CN112653411A - 一种数控移相/数字衰减器温度补偿电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数控移相/数字衰减器温度补偿电路及方法，一种数控移相/数字衰减器温度补偿电路，包括驱动器阵列、数字控制单元、温度传感器以及移相电路和/或衰减电路；其特征在于：移相电路由若干个数控移相器串联构成；衰减电路由若干个数字衰减器串联构成；数控移相器用于对收到的信号进行一定量的移相处理，数字衰减器用于对收到的信号进行一定量的衰减处理；数控移相器和数字衰减器中的所有MOS开关的栅极电平分别由相应的驱动器进行控制；每个驱动器均由电平转换器和数字缓冲器构成，所有的驱动器构成所述驱动器阵列；本发明可广泛应用在毫米波通信、宽带卫星通信以及各种相控阵雷达系统中。

Description

一种数控移相/数字衰减器温度补偿电路及方法
技术领域
本发明涉及移相/数字衰减器技术领域，具体涉及一种数控移相/数字衰减器温度补偿电路及方法。
背景技术
相控阵技术广泛应用于雷达、通信、电子对抗等各种装备，其中数控移相/数字衰减器是相控阵中关键的元器件之一；相控阵应用中，需要对每一通道中信号的幅度和相位进行精确控制，数控数控移相器用于对信号相位进行控制，数控数字衰减器用于对信号幅度进行控制，移相和衰减精度对整机的性能影响巨大。同时，移相/数字衰减器的插入损耗会导致接收通道的噪声系数恶化和发射通道中的输出功率下降。
移相数字衰减器作为T/R模块的一部分，控制着不同路径上的信号幅度和相位，不仅需要提供大的动态范围和精确的波束指向，还需要在进行幅度控制的同时保证小的传输相移以避免复杂的相位校准。随着5G毫米波通信和宽带卫星通信技术的巨大需求，硅基数控/数控移相器将广泛应用于硅基单片波束赋形芯片中。
传统的数字移相数字衰减器特别是硅基毫米波数控移相/数字衰减器的插损和数字衰减器的寄生调相随温度变化较大，导致T/R组件的温度特性差，降低了相控阵装备的性能。本发明提出的一种数控移相/数字衰减器温度补偿电路及方法，可以大幅降低数控移相数字衰减器的插损随温度变化，优化衰减寄生调相的温度特性，进而推动硅基毫米波数控移相数字衰减器的商用进程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种数控移相/数字衰减器温度补偿电路及方法，该电路及方法能降低数控移相/数字衰减器插入损耗随温度的波动范围，减小数字衰减器的寄生调相随温度的变化范围。
本发明为了解决上述技术问题，采用如下的技术方案：
一种数控移相/数字衰减器温度补偿电路，包括驱动器阵列、数字控制单元、温度传感器以及移相电路和/或衰减电路；其特征在于：
所述移相电路由若干个数控移相器串联构成；所述衰减电路由若干个数字衰减器串联构成；所述数控移相器用于对收到的信号进行一定量的移相处理，所述数字衰减器用于对收到的信号进行一定量的衰减处理；
数控移相器和数字衰减器中的所有的MOS开关的栅极电平分别由对应的驱动器进行控制，每个驱动器均由电平转换器和数字缓冲器构成，所有的驱动器构成所述驱动器阵列；
所述电平转换器的电源电压分别由数字电源和温度传感器提供，所述电平转换器用于将数字控制单元输出的数字控制电平转换成栅极控制电平，并通过数字缓冲器输出到MOS开关的栅极，
所述数字缓冲器的电源电压由温度传感器提供，所述温度传感器的模拟输出电压设计成正温特性，所述数字缓冲器用于将温度传感器的模拟输出电压转换成栅极控制电平，以实现对MOS开关的导通电阻的温读漂移进行补偿；可以实现将温度传感器模拟电压转换成MOS开关栅极控制电平的功能；
所述数字控制单元用于为所述电平转换器提供数字控制电平。
根据本发明所述的数控移相/数字衰减器温度补偿电路的优选方案，所述温度传感器的温度-电压斜率与MOS开关的补偿电压一致。
