中的关键电路，各通信标准对其各项指标均有严格要求。随着数据传输量的增大，当前的3GPP标准对射频功率提出了更为苛刻的要求，在高线性度、高效率的基础上，还要求射频功率放大器在整个温度变化范围内具有良好的温度特性指标。
NTC是Negative Temperature Coefficient的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC电阻就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料载流子(电子和孔穴)数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC电阻器在室温下的变化范围在10～1000000欧姆，温度系数-2％～-6.5％。NTC电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面。
电阻值和温度变化的关系式为：RT＝RN expB(1/T–1/TN)；其中，RT为在温度T(K)时的NTC电阻阻值；RN为在额定温度TN(K)时的NTC电阻阻值；T为规定温度(K)；B为NTC电阻的材料常数，又叫热敏指数；exp是以自然数e为底的指数(e＝2.71828…)。该关系式是经验公式，只在额定温度TN或额定电阻阻值RN的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B本身也是温度T的函数。
现有射频温补技术方案主要有两种：一种是温度传感器+压控/数控衰减器的方案；另一种是将NTC电阻直接串联到射频链路中的方案。以上两种现有射频温补方案的缺点分别如下：第一种方案成本高，且温度传感器在PCB板上的布局是否合理直接影响到射频温补的精度。第二种方案中，NTC电阻直接串联到射频链路中，会导致射频链路的输入输出阻抗偏移标准的特性阻抗。
发明内容
为解决上述问题，本申请提出一种基于负温度系数NTC电阻设计的射频补偿方法，包括如下步骤：
获取射频链路全温范围内的射频功率变化与温度的关系；
根据所述射频功率变化与温度的关系确定衰减电路的衰减量与温度的关系；
根据所述衰减量与温度的关系反推衰减电路中NTC电阻温度特性，根据所述NTC电阻温度特性进行器件选型。
进一步的，所述获取射频链路全温范围内的射频功率变化与温度的关系包括：通过大量实验测量出所述射频链路在不同温度下的功率变化数据，然后基于实验测量数据拟合出射频功率变化与温度之间的函数关系：ΔPt＝f1(Δt)；其中，ΔPt为射频功率变化值，Δt为温度变化值。
进一步的，所述根据所述衰减量与温度的关系反推衰减电路中NTC电阻温度特性，具体包括：
根据所述衰减电路的衰减量计算公式，计算出不同温度下的NTC电阻的阻值；
基于计算出的不同温度下NTC电阻的阻值拟合出所述NTC电阻的温度特性函数。
进一步的，所述衰减电路是包含至少一个NTC电阻的桥T型衰减电路、T型衰减电路或者Π型衰减电路。
进一步的，所述桥T型衰减电路包括：输入端、输出端、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；所述第一电阻为NTC电阻；
所述第二电阻和第三电阻串联，所述串联电路再与所述第一电阻并联，所述并联电路的两端分别连接输出端和输入端；
所述第四电阻的一端与所述第二电阻和第三电阻相连的一端连接，另一端接地。
进一步的，还包括：使用选定的NTC电阻的温度特性验证所述衰减电路对射频链路的射频补偿效果。
基于相同的构思，本申请还提出一种基于负温度系数NTC电阻设计的射频补偿装置，所述装置包含至少一个NTC电阻，所述NTC电阻根据温度特性进行选型；
所述NTC电阻的温度特性根据所述装置的衰减量与温度的关系推算得出；
所述装置的衰减量与温度的关系根据射频链路全温范围内的射频功率变化与温度的关系确定。
进一步的，所述射频功率变化与温度的关系通过以下方式获取：
通过大量实验测量出所述射频链路在不同温度下的功率变化数据，然后基于实验测量数据拟合出射频功率变化与温度之间的函数关系：ΔPt＝f1(Δt)；其中，ΔPt为射频功率变化值，Δt为温度变化值。
进一步的，所述装置是包含至少一个NTC电阻的桥T型衰减电路、T型衰减电路或者Π型衰减电路。
进一步的，所述桥T型衰减电路包括：输入端、输出端、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一电阻为NTC电阻；
所述第二电阻和第三电阻串联，所述串联电路再与所述第一电阻并联，所述并联电路的两端分别连接输出端和输入端；
所述第四电阻的一端与所述第二电阻和第三电阻相连的一端连接，另一端接地。
本申请实施例提供的射频补偿方法和装置，充分利用NTC热敏电阻的温度特性，可以实现射频功率自动补偿，全程无需人为参与或程序控制，方案新颖且成本低、可靠性高。
