單片頻率合成器的功能和應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

微波頻率源是微波通信、微波測(cè)量及雷達(dá)技術(shù)中的重要部件，其相噪性能和雜散性能直接影響到系統(tǒng)的性能和可靠性。因此，尋求更低相位噪聲、更高純度頻譜和更高穩(wěn)定度的頻率源成為目前發(fā)展的主要趨勢(shì)。

l 系統(tǒng)主要指標(biāo)及方案

1．1 系統(tǒng)的主要指標(biāo)

輸出頻率范圍：4 428～5 220 MHz；步進(jìn)頻率：36 MHz；相位噪聲：≤一100 dBc／

（3）由于對(duì)輸出在4 000～4 200 MHz帶內(nèi)的雜散要求比較苛刻，而最佳輔環(huán)點(diǎn)頻為4 140 MHz，在腔體體積一定下，很難達(dá)到一70 dBc指標(biāo)，故權(quán)衡輔環(huán)相噪的惡化程度，選擇4 320 MHz作為輔環(huán)。

（4）為了防止輔環(huán)點(diǎn)頻4 320 MHz作為雜散耦合到輸出端，故采用功分器和將主環(huán)信號(hào)4 428～5 220 MHz通過(guò)兩級(jí)放大作為混頻器的本振，輔環(huán)4 320 MHz點(diǎn)頻作為混頻器的RF端。該方案選用36 MHz的低相噪恒溫晶振作為兩個(gè)環(huán)路的參考源，主環(huán)和輔環(huán)均選用HITTTITE公司的超低相噪模擬鎖相環(huán)芯片HMC440，改善系統(tǒng)的相噪性能。輔環(huán)參考頻率為36 MHz，輸出4 320 MHz頻點(diǎn)；主環(huán)參考頻率為36 MHz，輸出頻率為4 428～5 220 MHz。經(jīng)定向耦合器后再與輔環(huán)輸出的頻點(diǎn)混頻到108～900 MHz，返回到主環(huán)鑒相器與參考頻率做比較。所有的控制都由單片機(jī)來(lái)完成，根據(jù)外部數(shù)據(jù)的輸入（BCD碼）來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的頻率輸出。

2 電路實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)單片頻率合成器的時(shí)候，最主要的工作就是設(shè)計(jì)頻率合成器的環(huán)路帶寬，使得頻率合成器指標(biāo)在相位噪聲、雜散、調(diào)頻速度和穩(wěn)定性上等方面達(dá)到兼顧，實(shí)現(xiàn)最佳的綜合性能。

2．1 最佳環(huán)路帶寬

由于本項(xiàng)目沒(méi)有要求跳頻速度，所以環(huán)路帶寬采用最佳帶寬設(shè)計(jì)，使得相位噪聲盡可能的好。頻率合成器的輸出噪聲如下：

式中Llp（jw）為鎖相環(huán)芯片的噪聲，Lvco（jw）為VCO的相位噪聲，Hn（jw）是被N規(guī)一化的環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)。由上式可以看出環(huán)路對(duì)帶內(nèi)噪聲源呈低通過(guò)濾，故希望將環(huán)路帶寬fc越低越好；但環(huán)路對(duì)VCO呈高通過(guò)濾，又希望環(huán)路越寬越好。為了兼顧這一對(duì)矛盾，參考圖2能夠使兩種相位噪聲都得到合理的抑制，可以選擇環(huán)路帶寬fc在兩噪聲源譜密度線的交叉點(diǎn)附近總是比較接近于最佳狀態(tài)的。但是考慮晶振噪聲要惡化20log（N／R），所以實(shí)際帶寬要略小一些。

2．2 主輔環(huán)電路設(shè)計(jì)

理論估算帶內(nèi)相噪估算公式（不考慮晶振的相噪）：

輔環(huán)的頻率相對(duì)要高點(diǎn)，為了使系統(tǒng)混頻后噪聲不惡化，獲得較低的相位噪聲，這里選用HMC440鑒相芯片，該芯片屬于模擬鑒相器，由HMC440技術(shù)資料上給出的一153 dBc／

由HMC440可推出鎖相環(huán)芯片相噪為一233 dBe／Hz，由上面式（2）可推出：

其中Kd是鑒相器的鑒相靈敏度，這里HMC440的Kd是0．286 V／rad，Kψ是VCO的壓控靈敏度（rad／V），N是鎖相環(huán)的倍頻倍數(shù)。阻尼系數(shù)ξ為兼顧濾波器的過(guò)沖和衰減取0．707～1之間的一個(gè)值即可。這樣只要C2取定一個(gè)值，就可以同時(shí)確定R1，R2。C1的引入主要為濾去鑒相器產(chǎn)生的諧波，其引入的極點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離主極點(diǎn)，即這樣環(huán)路濾波器就完全確定了。

3 硬件及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

出于成本方面的考慮，主環(huán)的VCO需要輸出兩個(gè)范圍頻率：4 428～4716 MHz和4 752～5 220 MHz，采用兩個(gè)VCO用開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。另外考慮到VCO間的相互影響，可能產(chǎn)生許多雜散，本設(shè)計(jì)采用VCO斷電方式，保證在任一時(shí)間，只有一個(gè)VCO工作，這樣避免了他們之間的相互影響。

混頻采用HMC218LP3無(wú)源混頻器，由于是無(wú)源的，要求本振功率比較大，所以主環(huán)輸出要經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大器HMC3llLP3。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于放大器的非線性，使本振的諧波分量增大，所以第二級(jí)放大器放大到10 dBm左右驅(qū)動(dòng)HMC218LP3的LO本振端，避免放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)。另外對(duì)輔環(huán)的點(diǎn)頻4 320 MHz，通過(guò)調(diào)試當(dāng)?shù)竭_(dá)HMC218LP3的RF端口信號(hào)為一7 dBm左右時(shí)取得較佳的雜散和相噪指標(biāo)。

相位噪聲，雜散抑制，諧波抑制和輸出功率均采用惠普公司的頻譜分析儀HP8564E測(cè)量，在系統(tǒng)切換VCO最差相噪點(diǎn)5 220 MHz處相位噪聲可以達(dá)到一104．5 dBc／

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出了C波段寬帶低噪聲頻率源的一種方案，用主環(huán)驅(qū)動(dòng)本振，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表明此方案可行。相信經(jīng)過(guò)認(rèn)真設(shè)計(jì)，調(diào)試，完全可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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