本发明通过改进传统MOS开关的栅极控制电压系统来改进MOS开关的温度特性，通过将温度传感器的模拟电压引入到缓冲器的电源电压来达到利用模拟输出电压直接控制MOS开关栅极的效果，设计中将温度传感器的模拟输出电压设计成正温特性，并且其温度-电压斜率设计成刚好和MOS开关补偿电压一致，这样可以在高温下降低MOS开关的直通电阻和寄生电容，在低温下增加MOS开关的直通电阻和寄生电容，将该经过温度补偿后的MOS开关应用在数控数字衰减器和数控数控移相器中,可以大大改进数控移相/数字衰减器的插损温度特性和改进数字衰减器的寄生调相温度特性，较传统的数字移相数字衰减器相比，具有插损温漂小、寄生调相温漂小的特点；可以改进相控阵系统的温度特性，缩小温补电阻的控制范围，进而改进整个T/R组件的性能，
本发明的第二个技术方案是，一种数控移相/数字衰减器温度补偿方法，该数控移相/数字衰减器包括移相电路和/或衰减电路；所述移相电路由若干个数控移相器串联构成；所述衰减电路由若干个数字衰减器串联构成；所述数控移相器用于对收到的信号进行一定量的移相处理，所述数字衰减器用于对收到的信号进行一定量的衰减处理；
其特征在于：该方法包括：
将数控移相器和数字衰减器中的所有的MOS开关的栅极电平分别由对应的驱动器进行控制，每个驱动器均由电平转换器和数字缓冲器构成，所述电平转换器的电源电压分别由数字电源和温度传感器提供，所述电平转换器的数字控制电平由数字控制单元提供；所述电平转换器将数字控制单元输出的数字控制电平转换成栅极控制电平，并通过数字缓冲器输出到MOS开关的栅极，所述数字缓冲器的电源电压由温度传感器提供，所述数字缓冲器用于将温度传感器的模拟输出电压转换成栅极控制电平，对MOS开关的导通电阻的温读漂移进行补偿；所述温度传感器的模拟输出电压设计成正温特性。可以实现将温度传感器模拟电压转换成MOS开关栅极控制电平的功能；
所述数字控制单元用于为所述电平转换器提供数字控制电平。
根据本发明所述的一种数控移相/数字衰减器温度补偿方法的优选方案，所述温度传感器的温度-电压斜率与MOS开关的补偿电压一致。
根据本发明所述的一种数控移相/数字衰减器温度补偿方法的优选方案，所有的驱动器构成驱动器阵列。
本发明所述的一种数控移相/数字衰减器温度补偿电路及方法的有益效果是：本发明通过改进传统MOS开关的栅极控制电压来改进MOS开关的温度特性，通过将温度传感器的模拟电压引入到缓冲器的电源电压来达到利用模拟输出电压直接控制MOS开关栅极的效果，并且其温度-电压斜率设计成刚好和MOS开关补偿电压一致，这样可以在高温下降低MOS开关的直通电阻和寄生电容，在低温下增加MOS开关的直通电阻和寄生电容，可以大大改进数控移相/数字衰减器的插损温度特性和改进数字衰减器的寄生调相温度特性，较传统的数字移相数字衰减器相比，具有插损温漂小、寄生调相温漂小的特点；可以改进相控阵系统的温度特性，缩小温补电阻的控制范围，进而改进整个T/R组件的性能，可广泛应用在毫米波通信、宽带卫星通信以及各种相控阵雷达系统中。
附图说明
图1是数控移相/数字衰减器总体框图。
图2是数字衰减器电路图。
图3是数控移相器电路图。
图4是本发明所述的MOS开关的栅极控制电路图。
图5是温度传感器5的模拟输出电压特性图。
具体实施方式：
参见图1至图4，一种数控移相/数字衰减器温度补偿电路，包括驱动器阵列3、数字控制单元4、温度传感器5以及移相电路1和/或衰减电路2；
所述移相电路1由若干个数控移相器串联构成；所述衰减电路2由若干个数字衰减器串联构成；所述数控移相器用于对收到的信号进行一定量的移相处理，所述数字衰减器用于对收到的信号进行一定量的衰减处理；数控移相器和数字衰减器的数量根据移相和衰减处理需要确定。
所述数控移相器和数字衰减器中包括的所有的MOS开关的栅极电平分别由对应的驱动器进行控制，每个驱动器均由电平转换器32和数字缓冲器33构成，所有的驱动器构成所述驱动器阵列3。
