一種低相噪、低雜散K波段跳頻頻率源設(shè)計(jì)

魏新

摘 要： 頻率源是雷達(dá)、通信系統(tǒng)中重要組成部分，為系統(tǒng)中上下變頻單元提供低相噪的本振信號(hào)。隨著雷達(dá)、通信工作頻率越來越高，其變頻使用的頻率源要求也越來越高，本文在常規(guī)頻率源設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，給出了一種采用內(nèi)嵌混頻的鎖相跳頻頻率源設(shè)計(jì)方案，并給出電路框圖和測試結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞： 低相噪；跳頻；內(nèi)嵌混頻；頻率源設(shè)計(jì)

1.工作原理

本設(shè)計(jì)提供了低相噪、低雜散的K波段的跳頻頻率源的方案，內(nèi)部包括了本振單元、中頻跳頻單元、混頻濾波單元、功分放大單元和電源處理單元，要求輸出步進(jìn)為10MHz的20GHz～21GHz兩路信號(hào)，相噪為≤-90dBc/Hz@1KHz。如圖1所示。

基本工作原理為以輸入100MHz信號(hào)為參考信號(hào)，先分別由中頻跳頻單元產(chǎn)生 2.4GHz～3.4GHz步進(jìn)為10MHz的信號(hào)、由本振單元產(chǎn)生17.6GHz信號(hào)，然后兩者混頻濾波輸出K波段20GHz～21GHz信號(hào)，最后對(duì)20GHz～21GHz信號(hào)進(jìn)行放大功分兩路輸出。

設(shè)計(jì)中要解決的關(guān)鍵問題是如何解決K頻段跳頻低相噪的問題，首先從方案上考慮，因?yàn)檩敵鲱l率較高，達(dá)20GHz～21GHz，按照以往常規(guī)的頻率設(shè)計(jì)方式肯定達(dá)不到技術(shù)要求，一次鎖相常規(guī)方案在相噪上就不滿足要求，故在方案設(shè)計(jì)上進(jìn)行了仔細(xì)優(yōu)化、仿真、推算，既要保證系統(tǒng)相噪要求，又要保證雜散能滿足指標(biāo)要求，最終確定采用中頻跳頻+本振信號(hào)兩者混頻輸出K頻段信號(hào)的方案。這兩個(gè)單元分別進(jìn)行隔腔設(shè)計(jì)，技術(shù)狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)，相互之間無串?dāng)_，并采用微組裝的裝配方式，印制板燒結(jié)、芯片金絲鍵合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品小型化的設(shè)計(jì)需求，最終也保證了關(guān)鍵指標(biāo)低相噪低雜散的要求。

2.本振源設(shè)計(jì)方案和分析

將鑒相器、低通濾波、VCO、耦合放大、分頻器緊密集成在一起，環(huán)路中運(yùn)用內(nèi)嵌四分頻器降低倍頻數(shù)，從而降低本振單元的相位噪聲。

頻率源設(shè)計(jì)中理論相噪惡化為20lgN =20lg（輸出頻率/參考頻率）。如果采用直接倍頻的方案，則理論相噪惡化為：20lg（17600/100）= 44.9dB。本文采用的方案是將輸出17.6GHz信號(hào)進(jìn)行四分頻，產(chǎn)生4400MHz信號(hào)后給鑒相器，這樣鑒相器比較的是輸入100MHz信號(hào)和4400MHz信號(hào)，理論相噪惡化為20lg（4400/100）= 32.9dB，此方按比直接倍頻方案相噪惡化優(yōu)化有12dB。

按本文方案，以輸入?yún)⒖夹盘?hào)100MHz相噪為-155dBc/Hz@1KHz ，則輸出17.6GHz的理論相噪可達(dá)-155-（-32.9）=-122.1 dBc/Hz@1KHz，，實(shí)際仿真結(jié)果到-115dBc/Hz@1KHz，如圖2。

3.中頻跳頻單元設(shè)計(jì)

中頻跳頻單元設(shè)計(jì)為輸出2.4GHz～3.4 GHz、步進(jìn)為10MHz的跳頻信號(hào)。頻率合成器直接應(yīng)用凌特公司的集成鎖相新品LTC6946-1，其輸出頻率為2.24GHz～3.74GHz，具有良好的性能：

（1）–226dBc/Hz Normalized In-Band Phase Noise Floor

（2）–274dBc/Hz Normalized In-Band 1/f Noise

按系統(tǒng)要求，輸出最高頻率為3.4GHz，鑒相頻率設(shè)置為10MHz， 鎖相環(huán)1kHz處相位噪聲水平取決于鑒相器的歸一化基底噪聲水平（PLL_flat=-226）和歸一化閃爍噪聲水平（PLL_flicker=-274）：

則最終相噪為：

文中fLO為3.4GHz，fPD為10MHz。

4.最終相噪結(jié)果

①由本振單元和中頻跳頻單元可以看出，中頻跳頻單元由于跳頻步進(jìn)小，相噪只有-97.9 dBc/Hz@1KHz， 而本振單元相噪為-114 dBc/Hz@1KHz，以較差的相噪來計(jì)算，所以本振和中頻跳頻混頻時(shí)相噪只能以中頻跳頻單元的相噪來計(jì)算。②按以往類似產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，混頻單元混頻時(shí)混頻器帶來的相噪惡化3dB余量，放大功分帶來的相噪惡化3dB余量。故最終整個(gè)模塊相噪預(yù)計(jì)為-97.9+3+3=-91.9dBc/Hz@1KHz。

5.雜散設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目雜散主要來源為頻率合成器的鎖相過程和本振單元、中頻跳頻單元混頻帶來的交調(diào)雜散。鎖相設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化電路布局，在小型化設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮電磁兼容性要求，電源芯片采用低噪聲電源，并經(jīng)EMI電容、磁珠、π型濾波等濾波，在LDO輸入輸出端必須放置大小容值電容及電感以保證鎖相環(huán)電路不受電源紋波影響。在設(shè)計(jì)混頻濾波器時(shí)，充分考慮混頻器混頻時(shí)帶來的交調(diào)雜散，再結(jié)合混頻器自身對(duì)交調(diào)雜散的抑制，來設(shè)計(jì)濾波器。

6.最終產(chǎn)品測試結(jié)果

通過本方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并注意到各方面的細(xì)節(jié)處理，保證了本方案得以充分的實(shí)現(xiàn)，最終測試結(jié)果和方案預(yù)期相差不多，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。