一種X頻段鎖相頻率合成器的設計與實現

李 壘

（南京熊貓漢達科技有限公司衛星通信技術研究所，南京 210094）

0 引言

隨著近年來我國北斗導航系統的廣泛應用和推廣，對衛星通信終端的需求越來越多，小型化、低功耗、便于攜帶的衛通終端越來越得到客戶的青睞，而作為衛星通信系統中至關重要的頻率合成器技術也獲得了巨大的發展，各種頻帶更寬、集成度更高、性能更優的芯片器件也相繼廣泛出現。本文選用TI公司鎖頻芯片LMX2594設計了一款X波段輸出的鎖相頻率源。

設計要求：

（1）頻合器輸出11.5 GHz。

（2）相位噪聲 ＜-65 dBc@100 Hz，＜-75 dBc@

1 kHz，＜-85 dBc@10 kHz，＜-95 dBc@100 kHz。

（3）輸出電平 ≥5 dBm。

1 硬件選擇與實現

1.1 硬件選擇[1] [2]

LMX2594是TI公司最新推出的一款高性能寬帶頻率合成器，在不使用內部倍頻器情況下能輸出從10 MHz至15.4 GHz內的任意頻點，避免了倍頻導致的諧波或者分頻雜散的出現。此頻合器在實現非常低的帶內噪聲和抖動同時由于高速N分頻器沒有預分頻器，從而大大減少了雜散的振幅和數量，此外芯片內部還集成了一個可減輕整數邊界雜散的可編程輸入乘法器可以進一步減小雜散輸出。LMX2594具有多路輸出和延遲輸出功能；在輸出頻率為15 GHz時輸出功率電平可達7 dBm的；供電為常用的直流3.3 V，且內部集成了LDO從而節省了外部空間，在空間要求較高的場合具有顯著的優勢。

控制頻合器的單片機為ATMEL公司經典單片機系列的ATMAGE88PA芯片，該單片機性能穩定，應用廣泛，具有多路控制功能。可以進行通過片選對多路頻合器分別進行控制輸出。

1.2 系統結構原理[3]

如圖1所示，鎖相頻率合成器的原理框圖包括一個高度穩定的參考源，一個頻率合成器芯片LMX2594，一個單片機ATMAGE88PA和一個三階環路濾波器。參考源是由具有高穩定性的恒溫晶體振蕩器產生的10 MHz標準源，該源被放大器放大到接近飽和輸出然后利用二極管對取出10 MHz諧波50 MHz放大濾波獲得，利用三階鎖相環路電路良好的跟蹤特性，使內部壓控振蕩器的輸出頻率準確地穩定在參考頻率或某次諧波上。LMX2594內部參考電路配有預分頻器和倍頻器，可以根據輸出頻率的要求以及小數或整數分頻模式進行設置。本設計采用100 MHz鑒相整數分頻模式。在圖1中，fO為輸出頻率；fREF為參考頻率；fcom為輸出頻率分頻后的鑒相比較頻率。

圖1 LMX2594鎖相頻率合成器結構框圖

1.3 系統硬件實現

排版設計中根據TI公司的DEMO板電路對LMX2594芯片周圍濾波電容進行了空間上的優化，布局上供電腳的濾波電容盡可能的靠近芯片管腳，輸出頻率為11.5 GHz時的環路帶寬設置為50 kHz左右，選取三階無源環路濾波，另外為了方便單片機控制字的在線編寫可以焊接微型接插件在ATMEGA88其他的串口功能管腳上，這樣可以在線調試，節省調試時間。另外要注意為了防止電源、模擬信號和數字信號之間的串擾，需要在單片機和頻合器之間通信電路上增加合適的到地電容和串聯電阻。

2 系統軟件實現

圖2 TICS Pro軟件關鍵字計算界面設置

TI公司的輔助設計工具TICS Pro軟件[4]可以方便的計算出頻合器寄存器數組值，其界面設置如圖2所示，鑒相頻率設為100 MHz，電荷泵增益設為15 mA，輸出為VCO輸出模式，輸出頻率為11.5 GHz，可以直接導出關鍵字文件為.TEX的文件，因為設計目標為單頻點輸出，所以關鍵字數組中包含的有關跳頻相關數組寄存器等無關數組可以忽略不寫，最后相關的13組有效的關鍵字寄存器取值如下：

R46：0x2E07FD R45：0x2DC8DF R44：0x2C1FA3 R39：0x2703E8 R37：0x250404

R36：0x240073 R35 0x230004

R34：0x220000 R12：0x0C5001

R11：0x0B0018

R10：0x0A10D8 R9：0x091604

R0：0x00251C

3 模擬仿真

TI公司的仿真軟件PLLatinum Sim[5]可以對LMX2594進行相噪輸出仿真，具體設置如下：fosc為50MHz，fFPD為100 MHz，Kpd為 5 mA，FVCO為 11.5 GHz，Loop Bandwidth 為 56 kHz，Phase Magin為60°。圖3中黑色曲線為系統的相噪仿真 值 為：-90dBc@100Hz，-95dBc@1kHz，-97dBc@10 kHz，-100dBc@100kHz。環路電阻電容具體參數為：R2：22 Ω、R3：33 Ω、C1：33 nF、C2：470 nF、C3：2.2 nF。

圖3 模擬仿真曲線圖

4 實物測試

利用N9030A型頻譜儀（是德科技）對所設計的頻率源進行了實物測試，測試結果如圖4。其中圖4（a）為SPAN設置為20 GHz的遠端雜散測試曲線圖，可以看到無遠端諧波和雜散；圖4（b）SPAN設置為100 MHz的近端雜散測試曲線圖，可以看到雜散都在儀表噪聲以下，都小于-60 dBc；圖4（c）儀表自動測試模式下的相噪測試曲線，分別為為 -82 dBc@100 Hz、-86 dBc @1 kHz、-92 dBc @10 kHz、-98 dBc @100 kHz ；圖4（d）用校準后的功率計N1912A（是德科技）測試出輸出功率為8.58 dBm。所有指標都滿足設計要求。

因為LMX2594為寬帶頻合器，因此針對點頻源需求可以把環路帶寬改窄，實物測試發現窄帶環路可以有效地抑制一些直流DC-DC電源模塊開關頻率，另外芯片的鑒相泄露可以通過選取合適的鑒相頻率加以解決。

實際測試中還發現LMX2594對供電和參考的順序有一定的要求，即如果先給頻合器加電后加參考信號，會存在頻率鎖不住的情況，為解決這一問題，需要在硬件設計中增加單片機對頻合器的失鎖檢測腳進行判斷，一旦檢測到失鎖信號需要單片機RESET腳重置，然后重新寫一遍寄存器關鍵字值，即循環置數到頻合器，以減少芯片本身因加電順序造成的失鎖現象。

5 結束語

通信系統尤其是衛星通信對頻率源相位噪聲的要求較高，不僅要求本振源本身具有良好的相位噪聲指標，對本振源的供電和參考也有較高的要求。尤其是以10 MHz外參考的背景下要獲得X頻段的相位噪聲頻率源時需要較多的倍頻次數，同時設備的小型化要求收發信機結構緊湊，如何保證性能的前提下處理好電源對信號的干擾以及較小空間尺寸下收發之間的干擾也是一項嚴峻的挑戰，本文設計的頻率源空間尺寸小，可靠性高，具有一定的實際意義和應用價值。

圖4 實物測試結果曲線