12.17 GHz - 13.33 GHz MMIC VCO：HMC1167的详细解析

在微波电路设计中，电压控制振荡器（VCO）是非常关键的组件，它能为系统提供可调的频率信号。今天我们要深入了解的是Analog Devices公司的HMC1167，一款12.17 GHz至13.33 GHz的MMIC VCO，它具备半频输出等特性，在众多领域都有广泛应用。

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一、HMC1167的特性

1. 频率范围

HMC1167具有双输出频率范围，主输出频率（fOUT）为12.17 GHz至13.33 GHz，半频输出（fOUT/2）为6.085 GHz至6.665 GHz。这种双输出设计为系统设计提供了更多的灵活性。

2. 输出功率

输出功率（POUT）典型值为10.5 dBm，能够满足大多数应用场景对信号强度的要求。

3. 相位噪声

单边带（SSB）相位噪声在100 kHz偏移处为 -113 dBc/Hz，低相位噪声特性有助于提高系统的信号质量和稳定性。

4. 无需外部谐振器

该VCO集成了谐振器、负阻器件和变容二极管，无需外部谐振器，简化了电路设计。

5. 封装

采用5 mm × 5 mm、32引脚的LFCSP封装，符合RoHS标准，封装面积仅25 mm²，有利于实现小型化设计。

二、应用领域

1. 点对点和多点无线电

在无线通信领域，HMC1167可作为本地振荡器（LO），为通信系统提供稳定的频率源，支持高速数据传输。

2. 测试设备和工业控制

在测试测量设备中，其高精度和稳定性能够满足对信号频率和相位的精确要求；在工业控制领域，可用于实现精确的频率控制和信号调制。

3. 甚小口径终端（VSATs）

VSAT系统需要高性能的VCO来实现卫星通信，HMC1167的低相位噪声和宽频率范围使其成为理想选择。

三、工作原理

1. 频率控制

HMC1167是一个自由运行的电压控制频率源，通过向VTUNE端口施加可变的调谐电压来控制输出频率。当VTUNE电压从最低值变化到最高值时，VCO输出频率从最低工作频率增加到最高工作频率，从而实现频率的可调性。

2. 频率灵敏度

VCO的频率灵敏度（MHz/V）并非恒定值，在整个可调范围内会发生变化。为了实现低相位噪声操作，VTUNE端口应使用低噪声电压源驱动，因为VTUNE端口上的过多噪声会导致相位噪声性能变差。

3. 电源要求

为了获得最佳的VCO相位噪声性能，VCC偏置应使用低噪声电源。因为VCO输出频率会随着VCC偏置电压的微小变化而改变（推频效应），VCC偏置引脚上的噪声会导致相位噪声增加。

4. 半频输出

内部RF输出频率由倍频电路产生，因此会在RFOUT频率的一半处产生一个低电平的输出信号（RFOUT/2）。如果需要，可以在客户应用板上使用滤波器进一步过滤这个不需要的杂散信号。RFOUT/2端口通常用于驱动锁相环（PLL）/合成器，以对HMC1167的输出进行锁相。

5. 输出匹配

HMC1167的RFOUT端口集成了一个内部缓冲放大器，用于提供良好的输出匹配。该缓冲放大器还能将VCO核心与输出负载隔离，最小化输出负载阻抗变化对VCO频率的影响（牵引效应）。

四、规格参数

1. 频率参数

参数	最小值	典型值	最大值	单位	测试条件/注释
输出频率（fOUT）	12.17	-	13.33	GHz	-
半输出频率（fOUT/2）	6.085	-	6.665	GHz	-
漂移率	-	-	1.2	MHz/°C	-
牵引/推频	2	-	2	MHz p-p / MHz/V	拉入2.0:1电压驻波比（VSWR），VTUNE = 5 V

2. 输出功率

参数	最小值	典型值	最大值	单位
RFOUT	7	10.5	15	dBm
RFOUT/2	-1	+4	+8	dBm

3. 电源电流

VCC电压	电源电流（ICC）
4.75 V	175 mA
5.00 V	200 - 250 mA
5.25 V	220 mA

4. 谐波和次谐波

谐波类型	数值	单位
3/2次谐波	39	dBc
1/2次谐波	31	dBc
二次谐波	20	dBc
三次谐波	26	dBc

5. 调谐参数

参数	最小值	典型值	最大值	单位	测试条件/注释
调谐电压（VTUNE）	2	-	13	V	-
灵敏度	75	-	350	MHz/V	-
调谐端口泄漏电流	-	-	10	μA	VTUNE = 13 V

