寬帶鎖相頻率源設(shè)計(jì)

曹鍇源 全顯德 竇靈平

（61711部隊(duì)，新疆 喀什 844002）

寬帶鎖相頻率源設(shè)計(jì)

曹鍇源 全顯德 竇靈平

（61711部隊(duì)，新疆 喀什 844002）

文章介紹了一種基于YIG調(diào)諧振蕩器（YTO）和分?jǐn)?shù)分頻鎖相的2-6GHz寬帶頻率合成器的設(shè)計(jì)方案。采用Hittite公司的分?jǐn)?shù)鎖相芯片HMC700以及YIG調(diào)諧振蕩器，通過(guò)對(duì)三階無(wú)源環(huán)路濾波器和環(huán)路各部件的精確設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了寬頻帶、小步進(jìn)、低相噪的頻率輸出。測(cè)試表明該頻率合成器實(shí)現(xiàn)了相位噪聲在頻率高端優(yōu)于-85dBc/Hz@10KHz，在頻率低端優(yōu)于-90dBc/Hz@10KHz。

分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)；環(huán)路濾波器；三階；YTO

鎖相環(huán)作為現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中的重要組成部分其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有很大的影響。因此提高鎖相環(huán)的各種性能就顯得尤為重要。而對(duì)于用于測(cè)試儀器中的鎖相環(huán)電路，主要是對(duì)其頻帶寬度和相位噪聲的要求。傳統(tǒng)鎖相環(huán)路中的電壓控制振蕩器(VCO)因?yàn)檎{(diào)諧帶寬難以實(shí)現(xiàn)倍頻程以上而逐漸的被YIG調(diào)諧振蕩器(YTO)所代替。YTO具有調(diào)諧頻帶寬、線性度好、頻譜純、噪聲低等特點(diǎn)。同時(shí)，小數(shù)分頻頻率合成芯片的使用解決了整數(shù)分頻所不能實(shí)現(xiàn)的大鑒相頻率和小步進(jìn)之間的矛盾，使小步進(jìn)和小的環(huán)路帶寬成為現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)了輸出頻率小步進(jìn)和低相噪。同時(shí)，Σ?Δ調(diào)制技術(shù)的使用改善了小數(shù)分頻鎖相的雜散，使小數(shù)分頻鎖相環(huán)應(yīng)用的日漸廣泛。

本文設(shè)計(jì)了一種基于YTO和小數(shù)分頻鎖相芯片HMC700的寬帶鎖相頻率合成電路，通過(guò)對(duì)三階無(wú)源環(huán)路濾波器和各部件的精確設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了寬帶、小步進(jìn)和低相噪的頻率輸出。

（一）系統(tǒng)分析

頻率合成器設(shè)計(jì)指標(biāo)有：輸出頻率：2～6GHz；頻率分辨率：100Hz；輸出雜散：-60dBc；輸出相位噪聲：-80dBc/Hz@10KHz。

首先確定實(shí)現(xiàn)方案。根據(jù)所給出的指標(biāo)，若選擇整數(shù)頻率合成的方式，為了實(shí)現(xiàn) 100Hz的頻率分辨率就要求鑒相頻率為100Hz，顯然這是不合理的。而DDS+PLL的頻率合成方式雖然可以得到較小的步進(jìn)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且雜散指標(biāo)差，也難以實(shí)現(xiàn)所需指標(biāo)。這種情況下考慮使用小數(shù)分頻鎖相頻率合成器。小數(shù)分頻合成器可以在不降低鑒相頻率的情況下提高頻率分辨率，改善相位噪聲。

本設(shè)計(jì)中鎖相芯片采用Hittite公司生產(chǎn)的HMC700小數(shù)分頻芯片，其工作頻率范圍可達(dá)8GHz，噪聲基底為整數(shù)模式下為-226 dBc/Hz，小數(shù)模式下為-221 dBc/Hz且采用 調(diào)制技術(shù)改善了雜散性能。參考輸入頻率由 50MHz恒溫晶振提供。采用電流調(diào)諧的 YTO做為可控振蕩器，YTO選用中電九所的ZZJ0206 。在選定了主要器件以后，根據(jù)選擇方案進(jìn)行系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)，系統(tǒng)方案原理框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

