单片频率合成器的功能和应用设计方案

李晋,刘光祜 发表于 2020-08-05 11:41:21 收藏 已收藏
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单片频率合成器的功能和应用设计方案

李晋,刘光祜 发表于 2020-08-05 11:41:21
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微波频率源是微波通信、微波测量及雷达技术中的重要部件,其相噪性能和杂散性能直接影响到系统的性能和可靠性。因此,寻求更低相位噪声、更高纯度频谱和更高稳定度的频率源成为目前发展的主要趋势。

l 系统主要指标及方案

1.1 系统的主要指标

输出频率范围:4 428~5 220 MHz;步进频率:36 MHz;相位噪声:≤一100 dBc/

单片频率合成器的功能和应用设计方案

(3)由于对输出在4 000~4 200 MHz带内的杂散要求比较苛刻,而最佳辅环点频为4 140 MHz,在腔体体积一定下,很难达到一70 dBc指标,故权衡辅环相噪的恶化程度,选择4 320 MHz作为辅环。

(4)为了防止辅环点频4 320 MHz作为杂散耦合到输出端,故采用功分器和将主环信号4 428~5 220 MHz通过两级放大作为混频器的本振,辅环4 320 MHz点频作为混频器的RF端。该方案选用36 MHz的低相噪恒温晶振作为两个环路的参考源,主环和辅环均选用HITTTITE公司的超低相噪模拟锁相环芯片HMC440,改善系统的相噪性能。辅环参考频率为36 MHz,输出4 320 MHz频点;主环参考频率为36 MHz,输出频率为4 428~5 220 MHz。经定向耦合器后再与辅环输出的频点混频到108~900 MHz,返回到主环鉴相器与参考频率做比较。所有的控制都由单片机来完成,根据外部数据的输入(BCD码)来进行相应的频率输出。

2 电路实现

在设计单片频率合成器的时候,最主要的工作就是设计频率合成器的环路带宽,使得频率合成器指标在相位噪声、杂散、调频速度和稳定性上等方面达到兼顾,实现最佳的综合性能。

2.1 最佳环路带宽

由于本项目没有要求跳频速度,所以环路带宽采用最佳带宽设计,使得相位噪声尽可能的好。频率合成器的输出噪声如下:

式中Llp(jw)为锁相环芯片的噪声,Lvco(jw)为VCO的相位噪声,Hn(jw)是被N规一化的环路滤波器的传递函数。由上式可以看出环路对带内噪声源呈低通过滤,故希望将环路带宽fc越低越好;但环路对VCO呈高通过滤,又希望环路越宽越好。为了兼顾这一对矛盾,参考图2能够使两种相位噪声都得到合理的抑制,可以选择环路带宽fc在两噪声源谱密度线的交叉点附近总是比较接近于最佳状态的。但是考虑晶振噪声要恶化20log(N/R),所以实际带宽要略小一些。

2.2 主辅环电路设计

理论估算带内相噪估算公式(不考虑晶振的相噪):

辅环的频率相对要高点,为了使系统混频后噪声不恶化,获得较低的相位噪声,这里选用HMC440鉴相芯片,该芯片属于模拟鉴相器,由HMC440技术资料上给出的一153 dBc/

由HMC440可推出锁相环芯片相噪为一233 dBe/Hz,由上面式(2)可推出:

其中Kd是鉴相器的鉴相灵敏度,这里HMC440的Kd是0.286 V/rad,Kψ是VCO的压控灵敏度(rad/V),N是锁相环的倍频倍数。阻尼系数ξ为兼顾滤波器的过冲和衰减取0.707~1之间的一个值即可。这样只要C2取定一个值,就可以同时确定R1,R2。C1的引入主要为滤去鉴相器产生的谐波,其引入的极点应远离主极点,即这样环路滤波器就完全确定了。

3 硬件及实测数据

出于成本方面的考虑,主环的VCO需要输出两个范围频率:4 428~4716 MHz和4 752~5 220 MHz,采用两个VCO用开关进行切换。另外考虑到VCO间的相互影响,可能产生许多杂散,本设计采用VCO断电方式,保证在任一时间,只有一个VCO工作,这样避免了他们之间的相互影响。

混频采用HMC218LP3无源混频器,由于是无源的,要求本振功率比较大,所以主环输出要经过两级放大器HMC3llLP3。在调试过程中发现,由于放大器的非线性,使本振的谐波分量增大,所以第二级放大器放大到10 dBm左右驱动HMC218LP3的LO本振端,避免放大器进入饱和状态。另外对辅环的点频4 320 MHz,通过调试当到达HMC218LP3的RF端口信号为一7 dBm左右时取得较佳的杂散和相噪指标。

相位噪声,杂散抑制,谐波抑制和输出功率均采用惠普公司的频谱分析仪HP8564E测量,在系统切换VCO最差相噪点5 220 MHz处相位噪声可以达到一104.5 dBc/

4 结语

本文给出了C波段宽带低噪声频率源的一种方案,用主环驱动本振,试验测试数据表明此方案可行。相信经过认真设计,调试,完全可以达到预期目标。

责任编辑:gt

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