附图说明
图1为本申请实施例提出的基于NTC电阻设计的射频补偿方法流程框图；
图2为本申请实施例设计的桥T衰减电路示意图；
图3为实施例中拟合出的R2温度特性函数曲线示意图；
图4为实施例中结合ADS软件验证时常温20℃射频链路功率输出示意图；
图5为实施例中结合ADS软件验证时高温60℃原射频链路功率输出示意图；
图6为实施例中结合ADS软件验证时高温60℃基于本申请设计的衰减电路射频链路功率输出示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一个实施例提出一种基于负温度系数NTC电阻设计的射频补偿方法，如图1所示，包括如下步骤：
获取射频链路全温范围内的射频功率变化与温度的关系；
根据射频功率变化与温度的关系设计衰减电路的衰减量与温度的关系；
根据衰减量与温度的关系反推衰减电路中NTC电阻温度特性，根据所述NTC电阻温度特性进行器件选型。
在一个可选实施例中，获取射频链路全温范围内的射频功率变化与温度的关系包括：通过大量实验测量出射频链路在不同温度下的功率变化数据，然后基于实验测量数据拟合出射频功率变化与温度之间的函数关系：ΔPt＝f1(Δt)；其中，ΔPt为射频功率变化值，Δt为温度变化值。
在一个可选实施例中，根据所述衰减量与温度的关系反推衰减电路中NTC电阻温度特性，具体包括：
根据衰减电路的衰减量计算公式，计算出不同温度下的NTC电阻的阻值；
基于计算出的不同温度下NTC电阻的阻值拟合出NTC电阻的温度特性函数。
在一个可选实施例中，衰减电路是包含至少一个NTC电阻的桥T型衰减电路、T型衰减电路或者Π型衰减电路。
在一个可选实施例中，桥T型衰减电路包括：输入端、输出端、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；第一电阻为NTC电阻；
第二电阻和第三电阻串联，串联电路再与第一电阻并联，并联电路的两端分别连接输出端和输入端；
第四电阻的一端与第二电阻和第三电阻相连的一端连接，另一端接地。
在一个可选实施例中，还包括：使用选定的NTC电阻的温度特性验证所述衰减电路对射频链路的射频补偿效果。
基于相同的构思，本申请的一个实施例还提出一种基于负温度系数NTC电阻设计的射频补偿装置，装置包含至少一个NTC电阻，NTC电阻根据温度特性进行选型；
NTC电阻的温度特性根据装置的衰减量与温度的关系推算得出；
装置的衰减量与温度的关系根据射频链路全温范围内的射频功率变化与温度的关系确定。
在一个可选实施例中，射频功率变化与温度的关系通过以下方式获取：
通过大量实验测量出射频链路在不同温度下的功率变化数据，然后基于实验测量数据拟合出射频功率变化与温度之间的函数关系：ΔPt＝f1(Δt)；其中，ΔPt为射频功率变化值，Δt为温度变化值。
在一个可选实施例中，该装置是包含至少一个NTC电阻的桥T型衰减电路、T型衰减电路或者Π型衰减电路。
在一个可选实施例中，桥T型衰减电路包括：输入端、输出端、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，第一电阻为NTC电阻；
第二电阻和第三电阻串联，串联电路再与第一电阻并联，并联电路的两端分别连接输出端和输入端；
第四电阻的一端与第二电阻和第三电阻相连的一端连接，另一端接地。
本申请实施例提供的射频补偿方法和装置，充分利用了NTC热敏电阻的温度特性(负温度系数热敏电阻器，温度越高时电阻值越小)，可以实现射频功率自动补偿，全程无需人为参与或程序控制，方案新颖且成本低、可靠性高。
下面基于NTC电阻和桥T型衰减电路，详细阐述本申请提出的射频补偿方案的具体实现过程。
实施例1：基于NTC电阻设计桥T型衰减电路进行射频功率补偿。
射频功率补偿过程如下：根据当前射频链路所处环境温度的不同，NTC电阻构成的新型桥T衰减网络的衰减值不同，温度升高，衰减值减小；而原射频链路(基于非NTC设计的功率衰减网络)升温环境下，功率降低；借助本发明设计的新型桥T衰减网络在升温环境下的衰减值降低来实现功率补偿；降温环境时则反之。
(1)射频链路全温范围内功率变化实验
一般地，射频链路高温环境下因为电子元器件自身的分布参数特性，链路插损会增大，功率输出会减小；低温环境时则反之。本实施例中，全温范围：-40℃～+80℃，常温＝20℃。通过大量温度实验(高低温)，获取当前射频链路在全温范围内的射频功率变化情况。实验数据样本越丰富，根据实验数据进行函数曲线拟合的结果越精确，射频补偿的效果越优异。