輸出頻率為：

其中INT為分頻比的整數(shù)部分，F(xiàn)RAC為分頻比的小數(shù)部分，MOD為模。頻率合成芯片對(duì)輸出相位噪聲的貢獻(xiàn)為：

在小數(shù)分頻模式下，當(dāng)輸出為6GHz時(shí)，分頻比為120，相位噪聲惡化了 20log120為 41.58dB，則輸出的相位噪聲約為-102 dBc/Hz，滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

（二）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.YIG調(diào)諧振蕩器（YTO）

YTO作為磁調(diào)振蕩器有傳統(tǒng)的 VCO所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。由于YIG諧振小球有很高的Q值，所以YTO產(chǎn)生的信號(hào)質(zhì)量非常好，具有非常低的相位抖動(dòng)。另外，作為電磁調(diào)諧的器件，通過(guò)改變偏置磁場(chǎng)的大小就可以很容易的在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。YTO的調(diào)諧通過(guò)主調(diào)諧線圈和細(xì)調(diào)諧線圈實(shí)現(xiàn)，YTO的頻率取決于流過(guò)調(diào)諧線圈的電流。YTO最大的優(yōu)點(diǎn)就是相對(duì)于流入電流的線性度非常好，典型值為20MHz/mA 。主調(diào)諧線圈一般為漆包銅線，其電阻近似為10歐姆，通常在5～15歐姆的范圍之內(nèi)。細(xì)調(diào)諧線圈由非常細(xì)的線構(gòu)成，其串聯(lián)電阻近似為1歐姆，當(dāng)電流超過(guò)200mA時(shí)會(huì)被損壞，因此通常用齊納二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。YTO的設(shè)計(jì)主要是控制電路的設(shè)計(jì)。細(xì)調(diào)電路接環(huán)路濾波器的輸出，由鑒相鑒頻器產(chǎn)生的相位誤差經(jīng)環(huán)路濾波器后形成的電壓控制；粗調(diào)電路通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)頻率的預(yù)置，預(yù)置碼與頻率的關(guān)系為：

對(duì)YTO的正確配置是確保設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。

2.三階環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

由于YTO對(duì)頻率進(jìn)行了預(yù)置，因此YTO細(xì)調(diào)端的調(diào)諧電壓在電荷泵輸出的調(diào)諧電壓以?xún)?nèi)，用無(wú)源濾波器就能很好的實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)。為了滿(mǎn)足雜散指標(biāo)，在傳統(tǒng)的二階無(wú)源鎖相環(huán)后增加一階低通濾波器來(lái)濾除雜散，則形成無(wú)源三階環(huán)路濾波器，原理圖如圖2。

圖2 三階無(wú)源環(huán)路濾波器

本設(shè)計(jì)采用最大相位裕量法設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器。通過(guò)對(duì)環(huán)路濾波器進(jìn)行分析，得到其阻抗函數(shù)為：

對(duì)其進(jìn)行化簡(jiǎn)并帶入鎖相環(huán)的開(kāi)環(huán)增益?zhèn)鬏敽瘮?shù)中，可以得到開(kāi)環(huán)增益?zhèn)鬏敽瘮?shù)為：

為了使環(huán)路穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器時(shí)總是選擇第三個(gè)極點(diǎn)與零點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，一般第三個(gè)極點(diǎn)所在的頻率為增益穿越頻率的10倍或更多，對(duì)G(S)進(jìn)行進(jìn)一步的化簡(jiǎn)得到：

假設(shè)要求對(duì)雜散的抑制量為ATTEN，則根據(jù)開(kāi)環(huán)增益?zhèn)鬟f函數(shù)得到：

由于低通極點(diǎn) R3,C3的增加使環(huán)路的帶寬減小，改變后的環(huán)路帶寬為：

一般情況下應(yīng)選擇R3至少為為R2的2倍，并且當(dāng)受控振蕩器為VCO時(shí)，還應(yīng)考慮VCO的輸入電容對(duì)C3的影響，選擇合適的C3值。假設(shè)輸出頻率為6GHz，鑒相頻率為50MHz，初始環(huán)路帶寬選擇為30KHz,相位裕量選擇為45。，對(duì)鑒相器泄露的抑制為20dB，則可以得到環(huán)路濾波器中個(gè)元件的值為：C1=780 pF，C2=3.86 nF，R2=3.35k，R3=22k，C3=1.8pF。

