小型化寬帶細(xì)步進(jìn)頻率合成器設(shè)計(jì)

王文凱

（西南電子技術(shù)研究所，四川成都 610036）

在超外差體制通信偵察系統(tǒng)中，寬頻帶、細(xì)步進(jìn)、低雜散頻率合成器在系統(tǒng)應(yīng)用中是必不可少的組成部分，得到了廣泛應(yīng)用并被提出了越來越高的要求。在通常的多環(huán)設(shè)計(jì)方案中，DDS+PLL 的實(shí)現(xiàn)方案得到了廣泛應(yīng)用，其中DDS 提供細(xì)步進(jìn)頻率，與PLL 產(chǎn)生的寬帶信號進(jìn)行混頻，經(jīng)過濾波后輸出，以實(shí)現(xiàn)寬帶細(xì)步進(jìn)頻率合成器的設(shè)計(jì)。該方案通常需要3 個(gè)甚至3 個(gè)以上鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化設(shè)計(jì)，且由于DDS 自身功耗高而導(dǎo)致系統(tǒng)功耗較大[1-3]。故文中提出了一種通過改變副環(huán)輸出頻率作為主環(huán)的參考信號，通過使用鑒相頻率原理環(huán)路帶寬轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并合理避開Delta-sigrma產(chǎn)生小數(shù)雜散的雙環(huán)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)小型化、寬頻帶、細(xì)步進(jìn)頻率合成器的設(shè)計(jì)[4-5]。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 單環(huán)PLL頻率合成器

基本的單環(huán)頻率合成器（PLL）由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）、壓控振蕩器（VCO）和反饋可變分頻器（需要時(shí)）4 部分組成，單環(huán)頻率合成器基本原理框圖如圖1 所示[6]。其中，可變分頻器通常集成在鑒相器芯片中，可通過程序根據(jù)需要控制其分頻比，但當(dāng)壓控振蕩器反饋頻率高于鑒相器最高工作頻率時(shí)，需要外置分頻器以使反饋頻率滿足鑒相器最高工作要求，以使鑒相器正常鑒相。PLL 系統(tǒng)為一個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，PLL 的帶內(nèi)相位噪聲計(jì)算公式如下：

其中，PNfloor為PLL 最終輸出相位噪聲，F(xiàn)loorFOM為鑒相器歸一化噪底，fpd為鑒相頻率，單位為Hz，N=fvco/fpd為分頻比，fvco為VCO 輸出頻率。

圖1 單環(huán)PLL原理框圖

單環(huán)PLL 為了降低頻率最小步進(jìn)，提高頻率分辨率，只有通過降低鑒相頻率實(shí)現(xiàn)。通常環(huán)路帶寬要求取到鑒相頻率的1/10～1/20，故環(huán)路帶寬變窄，能夠?qū)﹄s散抑制起到更好的抑制作用；但由于環(huán)路帶寬過窄，因此大大延長了系統(tǒng)的跳頻時(shí)間，同時(shí)提高了分頻比N。由式（1）可知，N數(shù)變大，相位噪聲被嚴(yán)重惡化。可以看出，單環(huán)PLL 頻率分辨率、雜散抑制、跳頻時(shí)間與相位噪聲等技術(shù)指標(biāo)是相互制約的。

1.2 雙環(huán)PLL頻率合成器

雙環(huán)PLL 頻率合成器[7]有多種實(shí)現(xiàn)形式，其中比較常用的有DDS+PLL 組合和PLL+PLL 組合，其中PLL+PLL 雙環(huán)組合具有功耗低、體積小、重量輕和頻率分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。文中方案選用的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)即為PLL+PLL 雙環(huán)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)思想是，副環(huán)采用集成鎖相芯片HMC835LP6GE[8-9]，該芯片是HITTITE 公司推出的一款新型的頻率合成芯片，包含除環(huán)路濾波器外的獨(dú)立PLL、可變輸出分頻器（1,2,4…,60,62），既可以實(shí)現(xiàn)整數(shù)鎖相功能，也可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)鎖相功能，具有優(yōu)異的相噪指標(biāo)；主環(huán)采用基于鑒相器HMC704LP4E 的常規(guī)單環(huán)設(shè)計(jì)，該器件采用SiGe biCMO 結(jié)構(gòu)，集成了一個(gè)低噪聲數(shù)字鑒相器，可精確控制電荷泵、參考分頻器R、可編程分頻器N，是一款低噪聲小數(shù)分頻芯片；HMC704LP4E 的最高工作頻率高達(dá)8 GHz，具有整數(shù)和小數(shù)兩種工作模式。