所述电平转换器32的电源电压分别由数字电源和温度传感器5提供，所述电平转换器32用于将数字控制单元4输出的数字控制电平转换成栅极控制电平，并通过数字缓冲器33输出到MOS开关的栅极。
所述数字缓冲器33的电源电压由温度传感器5提供，所述温度传感器的模拟输出电压设计成正温特性，且所述温度传感器的温度-电压斜率与MOS开关的补偿电压一致。参见图5。所述数字缓冲器用于将温度传感器的模拟输出电压转换成栅极控制电平，以实现对MOS开关的导通电阻的温读漂移进行补偿；可以实现将温度传感器模拟电压转换成MOS开关栅极控制电平的功能。
所述数字控制单元4用于为所述电平转换器32提供数字控制电平。
在具体实施例中，所述数控移相/数字衰减器由驱动器阵列3、数字控制单元4、温度传感器5以及移相电路1和衰减电路2构成，移相电路1由6个数控移相器串联构成，衰减电路2由6个数字衰减器串联构成。
第一个数控移相器将收到的信号进行180度移相处理后输出；第二个数控移相器将收到的信号进行90度移相处理后输出；第三个数控移相器将收到的信号进行45度移相处理后输出……；第六个数控移相器将收到的信号进行6度移相处理后输出。
第一个数字衰减器将收到的信号进行16分贝衰减处理后输出；第二个数字衰减器将收到的信号进行8分贝衰减处理后输出；第三个数字衰减器将收到的信号进行4分贝衰减处理后输出……；第六个数字衰减器将收到的信号进行0.5分贝衰减处理后输出。
每个数控移相器和数字衰减器的电源电压都由驱动器阵列进行控制，驱动器阵列由若干个驱动器构成，驱动器的数量与MOS开关数量相同。每个数字衰减器包括MOS开关一M1和MOS开关二M2，每个数控移相器包括MOS开关三M3、MOS开关四4、开关五M5和MOS开关六M6；因此本实施例中，驱动器共设置有36个。此电路结构可以将数控移相数字衰减器的温漂性能进行补偿。
一种数控移相/数字衰减器温度补偿方法，该数控移相/数字衰减器包括移相电路1和/或衰减电路2；所述移相电路1由若干个数控移相器串联构成；所述衰减电路2由若干个数字衰减器串联构成；所述数控移相器用于对收到的信号进行一定量的移相处理，所述数字衰减器用于对收到的信号进行一定量的衰减处理。
该温度补偿方法包括：
将数控移相器和数字衰减器中的所有的MOS开关的栅极电平分别由相应的驱动器进行控制，每个驱动器31均由电平转换器32和数字缓冲器33构成，所述电平转换器32的电源电压分别由数字电源和温度传感器5提供，所述电平转换器32的数字控制电平由数字控制单元4提供；所述电平转换器32将数字控制单元4输出的数字控制电平转换成栅极控制电平，并通过数字缓冲器33输出到MOS开关的栅极，所述数字缓冲器33的电源电压由温度传感器5提供，所述数字缓冲器用于将温度传感器的模拟输出电压转换成栅极控制电平，对MOS开关的导通电阻的温读漂移进行补偿；所述温度传感器的模拟输出电压设计成正温特性。可以实现将温度传感器模拟电压转换成MOS开关栅极控制电平的功能。
所述数字控制单元4用于为所述电平转换器32提供数字控制电平。
在具体实施例中，所述温度传感器的温度-电压斜率与MOS开关的补偿电压一致。
所有的驱动器构成驱动器阵列3。
参见图2，为数字衰减器电路图，数字衰减器包括MOS开关一M1和MOS开关二M2，分别由驱动器一、二驱动。该结构中M1为直通MOS开关，该开关的直通电阻随温度变化直接影响数字衰减器插损变化，M2为接地MOS开关，该开关的直通电阻随温度变化直接影响数字衰减器寄生调相变化。
参见图3，为数控移相器电路图，数控移相器包括MOS开关三M3、MOS开关四4、开关五M5和MOS开关六M6，分别由驱动器三、四、五、六驱动。该结构中M5和M6串联形成数控移相器的插损，因此MOS开关直通电阻随温度的变化将影响数控移相器插损。