3.定向耦合器設(shè)計(jì)

由于 YTO的輸出一部分作為系統(tǒng)輸出，一部分反饋至HMC700進(jìn)行鑒相，因此需要進(jìn)行功分電路的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的電阻功分器雖然也能實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)，但是增加電阻相當(dāng)于增加了噪聲源，而且HMC700對(duì)送至射頻輸入端的功率要求不高，典型值為-15dBm，使用電阻功分就浪費(fèi)了部分功率。鑒于此，選擇定向耦合器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分路。YTO的輸出功率在 13dBm附近，選擇耦合度為-20dB的定向耦合器[11]完全可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，而且耦合器可以直接制作在印制板上節(jié)省了費(fèi)用。使用 ADS進(jìn)行仿真可以得到所需定向耦合器的尺寸，w=36.9mil，s=59.7mil，l=231mil。

4.電源部分設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中需要用到的電源包括：±15V，±5V，+3V。其中，±15V 和-5V為YTO供電，而+5V和+3V為HMC700供電。因此選擇數(shù)字電源輸出的±15V進(jìn)行降壓穩(wěn)壓（LDO）變換后對(duì)HMC700和YTO進(jìn)行供電。電源的濾波也是設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。若電源波紋較大，波紋可能通過(guò)供電回路調(diào)制 YTO的輸出，使輸出雜散惡化。一般電源的濾波選用大電容和小電容并聯(lián)濾波的方式，若要求嚴(yán)格，也可采用Π型濾波的方式。LDO電壓變換芯片選用REG113-3V，79M05和REG113-5V。三種芯片的的應(yīng)用電路是相似的，文中只給出 REG113-3V的應(yīng)用電路，如圖3。

圖3 REG113-3V應(yīng)用電路

5.HMC700應(yīng)用電路

HMC700芯片有比較多的供電引腳，這些引腳的去耦處理對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的性能有很大的影響，尤其是電荷泵供電引腳對(duì)外部噪聲非常敏感。因此，良好的去耦設(shè)計(jì)對(duì)低雜散輸出至關(guān)重要。HMC700應(yīng)用電路如圖4：

圖4 HMC700應(yīng)用電路

6.電磁兼容設(shè)計(jì)

由于電源及信號(hào)布線復(fù)雜，很容易引起信號(hào)的串?dāng)_和噪聲干擾而導(dǎo)致輸出雜散惡化，因此，PCB不再采用傳統(tǒng)的雙層板，而是采用四層板，使控制線和電源線單獨(dú)一層，這樣做可以減少電源線上的噪聲對(duì)控制信號(hào)的干擾和各種串?dāng)_對(duì)輸出雜散的影響，優(yōu)化雜散性能。

（三）測(cè)試結(jié)果

利用頻譜分析儀對(duì)寬帶 YTO鎖相頻率合成器進(jìn)行測(cè)試，得到輸出頻率 2.6GHz和6GHz偏離載波10KHz處的相位噪聲如圖5及圖6：

圖5 2.6GHz@10KHz相位噪聲

圖6 6GHz@10KHz相位噪聲

（四）結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于 YTO和分?jǐn)?shù)鎖相頻率合成芯片HMC700的寬帶鎖相頻率合成器，通過(guò)器件的選擇和對(duì)無(wú)源三階環(huán)路濾波器的精確設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工作頻率范圍2～6GHz、步進(jìn)100Hz、并且在偏離載波 10KHz處相位噪聲優(yōu)于-85dBc/Hz，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于測(cè)試的供電是通過(guò)制作在實(shí)驗(yàn)板上的電源轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)的，并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行良好的屏蔽，因此電源的紋波和干擾對(duì)輸出雜散的影響比較明顯。同時(shí)，為了便于觀察沒(méi)有將合成器處于封閉的屏蔽盒中，使得外界的干擾影響到輸出相位噪聲。因此，良好的屏蔽對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能的頻率合成器非常重要。

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2010-12-31

曹鍇源（1986－），男，河南寶豐人，61711部隊(duì)助理工程師。