一種X波段低相噪跳頻源的設計
摘要:基于小數(shù)分頻鎖相環(huán)HMC704LP4設計了一種X波段跳頻源,具有相位噪聲低、雜散低、體積小的特點。針對指標要求擬定設計方案,簡述設計過程,給出設計參數(shù),對關鍵指標進行分析仿真,并給出測試曲線。
關鍵詞:X波段;PLL;相位噪聲
隨著雷達、電子偵察與對抗、通信等領域技術的發(fā)展,對頻率源提出了越來越高的要求,主要表現(xiàn)在高頻率、低相噪、低雜散、小步進、寬頻帶、小體積等方面。頻率合成技術作為系統(tǒng)實現(xiàn)高性能指標的關鍵技術之一,包括四種合成方式:直接模擬式頻率合成、鎖相頻率合成(PLL)、直接數(shù)字式頻率合成(DDS)和混合式頻率合成(DDS+PLL)
1 指標要求與方案分析
具體指標如下:
頻率范圍:9.87~10.47 GHz
頻率步進:30 MHz
相位噪聲:≤-93 dBc/Hz@1kHz
雜散抑制:≤-60 dBc
跳頻時間:≤50μs
根據(jù)所列指標,如果采用直接模擬式雖然相噪、雜散、跳頻時間等指標得以保證,但由于所需設備量大,導致體積大、成本高。DDS+PLL合成方式包括DDS激勵PLL的方式、DDS內插入PLL做分頻器以及DDS與PLL混頻的方式。DDS激勵PLL做分頻器的方式由于DDS最大輸出頻率不高,需要多次倍頻從而惡化相噪,難以滿足系統(tǒng)要求DDS與PLL環(huán)外混頻的方式由于輸出信號的帶寬和雜散主要取決于DDS而難以滿足系統(tǒng)要求,而DDS內插PLL作為分頻器的方式得到的信號雜散較低,頻率分辨率小且能做到較寬的頻帶,但是時鐘頻率較高的DDS價格昂貴。采用鎖相環(huán)合成,雜散性能與相位噪聲性能較好,可實現(xiàn)的工作頻帶寬,但頻率切換速度較慢,跳頻時間較長。由于系統(tǒng)并沒有對頻率切換速度提出過高要求,因此從價格方面考慮,我們采用鎖相頻率合成技術,基于低相噪鎖相環(huán)芯片HMC704LP4設計該跳頻源。其原理框圖如圖1所示。
選用100MHz OCXO晶振作參考輸入信號,采用Hittite公司的小數(shù)分頻數(shù)字鎖相環(huán)HMC704LP4產生9.87~10.47 GHz、頻率間隔為30 MHz的信號。鎖相環(huán)接收來自時序控制板的控制信號,通過對鑒相器的內部寄存器進行控制,產生所需頻點。由于輸出頻率不能被30 MHz整除,如果選擇整數(shù)模式則鑒相頻率應為10 MHz,分頻比N較大,噪聲會以20 lgN惡化。因此我們采用小數(shù)分頻模式,鑒相頻率為100 MHz,提高了相噪性能,同時由于HMC704LP4采用Delta-sigma調制技術改善了分數(shù)雜散性能,使得輸出信號的雜散滿足要求。
VCO選用Hittite公司的HMC512,頻率范圍為9.6~10.8 GHz,具有二分頻、四分頻輸出,單邊帶相位噪聲為-110 dBc/Hz@100kHz。高通濾波器采用Mini公司的LTCC高通濾波器HFCN-4600+。
2 主要指標分析
2.1 相位噪聲分析
鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位噪聲來源于參考輸入、反饋分頻1/N、電荷泵和VCO。存環(huán)路帶寬內,參考輸入的相位噪聲和N分頻的噪聲占很大比例,電荷泵的相位噪聲也很重要。環(huán)路帶寬外的相噪主要由VCO的相噪決定。
根據(jù)HMC704LP4手冊,其FOM基底為Fp0_dB=-227 dBc/Hz@1Hz;閃爍噪聲基底為Fp1_dB=-266 dBc/Hz@1Hz。輸出為10.47 GHz時可得,PLL基底為
2.2 雜散分析
跳頻源雜散包括鎖相環(huán)的鑒相泄露、小數(shù)雜散以及電磁兼容等方面帶來的雜散。在小數(shù)模式下,由于VCO的輸出頻率與鑒相頻率不是整數(shù)倍的關系,所以輸出信號的雜散由VCO頻率和鑒相頻率諧波的交互調產生。小數(shù)雜散位于輸出頻率±[fvco-(nfpd+fpdd/m)]處,其中fpd為鑒相頻率,dm,m為小數(shù)雜散階數(shù),大于四階的小數(shù)雜散已經非常小可忽略不計。由理論計算可得距離輸出頻率最近的雜散為±7 MHz處。雜散都在環(huán)路帶寬之外,環(huán)路濾波器可將其濾除保證雜散≤-70 dBc,滿足要求。
3 電路設計與實現(xiàn)
3.1 HMC704LP4簡介
HMC704LP4是Hittite公司2011年4月推出的一款低相噪小數(shù)分頻鎖相環(huán)芯片,其最高工作頻率可達8 GHz,具有整數(shù)模式和小數(shù)模式,包括鑒相器,精密電荷泵,參考分頻器R,可編程分頻器N,Delta-sigma調制器以及緩沖放大電路等。
其主要性能指標如下:
(1)噪聲基底在整數(shù)模式下為-233 dBc/Hz,小數(shù)模式下為-230 dBc/Hz;
(2)采用Delta-sigma調制技術改善了分數(shù)雜散性能并有周期滑步抑制功能:
(3)最高參考輸入頻率高達350 MHz,在整數(shù)模式下鑒相頻率最高為115 MHz,在小數(shù)模式下鑒相頻率最高為100 MHz,最小可至DC;
(4)該芯片有八個供電引腳,其中電荷泵部分的供電電壓為5 V,其他供電均為3.3 V;5 V電流典型值6 mA;3.3 V電流典型值52 mA;
(5)三線SPI串口控制。分為HMC模式和開放模式兩種;
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