参见图4，图中MOS开关的开启和截止是通过控制MOS管的栅极电平来实现的，当MOS管栅极电平为高，则开关打开，当MOS管栅极电平为低，则MOS管截止，由于MOS管的温度特性，当MOS管开启时导通电阻随温度升高而变大，由于MOS管导通电阻更栅极电压成正比，因此适当提高栅极电压可以降低MOS管导通电阻。而传统MOS管栅极电平为恒定值，因此不能减小MOS开关导通电阻值变化范围。
本发明MOS开关的栅极电平的控制由电平转换器和数字缓冲器沟构成，其中电平转换器用于将数字控制电平转换成栅极控制电平，数字缓冲器用于将温度传感器的模拟电压转换成栅极控制电平，利用该结构可以实现将温度传感器模拟电压转换成MOS开关栅极控制电平的功能，从而实现对MOS开关导通电阻的温漂进行补偿的功能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种数控移相/数字衰减器温度补偿电路，包括驱动器阵列(3)、数字控制单元(4)、温度传感器(5)以及移相电路(1)和/或衰减电路(2)；其特征在于：
所述移相电路(1)由若干个数控移相器串联构成；所述衰减电路(2)由若干个数字衰减器串联构成；所述数控移相器用于对收到的信号进行一定量的移相处理，所述数字衰减器用于对收到的信号进行一定量的衰减处理；
数控移相器和数字衰减器中的所有MOS开关的栅极电平分别由相应的驱动器进行控制，每个驱动器(31)均由电平转换器(32)和数字缓冲器(33)构成，所有的驱动器构成所述驱动器阵列(3)；
所述电平转换器(32)的电源电压分别由数字电源和温度传感器(5)提供，所述电平转换器(32)用于将数字控制单元(4)输出的数字控制电平转换成栅极控制电平，并通过数字缓冲器(33)输出到MOS开关的栅极；
所述数字缓冲器(33)的电源电压由温度传感器(5)提供，所述温度传感器的模拟输出电压设计成正温特性，所述数字缓冲器用于将温度传感器的模拟输出电压转换成栅极控制电平，以实现对MOS开关的导通电阻的温度漂移进行补偿；
所述数字控制单元(4)用于为所述电平转换器(32)提供数字控制电平。
2.根据权利要求1所述的数控移相/数字衰减器温度补偿电路，其特征在于：所述温度传感器的温度-电压斜率与MOS开关的补偿电压一致。
3.一种数控移相/数字衰减器温度补偿方法，该数控移相/数字衰减器包括移相电路(1)和/或衰减电路(2)；所述移相电路(1)由若干个数控移相器串联构成；所述衰减电路(2)由若干个数字衰减器串联构成；所述数控移相器用于对收到的信号进行一定量的移相处理，所述数字衰减器用于对收到的信号进行一定量的衰减处理；
其特征在于：该方法包括：
将数控移相器和数字衰减器中所有的MOS开关的栅极电平分别由相应的驱动器进行控制，每个驱动器(31)均由电平转换器(32)和数字缓冲器(33)构成，所述电平转换器(32)的电源电压分别由数字电源和温度传感器(5)提供，所述电平转换器(32)的数字控制电平由数字控制单元(4)提供；所述电平转换器(32)将数字控制单元(4)输出的数字控制电平转换成栅极控制电平，并通过数字缓冲器(33)输出到MOS开关的栅极，所述数字缓冲器(33)的电源电压由温度传感器(5)提供，所述数字缓冲器用于将温度传感器的模拟输出电压转换成栅极控制电平，对MOS开关的导通电阻的温读漂移进行补偿；所述温度传感器的模拟输出电压设计成正温特性。
所述数字控制单元(4)用于为所述电平转换器(32)提供数字控制电平。
4.根据权利要求3所述的一种数控移相/数字衰减器温度补偿方法，其特征在于：所述温度传感器的温度-电压斜率与MOS开关的补偿电压一致。
5.根据权利要求3所述的一种数控移相/数字衰减器温度补偿方法，其特征在于：所有的驱动器构成驱动器阵列(3)。
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