基于HMC703LP4E的寬帶步進(jìn)頻率源設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：本設(shè)計采用Hittite公司生產(chǎn)的頻率合成器芯片HMC703LP4E為核心，通過上位機(jī)經(jīng)FPGA輸入控制信息來產(chǎn)生雷達(dá)系統(tǒng)使用的步進(jìn)頻率信號。該頻率源具有輸出信號頻帶寬、變頻時間短、信號穩(wěn)定的特點，在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計中已經(jīng)有所應(yīng)用。本文給出了設(shè)計方法和實驗結(jié)果。

0 前言

在雷達(dá)系統(tǒng)中，頻率源扮演著重要的角色，其性能直接影響著整個雷達(dá)系統(tǒng)。隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，頻率源的設(shè)計方案也千變?nèi)f化，人們設(shè)計了各種各樣的頻率源，其中采用鎖相環(huán)設(shè)計的頻率源具有輸出頻率高、頻率穩(wěn)定度高、頻率純、低相噪、雜散抑制好等優(yōu)點。本文以HMC703LP4E頻率合成器芯片為核心，外加壓控振蕩器，設(shè)計了一種用FP GA來控制的鎖相環(huán)電路，該電路體積較小，調(diào)試方便。與其它鎖相環(huán)電路相比，采用HMC703LP4E實現(xiàn)的鎖相環(huán)電路體積小，輸出信號質(zhì)量好，帶寬寬、變頻時間快。

1 HMC703LP4E功能特點介紹

HMC703LP4E內(nèi)部框圖如圖1所示，它是一款寬帶頻率合成器，輸入信號的頻率范圍為DC-8GHz。它本身不帶壓控振蕩器(VCO)，需要外加壓控振蕩器才能輸出所需的信號，其相噪和雜散指標(biāo)好，功能強(qiáng)大，可進(jìn)行相位調(diào)制，除了能用于實現(xiàn)點頻和步進(jìn)頻信號外，還能用于實現(xiàn)線性調(diào)頻信號。

2 步進(jìn)頻率源參數(shù)設(shè)計

基于HMC703LP4E的寬帶步進(jìn)頻率源設(shè)計主要包括輸出信號頻率、參考頻率、鑒相頻率、濾波器的環(huán)路帶寬、相位噪聲、變頻時間和雜散抑制等參數(shù)的設(shè)計。根據(jù)所設(shè)計的雷達(dá)系統(tǒng)頻率變換需要，本文設(shè)計的步進(jìn)頻率源指標(biāo)如表1所示。

設(shè)計時，根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)所能提供的基準(zhǔn)頻率選擇參考頻率為1 00MHz，壓控振蕩器芯片選擇Hittite公司的HMC587LC4B，它是一款寬帶壓控振蕩器芯片，其輸出頻率范圍為5-10GHz，設(shè)計中采用二分頻器將其頻率范圍降到2.5GHz-5GHz，滿足雷達(dá)使用需求，二分頻器選擇Hittite公司的HMC361S8G。設(shè)計時采用有源濾波的方式進(jìn)行環(huán)路濾波，運算放大器選擇THS4031。選擇放大器SBB3089對輸出信號進(jìn)行放大，該放大器的增益在其工作帶寬內(nèi)比較平坦?；谧冾l時間和相位噪聲兩個指標(biāo)綜合考慮，本文設(shè)計的環(huán)路濾波帶寬為

200KHz，有源濾波器的電阻和電容連接如圖2所示，根據(jù)仿真計算和調(diào)試經(jīng)驗，得到有源濾波器上的電阻和電容參數(shù)為R1=520Ω， C1=2nF，C2=10nF。

3 步進(jìn)頻率源實現(xiàn)

3.1 步進(jìn)頻率源硬件實現(xiàn)