2 雙環(huán)PLL頻率合成器設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

由于某機(jī)載工程項(xiàng)目需要完成一高性能小型化寬帶細(xì)步進(jìn)頻率合成器，下面以該工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程和方法為例，介紹基于PLL+PLL 雙環(huán)鎖相環(huán)技術(shù)設(shè)計(jì)的工作原理和最終產(chǎn)品性能。

該工程實(shí)例的主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：

輸出頻率：3.7～6.8 GHz；

輸出電平：16 dBm±2 dB；

跳頻步進(jìn)：1 MHz；

跳頻時(shí)間：小于等于200 μs；

雜散抑制：小于等于-70 dBc；

相位噪聲：小于等于-100 dBc/Hz@10 kHz。

2.2 設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過方案對比，為了同時(shí)滿足細(xì)步進(jìn)、低雜散、低相位噪聲和小型化、輕量化的設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目采用雙環(huán)PLL 頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)，工作原理如圖2 所示。

圖2 雙環(huán)PLL頻率合成器工作原理圖

由雙環(huán)PLL 頻率合成器組成的電路結(jié)構(gòu)可以看出，該方案采用雙環(huán)小數(shù)PLL 頻率合成方案，兩個(gè)環(huán)路均采用小數(shù)PLL。副環(huán)利用外部輸入100 MHz的參考信號鎖相到該器件的輸出頻率3 500 MHz/3 900 MHz 兩個(gè)頻點(diǎn)，然后通過器件內(nèi)部可編程分頻器對上述兩個(gè)頻率進(jìn)行編程分頻作為副環(huán)最終輸出頻率，選擇3 個(gè)70 MHz 左右、有一定頻率間隔的頻點(diǎn)作為輸出頻率，分別為3 500/48=72.916 MHz，3 500/50=70 MHz，和3 900/54=72.222 MHz；輸出信號經(jīng)過五階LC 濾波器濾除其輸出諧波，以免由于進(jìn)去主環(huán)鑒相器的諧波無法達(dá)到其對該指標(biāo)要求而導(dǎo)致系統(tǒng)低溫失鎖；主環(huán)以副環(huán)的輸出頻率作為主環(huán)的參考頻率，在避免雜散的同時(shí)提高相位噪聲，最終實(shí)現(xiàn)小型化寬帶細(xì)步進(jìn)頻率合成器。

該雙環(huán)PLL 方案的主要優(yōu)點(diǎn)是利用副環(huán)輸出的3 個(gè)不同鑒相頻率作為主環(huán)參考信號，使小數(shù)工作模式產(chǎn)生的雜散信號落在環(huán)路帶寬以外，由于環(huán)路濾波器具有低通特性，故能有效抑制雜散信號。另外，相比于100 MHz 參考信號直接2 分頻得到50 MHz 的鑒相頻率，該方案副環(huán)為主環(huán)提供了更高的鑒相頻率，使得N值減小，根據(jù)式（1）可知，N數(shù)減小，能夠有效改善相位噪聲指標(biāo)。

鎖相環(huán)的相位噪聲主要由晶振倍頻后相位噪聲輸出和鑒相器噪底倍頻后的相位噪聲輸出的較差值決定。由于系統(tǒng)提供的晶振水平高于正常水平，故該雙環(huán)PLL 頻率合成器相位噪聲由鑒相器噪底倍頻后的相位噪聲決定。該方案所選用鑒相器HMC704 LP4E 的歸一化噪聲基底為-233 dBc/Hz，經(jīng)過分析計(jì)算，該雙環(huán)PLL 頻率綜合器在以副環(huán)輸出62.5 MHz作為主環(huán)鑒相頻率，輸出6 800 MHz 時(shí)相位噪聲指標(biāo)最差。輸出相位噪聲為：-233+20lg（6 800/72.222）+10lg（7.222 2×107）=-106 dBc/Hz@10 kHz。考慮閃爍噪聲和電路中其他器件熱噪聲以及工程實(shí)現(xiàn)性，實(shí)際信號相位噪聲輸出滿足-100 dBc/Hz@10 kHz 技術(shù)指標(biāo)要求。