根据实验数据，利用MATLAB拟合该射频链路全温范围内射频功率变化ΔPt随温度变化Δt的函数关系，记为：ΔPt＝f1(Δt)；常温20℃时，有ΔPt＝0，Δt＝0。由该函数关系，可以计算出该射频链路全温范围内任意温度环境下的射频功率变化值ΔPt。假设取某一温度t1＝60℃，由该函数关系可以得出：ΔPt1＝f1(Δt)＝f1(60-20)＝-2dB；即该射频链路工作中60℃的高温环境时，射频功率输出降低了2dB。
本实施例中，假定常温条件下射频链路增益10dB(链路中有一个≥6dB的衰减网络)，射频输入/输出阻抗控制在标准的50欧姆；全温范围内射频功率变化ΔP0＝6dB，即全温范围内射频链路增益为10±6dB。射频补偿的目的，就是通过重新设计射频链路中的衰减电路，使该射频链路在全温范围内的增益都能够保持在其常温状态下的10dB附近。
(2)基于NTC设计的新型桥T衰减电路
由(1)部分的实验结果可知，需要基于NTC设计一个新型衰减电路，以使射频链路在全温范围内的增益保持10dB。本实施例设计的桥T衰减电路如图2所示，该桥T衰减电路的衰减值计算公式记为：ATT(dB)＝f(R1，R2，R3)。其中R1和R3选用常规的射频电阻，R1＝50欧姆；R2选用高精度大范围的NTC电阻，阻值会根据环境温度而变化，温度越高电阻值越小，从而实现自动的射频温度补偿。这样的设计可以保证衰减电路衰减值变化时不会引起射频链路的特性阻抗变化，而仅采用一个NTC热敏电阻R2可以降低衰减电路成本。
如果选择T型或者Π型衰减电路+NTC电阻来设计射频补偿方案，则会带来输入输出特性阻抗的偏移的问题。而桥T型衰减电路最大的优势在于只需要引入一个NTC热敏电阻R2就可以实现该衰减网络对射频链路的温度补偿效果，且不会发生特性阻抗偏移的难题；并且桥T型衰减电路中两个电阻阻值等于特性阻抗，运算关系简单。
(3)NTC热敏电阻选型
根据前述步骤中拟合的射频功率变化和温度变化的函数关系和新设计的桥T型衰减电路反推NTC热敏电阻R2的温度特性，再根据反推出来的R2的温度特性去选型合适的NTC热敏电阻。所选NTC热敏电阻精度越高，温补效果越精确。
反推出的NTC热敏电阻R2的温度特性的函数关系式记为：R2＝F(-T)，拟合的函数曲线如图3所示。显然，拟合的热敏电阻温度特性曲线完全符合NTC温度特性的大趋势，即温度升高，NTC热敏电阻阻值减小；反之则增大。接下来只需根据反推的R2的温度特性函数关系函数关系式去选型对应的合适的NTC热敏电阻即可。
(4)完成步骤(3)之后，接下来还可以验证本温补方案的实际补偿效果。
以60℃的补偿效果来验证新设计的桥T衰减电路是否能实现预期的射频链路补偿效果。将T＝60℃代入反推出的R2的温度特性函数关系，得到R2＝29.2欧姆，算出新设计的桥T网络的衰减值，ATT(60℃)＝-2dB。根据射频链路全温范围内的实际功率输出值，在60℃时原衰减网络对应的射频链路输出功率相对常温20℃降低了2dB，而切换成新设计的基于NTC热敏电阻设计的桥T型衰减网络温补方案，刚好补偿了这2dB的功率衰减，实现了预期的射频链路的温度补偿效果。
也可以结合ADS软件验证本发明方案的实际温补效果。
以常温＝20℃，高温＝60℃来体现本温补方案的实际温补效果。
(1)常温＝20℃时，射频链路功率输出P0＝-10dB，曲线如图4所示；
(2)高温＝60℃时，原衰射频链路功率输出P0＝-12dB，功率下降了2dB，曲线如图5；
(3)高温＝60℃时，基于本发明新设计的新型桥T型衰减网络，射频链路功率输出P0＝-10dB，曲线如图6，完美补偿了原设计高温环境下的功率下降。
实施例2基于NTC电阻设计的射频补偿装置
本实施例给出的装置中包含至少一个NTC电阻，NTC电阻根据温度特性进行选型；NTC电阻的温度特性根据装置的衰减量与温度的关系推算得出；装置的衰减量与温度的关系根据射频链路全温范围内的射频功率变化与温度的关系确定。其中的射频功率变化与温度的关系通过以下方式获取：通过大量实验测量出射频链路在不同温度下的功率变化数据，然后基于实验测量数据拟合出射频功率变化与温度之间的函数关系：ΔPt＝f1(Δt)；其中，ΔPt为射频功率变化值，Δt为温度变化值。
射频补偿装置为一个桥T型衰减电路，包括：输入端、输出端、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，第一电阻为NTC电阻；第二电阻和第三电阻串联，串联电路再与第一电阻并联，并联电路的两端分别连接输出端和输入端；第四电阻的一端与第二电阻和第三电阻相连的一端连接，另一端接地。
射频补偿装置还可以是包含至少一个NTC电阻的T型衰减电路或者Π型衰减电路，T型衰减电路或者Π型衰减电路还包括阻抗匹配部分以对抗衰减电路衰减值变化引起的特性阻抗变化。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于负温度系数NTC电阻设计的射频补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取射频链路全温范围内的射频功率变化与温度的关系；
