基于LMX2594的K波段頻率源的設計與實現

成都信息工程大學 胡 格 王志鵬 文繼國

1 引言

頻率源是現代微波通信系統的重要功能單元，在收發射機、雷達、通信、電子對抗和檢測儀器等電子設備中被廣泛應用，它的性能直接影響整個通信系統的性能[1]。隨著雷達等信息技術的發展，對頻率源的穩定性、相位噪聲、雜散和體積等性能指標提出了越來越高的要求[2]。頻率源的設計方法有直接頻率合成、鎖相環頻率合成、直接數字頻率合成、PLL+DDS頻率合成[3-4]。本文所設計與實現的點頻源是通過采用鎖相環頻率合成技術產生一個點頻率然后放大再通過倍頻，最后濾波得到我們最終所需的信號。

圖1 LMX2594功能框圖

2 鎖相環的工作原理

LMX2594是德州儀器生產的一款較高性能的寬帶合成器，能產生10MHz至 15GHz 范圍內的任何頻率，其顯著特點是實現非常低的帶內噪聲和集成抖動。高速N分頻器沒有預分頻器，能夠有效減少雜散的數量和振幅。還有一個可減輕整數邊界雜散的可編程輸入乘法器。LMX2594可以是單端輸入輸出，也可以是差分輸入輸出。參考信號先由管腳 OSCINM 或 OSCINP 進入芯片，經過倍頻，R分頻器，然后再送到鑒相器。鑒相器的輸出經過電荷泵后由管腳CPOUT 輸出至外部的環路濾波器，濾波后再經過管腳VTUNE來控制VCO，VCO信號經過一個可編程的N分頻器來控制需要的頻率，最后通過RFOUT輸出。

外部控制信號通過CSB、SCK、SDI管腳以總線的形式寫進芯片內部寄存器；管腳MUXOUT不僅可以配置鎖定監控輸出，還可以輸出內部寄存器的值。圖1所示為LMX2594的功能框圖，從圖中可以清楚地看出該芯片的各個功能模塊。

該芯片的輸出為：

圖2 K波段點頻源方案框圖

圖3 環路濾波器

圖4 時序圖

式中：Fout為芯片的輸出功率；k為VCO的分頻系數，根據芯片規定，k為0.5是倍頻輸出，k為1是基頻輸出，分頻輸出k只能設定為2~62的偶數；Fvco為VCO的輸出頻率；Fpfd為鑒相器頻率；R為參考支路分頻系數；Nint為反饋支路分頻系數的整數部分；Nfrac為反饋支路分頻系數的小數部分[5]。

3 電路的設計與實現

我們設計的K波段PLL頻率源的方案框圖如圖2所示。

恒溫晶振輸出頻率為100MHz信號給鎖相環LMX2594作為參考頻率，LMX2594鎖相輸出11900MHz信號，信號先經過安華高公司生產的AMMC-5618放大器芯片放大后再進入倍頻電路。倍頻電路采用TriQuint公司提供的TGA4040倍頻器進行2倍頻，然后通過介質帶通濾波器提取我們所需的信號，最后輸出23800MHz信號。

3.1 參考頻率的選擇

參考頻率的選擇對頻率源系統來說是至關重要的，參考頻率的相噪和雜散越好，那么我們就會有較大的空間來選擇頻率合成方式和器件，輸出信號的相噪和雜散也會有一個好的指標。本設計主要從性能和成本方面考慮選擇溫補晶振或是恒溫晶振。我們參考LMX2594數據手冊，選取100MHz的有源晶振作為參考頻率。

3.2 環路濾波器的設計

環路濾波器是鎖相環電路中的一個重要組成部分，其鎖相輸出信號的相位噪聲、雜散以及鎖定時間與環路濾波器有著密切的關系。環路濾波器一般是線性電路，由運算放大器，線性元件電容以及電阻組成。本文采用TI公司的PLLatinum Sim軟件設計出四階無源環路濾波器，如圖3所示，環路濾波器電路兩端分別接CPOUT管腳和VTUNE管腳。

3.3 電源的設計

由鎖相環芯片LMX2594的數據手冊知該芯片采用單個3.3V電源供電。為了實現更好的性能指標，本設計電源采取模電和數電分開供電的方式來提高電路的抗干擾性能，將Charge pump supply、VCO supply和digital supply分別分開供電，單片機供電與digital supply共用一個電源腳。供電方式采取二級穩壓，穩壓芯片分別為TPS62130和HMC1060。電源提供+15V電壓，經過TPS62130輸出+5.3V電壓，+5.3V電壓經過HMC1060輸出3個+3.3V電壓，分別供給LMX2594和C8051F330使用。

3.4 軟件的設計

LMX2594共有113個寄存器。其中包括整數分頻比寄存器、小數分頻比寄存器、鎖定監測、輸出功率設定寄存器和VCO校準寄存器等。通過SPI編程控制LMX2594內部寄存器和監視芯片內部的工作狀態。本設計選用的單片機是Silicon公司的C8051F330，該單片機體積小，功能齊全。

數據寫入是通過SPI總線的形式，寄存器的配置是通過SCK、SDI、CSB三個引腳，時序圖如圖4所示。

SCK是來自單片機的時鐘信號，SCK第一個上升沿，SDI為高電平即開始寫，CSB為寫使能，低電平有效。SDI先輸入6位寄存器地址信號，再輸入16位數據，該16位數據就是對應地址寄存器的值，在每一個時鐘上升沿數據被送入芯片，高位先進[6]。

本設計軟件部分采用C語言編寫，編譯環境是KEIL uvision4，編譯后通過下載器USB Debug Adapter下載到單片機執行。

4 整機測試

本文采用Agilent E4446A頻譜儀對該頻率源的相噪和雜散進行了測試[7]。利用LMX2594產生11.9GHz的信號源，放大倍頻后得到23.8GHz的信號源。相噪測試結果如圖5、圖6所示。圖7為功率測試結果。圖8為23.8GHz點頻源的雜散。圖9為點頻源的實物圖。

圖5 1KHz相噪

圖6 10KHz相噪

圖7 23.8GHz功率

圖8 23.8GHz雜散

圖5顯示的是偏離載波1KHz時該點頻源的相噪為-91dBc/Hz；圖6顯示的是偏離載波10KHz時該點頻源的相噪為-97dBc/Hz；圖7顯示的是該點頻源的功率為12dBm；圖8顯示的是該點頻源的雜散為-65dBc；圖9是該點頻源的實物圖。

圖9 點頻源實物圖