6. 输出回波损耗

输出回波损耗为2 dB。

7. 单边带相位噪声

偏移频率	最小值	典型值	最大值	单位
10 kHz	-110	-	-86	dBc/Hz
100 kHz	-113	-	-82	dBc/Hz

五、绝对最大额定值

参数	额定值
VCC	5.5 V dc
VTUNE	0 V to 15 V
工作温度范围	-40°C to +85°C
存储温度范围	-65°C to +150°C
标称结温（保持100万小时平均无故障时间（MTTF））	135°C
标称结温（TA = 85°C）	116°C
最大回流温度（MSL3等级）	260°C
热阻（结到接地焊盘）	29°C/W
ESD灵敏度（人体模型（HBM））	300 V（1A类）
ESD灵敏度（场感应充电设备模型（FICDM））	300 V（II类）

六、引脚配置和功能描述

1. 引脚配置

HMC1167采用32引脚的LFCSP封装，部分引脚为NC（无连接），但这些引脚可以连接到RF/DC地而不影响器件性能。封装底部有一个暴露的金属焊盘，必须连接到RF/DC地。

2. 引脚功能

引脚编号	助记符	描述
1 - 4, 6 - 10, 13 - 18, 20, 22 - 28, 30 - 32	NC	无连接，但可连接到RF/DC地
5, 11	GND	接地，必须连接到RF/DC地
12	RFOUT/2	半频输出，交流耦合
19	RFOUT	RF输出，交流耦合
21	VCC	电源电压（5 V）
29	VTUNE EP	控制电压和调制输入，调制带宽取决于驱动源阻抗；暴露焊盘，封装底部的暴露金属焊盘必须连接到RF/DC地

七、典型性能特性

1. 输出频率与调谐电压关系

在不同温度下（-40°C、+25°C、+85°C），输出频率随调谐电压的变化呈现一定的规律。随着调谐电压的增加，输出频率升高。

2. 电源电流与调谐电压关系

电源电流也会随着调谐电压的变化而变化，不同温度下的变化趋势有所不同。

3. 输出功率与调谐电压关系

输出功率在不同温度和调谐电压下也有相应的变化，工程师可以根据实际需求选择合适的调谐电压来获得所需的输出功率。

4. 灵敏度与调谐电压关系

灵敏度（MHz/V）在调谐电压变化时并非恒定，在不同温度下也有所差异。

5. 单边带相位噪声与调谐电压和偏移频率关系

单边带相位噪声与调谐电压和偏移频率密切相关，在不同的调谐电压和偏移频率下，相位噪声的表现不同。在设计中，需要根据具体要求选择合适的调谐电压和偏移频率，以满足系统对相位噪声的要求。

八、评估印刷电路板（PCB）

评估PCB采用RF电路设计技术，确保信号线具有50 Ω阻抗，并且封装接地引脚和背面接地焊盘直接连接到接地平面。使用足够数量的过孔连接顶层和底层接地平面。该评估电路板可向Analog Devices公司申请获得。

九、物料清单

评估板EV1HMC1167LP5的物料清单包括PCB安装的SMA RF连接器、直流接头、不同容值的电容器以及HMC1167 VCO等。

十、封装和订购信息

1. 封装尺寸

采用32引脚的LFCSP封装，尺寸为5 mm × 5 mm，封装高度为0.90 mm，符合JEDEC标准MO - 220 - VHHD - 4。

2. 订购指南

型号	温度范围	MSL等级	封装描述	封装选项	数量	品牌标识
HMC1167LP5E	-40°C to +85°C	MSL3	32引脚LFCSP	HCP - 32 - 3	500	H1167
HMC1167LP5ETR	-40°C to +85°C	MSL3	32引脚LFCSP，7”卷带包装	HCP - 32 - 3	-	H1167
EV1HMC1167LP5	-	-	评估板	-	-	-

HMC1167是一款性能优异的MMIC VCO，具有宽频率范围、低相位噪声、高输出功率等优点，适用于多种微波应用场景。在设计过程中，工程师需要根据具体需求，合理选择工作参数，注意电源和接地设计，以充分发挥HMC1167的性能。大家在实际应用中遇到过哪些关于VCO的问题呢？欢迎在评论区分享交流。