根据所述射频功率变化与温度的关系设计衰减电路的衰减量与温度的关系；
根据所述衰减量与温度的关系反推衰减电路中NTC电阻温度特性，根据所述NTC电阻温度特性进行器件选型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取射频链路全温范围内的射频功率变化与温度的关系包括：
通过大量实验测量出所述射频链路在不同温度下的功率变化数据，然后基于实验测量数据拟合出射频功率变化与温度之间的函数关系：ΔPt＝f1(Δt)；其中，ΔPt为射频功率变化值，Δt为温度变化值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述衰减量与温度的关系反推衰减电路中NTC电阻温度特性，具体包括：
根据所述衰减电路的衰减量计算公式，计算出不同温度下的NTC电阻的阻值；
基于计算出的不同温度下NTC电阻的阻值拟合出所述NTC电阻的温度特性函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述衰减电路是包含至少一个NTC电阻的桥T型衰减电路、T型衰减电路或者Π型衰减电路。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述桥T型衰减电路包括：输入端、输出端、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；所述第一电阻为NTC电阻；
所述第二电阻和第三电阻串联，所述串联电路再与所述第一电阻并联，所述并联电路的两端分别连接输出端和输入端；
所述第四电阻的一端与所述第二电阻和第三电阻相连的一端连接，另一端接地。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：使用选定的NTC电阻的温度特性验证所述衰减电路对射频链路的射频补偿效果。
7.一种基于负温度系数NTC电阻设计的射频补偿装置，其特征在于，所述装置包含至少一个NTC电阻，所述NTC电阻根据温度特性进行选型；
所述NTC电阻的温度特性根据所述装置的衰减量与温度的关系推算得出；
所述装置的衰减量与温度的关系根据射频链路全温范围内的射频功率变化与温度的关系确定。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述射频功率变化与温度的关系通过以下方式获取：
通过大量实验测量出所述射频链路在不同温度下的功率变化数据，然后基于实验测量数据拟合出射频功率变化与温度之间的函数关系：ΔPt＝f1(Δt)；其中，ΔPt为射频功率变化值，Δt为温度变化值。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置是包含至少一个NTC电阻的桥T型衰减电路、T型衰减电路或者Π型衰减电路。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述桥T型衰减电路包括：输入端、输出端、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，
所述第二电阻和第三电阻串联，所述串联电路再与所述第一电阻并联，所述并联电路的两端分别连接输出端和输入端；
所述第四电阻的一端与所述第二电阻和第三电阻相连的一端连接，另一端接地；
所述第一电阻为NTC电阻。
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| CN201910431224.0A Pending CN111987999A (zh) | 2019-05-22 | 2019-05-22 | 基于负温度系数ntc电阻设计的射频补偿方法和装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111987999A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113422400A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-09-21 | 厦门紫光展锐科技有限公司 | Ntc电池温度的补偿方法及相关产品 |
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-
2019
- 2019-05-22 CN CN201910431224.0A patent/CN111987999A/zh active Pending
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