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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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，d<m，m為小數(shù)雜散階數(shù)，大于四階的小數(shù)雜散已經(jīng)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；
    (6)體積?。?4引腳4×4mm SMT封裝。
3．2 環(huán)路濾波器的設計
    環(huán)路濾波器設計是鎖相環(huán)設計的關鍵部分。環(huán)路濾波器處于鑒相器和VCO之間，可以濾除來自晶振的噪聲，鑒相器本身的輸出噪聲和載頻分量，濾除雜散，還可以濾除來自VCO的噪聲，但最重要的是建立起環(huán)路的動態(tài)特性。
    濾波器設計時帶寬需要折中考慮。帶寬小，呵降低近端相噪，環(huán)路鎖定時間長。帶寬大，環(huán)路鎖定時間短，但會引入?yún)⒖茧s散。本設計借助于Hittite PLL Design設計濾波器。該軟件是Hittite公司推出的鎖相環(huán)輔助設計軟件，可以仿真鎖相環(huán)的相噪特性、環(huán)路特性等?？赏ㄟ^修改環(huán)路帶寬、相位裕量、零極點等來修改各參數(shù)值。本系統(tǒng)采用四階有源濾波器。電路如圖2所示。

    其中Cb=100 nF；Rb1=Rb2=1 kΩ；C1=150 pF；C2=3．3 nF，R2=510 Ω，C3=68 pF；R3=510 Ω，C4=15 pF；R4=1．5 kΩ。此時的環(huán)路帶寬280 kHz，相位裕度為60°。
3．3 電路設計與軟件實現(xiàn)
    本跳頻源輸出X波段頻率，電路基板采用ROGERS 4350B (介電常數(shù)3．48，厚度0．508 mm)，各部分電路必須具有良好隔離和屏蔽。整個電路放在鋁腔體中，以保證內部和外部的電磁隔離。腔體分為上下兩層。鎖相環(huán)電路放在上層。電源板和控制電路放在下層。為了獲得好的相噪指標，對系統(tǒng)的供電設計要特別注意。系統(tǒng)供電包括+15V、+5 V和+3．3 V。+15 V、+5 V由電源板經(jīng)過濾波后直接給鎖相環(huán)電路供電。+3.3 V由+5 V經(jīng)LDO產(chǎn)生。各+5 V電源之間用磁珠進行隔離，各+3．3 V電源間也果用磁珠進行隔離。
    HMC704寄存器較多，配置起來比較復雜，是設計難點之一。我們采用Altera公司的FPCAEP1C3T14417對HMC704進行配置。通過SPI串口用開放模式配置，可以減少配置時間，進一步減小跳頻時間。利用SCLK上升沿將數(shù)據(jù)、寄存器地址、芯片地址碼依次通過SDI送給PLL內部的移位寄存器后，令SEN變?yōu)楦唠娖綄⒁莆患拇嫫髦械臄?shù)據(jù)所存至相應鎖存器中，鎖相環(huán)進入相應頻率鎖定過程。跳頻時，改變頻點只用改變N整數(shù)寄存器和N小數(shù)寄存器即可。

4 測試結果與結論
    采用Agilent頻譜儀N9030A和信號源分析儀E5052B分別對該跳頻源的雜散、相噪和跳頻時間進行測試。相位噪聲測試曲線如圖3所示，測試頻率為10．47 GHz，相噪指標為-96dBc／Hz@1kHz；雜散測試如圖4、圖5所示，測試頻率為10．44 GHz，圖4為近端雜散、圖5為遠端雜散。雜散優(yōu)于-70dBc。跳頻時間測試的是9．9 GHz到10．93 GHz的跳頻時間，約為36 μs。

    該跳頻源高于指標要求，體積為60x40×19mm3，且性能穩(wěn)定可靠。該設計方案可應用于同類型的頻率頻率源設計。