電路設(shè)計時，射頻電路和電源電路分開設(shè)計，放置在屏蔽盒的正反面，射頻電路設(shè)計時需考慮到阻抗匹配，選用電源芯片H MC976LP3、HMC860LP3和LT1965分別對鎖相環(huán)、VCO和運算放大器供電。

基于HMC703LP4E的寬帶步進(jìn)頻率源設(shè)計原理框圖如圖3所示。

3.2 步進(jìn)頻率源軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件設(shè)計完成后，需要軟件對HMC703LP4E進(jìn)行控制，因此設(shè)定控制方式為：上位機(jī)下發(fā)控制指令給主控FPGA，F(xiàn)PGA依照上位機(jī)的指令通過輸出不同的控制命令碼給芯片實現(xiàn)頻率控制。根據(jù)系統(tǒng)的工作方式，設(shè)定頻率輸出模式為點頻模式和步進(jìn)頻模式。點頻模式恒定輸出某一固定頻率信號，步進(jìn)頻模式則是根據(jù)設(shè)置好的起始頻率、步進(jìn)頻率和終止頻率輸出各頻率信號。

HMC703LP4E有兩種配置模式，HMC模式和OPEN模式，在芯片上電時確定其工作模式，之后按照該模式對其進(jìn)行配置。HMC配置模式的仿真時序如圖4和圖5所示，OPEN配置模式的仿真時序如圖6和圖7所示。

HMC703LP4E具有多種工作模式，包含Integer Mode，F(xiàn)ractional Mode，Exact Frequency Mode，F(xiàn)M Mode，PM Mode和Frequency Sweep Mode共7種模式。根據(jù)系統(tǒng)需要和控制的復(fù)雜程度，最終選擇Fractional Mode作為步進(jìn)頻模式的工作模式。在這種模式下，上位機(jī)分別下發(fā)頻率碼整數(shù)部分和分?jǐn)?shù)部分控制碼，底層FPGA對其進(jìn)行解碼后，按照相應(yīng)的時序控制HMC703LP4E輸出所需要的頻率。

4 性能測試

采用羅德與施瓦茨公司的信號與頻譜分析儀在實驗室對輸出信號的性能進(jìn)行測試，測試連接圖如圖8所示。測試相噪和雜散性能時選擇了中心頻率3.8GHz，其他頻點測試結(jié)果與其相差不大。圖9為頻率源變頻時間測試結(jié)果，由于儀器本身的限制，每次測試最多只能選取160MHz帶寬的信號。在測試時設(shè)置頻率步進(jìn)為1MHz，重復(fù)頻率為25KHz，即每隔40us進(jìn)行一次數(shù)據(jù)更新，圖9中Dwell Time加上Switching Time為重復(fù)頻率，Switching Time為變頻時間，此時間表示HMC703LP4E芯片中所有寄存器更新完畢后信號穩(wěn)定需要的時間，F(xiàn)PGA控制寬帶步進(jìn)頻率源時采用10MHz時鐘，一共需要更新64位數(shù)據(jù)，即寫寄存器的時間為6.4us，從圖9中可以看出完成一次變頻所需要的總時間小于10us。圖10為3.8GHz相噪測試結(jié)果，從圖10中可以看出3.8GHz信號在1KHz處的相噪為-97.72dBc/Hz@1KHz。圖11為3.8GHz信號的雜散，從圖11中可以看出其雜散小于-60dBc。以上測試結(jié)果都能符合指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文介紹了利用以HMC703LP4E頻率合成器芯片為核心，外加環(huán)路濾波器和壓控振蕩器的電路設(shè)計，采用FPGA進(jìn)行控制實現(xiàn)2.8GHz-4.8GHz寬帶步進(jìn)頻率源的設(shè)計過程和設(shè)計方法，給出了電路設(shè)計中的關(guān)鍵器件以及環(huán)路濾波器設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，通過對硬件電路的調(diào)試和性能優(yōu)化，實現(xiàn)了雷達(dá)系統(tǒng)所需的體積小，性能好的寬帶步進(jìn)頻率源。