3 雙環(huán)PLL 頻率合成器的電路設(shè)計(jì)與仿真

3.1 副環(huán)電路設(shè)計(jì)

由于HMC835LP6GE 為內(nèi)部集成鑒相器和壓控振蕩器的高度集成芯片，因此只需要在外圍增加環(huán)路濾波器即可形成完整的鎖相環(huán)單環(huán)電路。

該方案環(huán)路帶寬選取400 kHz 左右，副環(huán)參數(shù)仿真結(jié)果如圖3 所示。由于3 500 MHz/3 900 MHz 這兩個(gè)頻點(diǎn)分別在內(nèi)部兩段壓控振蕩器中，該環(huán)路帶寬可以減小兩點(diǎn)的調(diào)頻跳頻時(shí)間，總跳頻時(shí)間為分段壓控振蕩器選段時(shí)間50～60 μs 加上鎖相環(huán)跳頻時(shí)間約30 μs，總時(shí)間為80～90 μs。

圖3 副環(huán)參數(shù)仿真結(jié)果

副環(huán)相位噪聲結(jié)果如圖4 所示，由于分頻會(huì)對相位噪聲優(yōu)化，優(yōu)化值為20*lg(3 500/48)-34 dB，故副環(huán)最后輸出相位噪聲約為-144 dBc/Hz@10 kHz，基本與恒溫晶振輸出水平相當(dāng)，對雙環(huán)PLL 的最終相位噪聲輸出沒有影響[10]。

圖4 副環(huán)相位噪聲結(jié)果

3.2 主環(huán)電路設(shè)計(jì)

主環(huán)選取HMC704LP4E 作為鑒相器[11-12]，采用常規(guī)單環(huán)鎖相環(huán)技術(shù)，由于副環(huán)輸出的3 個(gè)頻點(diǎn)相差不大，故可按中間頻點(diǎn)72.222 MHz 作為參考輸入頻率進(jìn)行環(huán)路電路設(shè)計(jì)。由于主環(huán)壓控振蕩器采用中電13 所寬帶小型化產(chǎn)品HEV3768-1，該器件體積只有5×7×1.8 mm3，該定制化器件性能指標(biāo)可達(dá)到國際先進(jìn)水平且不需要內(nèi)部分段，電調(diào)電壓僅需要18 V 即可滿足全頻段覆蓋。由于需要提高電調(diào)電壓范圍，所以文中方案采用有源濾波器設(shè)計(jì)，環(huán)路帶寬約取400 kHz 左右，主環(huán)參數(shù)仿真結(jié)果如圖5 所示。由于不需要進(jìn)行壓控振蕩器選段，因此跳頻時(shí)間僅為單環(huán)自身完成跳頻鎖定時(shí)間，約35 μs 左右。

由于總跳頻時(shí)間為副環(huán)環(huán)路跳頻時(shí)間+主環(huán)環(huán)路跳頻時(shí)間+單片機(jī)軟件解析時(shí)間，因此,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單片機(jī)時(shí)鐘頻率選取4 MHz，軟件解釋時(shí)間約為20 μs，故總跳頻時(shí)間約為90+35+20=145 μs。

該雙環(huán)頻率合成器最終相位噪聲仿真曲線如圖6 所示，由曲線可以看出，仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致，約為-106 dBc/Hz@10 kHz。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 主環(huán)參數(shù)仿真結(jié)果

圖6 相位噪聲仿真曲線

在單環(huán)設(shè)計(jì)中，由于腔體內(nèi)部頻率較少，故對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求不高；但在該方案中，由于采用了雙環(huán)設(shè)計(jì)，該頻率合成器中含有兩個(gè)環(huán)路，因此所包含的頻率較多，內(nèi)部具有100 MHz 參考信號及其多次諧波分量、副環(huán)基本頻率、經(jīng)過內(nèi)部可編程分頻器輸出的分頻輸出頻率，還有主環(huán)輸出頻率等多種頻率。如果布局不合理，則會(huì)導(dǎo)致不同信號之間串?dāng)_，在空間進(jìn)行耦合、交調(diào)，從而產(chǎn)生雜散信號。該雙環(huán)PLL 頻率合成器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，為了達(dá)到更好的雜散抑制指標(biāo)，對主環(huán)和副環(huán)電路要進(jìn)行完全隔離，并使副環(huán)在印制板上的位置盡量遠(yuǎn)離主環(huán)，以保證副環(huán)輸出頻率不與最終輸出頻率在空間交調(diào)進(jìn)而產(chǎn)生雜散信號。另外，在副環(huán)輸出端增加LC 低通濾波器，除對副環(huán)輸出頻率濾波外也對參考信號100 MHz多次諧波進(jìn)行濾波，從而減少頻率在路上耦合交調(diào)產(chǎn)生雜散信號。該雙環(huán)頻率合成器最終內(nèi)部電路布局結(jié)構(gòu)如圖7 所示，最終結(jié)構(gòu)尺寸為60×36×8.5 mm3，達(dá)到了小型化設(shè)計(jì)要求。

圖7 內(nèi)部布局圖

4 電路調(diào)試與測試結(jié)果

鑒于前期對技術(shù)指標(biāo)考慮充分，設(shè)計(jì)方案合理，仿真準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)布局考慮充分，實(shí)現(xiàn)可行性高，相位噪聲能夠很好地滿足技術(shù)指標(biāo)要求，全頻段優(yōu)于-105 dBc/Hz@10 kHz。在相位噪聲最差輸出點(diǎn)為6 800 MHz，測試曲線如圖8 所示。

圖8 相位噪聲測試曲線

主環(huán)的參考信號為3 個(gè)不同頻點(diǎn)，在調(diào)試時(shí)應(yīng)避免小數(shù)雜散落入環(huán)路帶寬以內(nèi)從而產(chǎn)生雜散信號，影響輸出指標(biāo)，對主環(huán)參考信號的選擇是調(diào)試的難點(diǎn)和重點(diǎn)[13-14]。為了減小調(diào)試量，采取用單片機(jī)編程對易產(chǎn)生雜散的頻點(diǎn)進(jìn)行掃描測試，主要集中在參考信號整數(shù)倍偏移1 MHz 處和鑒相頻率整數(shù)倍偏移1 MHz 處，同時(shí)在算法上對輸出頻率與3 個(gè)頻點(diǎn)鑒相頻率整數(shù)倍進(jìn)行比較[15-16]，選擇相差最遠(yuǎn)的一個(gè)副環(huán)輸出頻點(diǎn)作為參考頻率，使小數(shù)交調(diào)雜散盡可能遠(yuǎn)離主頻信號，環(huán)路濾波器能更好地起到抑制作用，從而保證整個(gè)頻帶內(nèi)雜散抑制滿足70 dBc 的技術(shù)指標(biāo)要求。雜散抑制測試曲線如圖9 所示。

圖9 雜散抑制測試曲線

通過不斷測試和改進(jìn)，該頻率合成器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)最終測試結(jié)果如表1所示，均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表1 頻率合成器測試結(jié)果

5 結(jié)論

文中詳細(xì)論述了通過雙環(huán)PLL 頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)小型化、寬頻帶、細(xì)步進(jìn)、輕量化高性能頻率合成器，在實(shí)現(xiàn)≤-70 dBc 的低雜散要求的同時(shí)，相位噪聲可達(dá)-105 dBc/Hz@10 kHz，且體積只有60×38×8.5 mm3，達(dá)到了高質(zhì)量頻率合成器的設(shè)計(jì)要求，很好地滿足了系統(tǒng)指標(biāo)要求，具有很好的應(yīng)用前景。