基于ADF4356鎖相環(huán)的雷達(dá)頻率合成器設(shè)計(jì)

王玉江劉 剛張迪雅陳 珊

(四川航天電子設(shè)備研究所,四川 成都 610100)

0 引言

雷達(dá)頻率合成器將一個(gè)高穩(wěn)定晶振作為基準(zhǔn)源,經(jīng)過混頻器、倍頻器、分頻器等進(jìn)行加減乘除運(yùn)算后產(chǎn)生各個(gè)輸出相位差固定的全相參信號(hào),其主要包括采樣時(shí)鐘信號(hào)、本振信號(hào)、直接數(shù)字合成(DDS)時(shí)鐘信號(hào)等。頻率合成技術(shù)主要包括直接式頻率合成、直接數(shù)字式頻率合成,間接式頻率合成3種方法。其中直接式具有分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換快、相位噪聲極低等主要優(yōu)點(diǎn),但是由于直接頻率合成采用大量的有源和無源器件,易產(chǎn)生大量雜散,需要通過體積較大的腔體濾波器進(jìn)行濾除,從而使得合成器的體積變大,成本升高,這是其主要缺點(diǎn)。直接數(shù)字式同樣具有相位噪聲低、頻率轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點(diǎn);但其工作頻率較低,無法直接產(chǎn)生高頻段信號(hào)。間接式的優(yōu)點(diǎn)在于將鎖相環(huán)構(gòu)成一個(gè)窄帶跟蹤濾波器,具有良好的窄帶跟蹤特性,可以很好地選擇所需的頻率信號(hào),抑制雜散分量,避免使用大量濾波器,有利于集成化和小型化,具有成本低的優(yōu)勢;其缺點(diǎn)主要是相位噪聲和跳頻響應(yīng)時(shí)間相比前兩者較差。由于本頻合器輸出信號(hào)均為固定頻信號(hào),且不需要進(jìn)行頻率跳變,故對(duì)跳頻時(shí)間不做要求,其中產(chǎn)生的信號(hào)作為雷達(dá)的第二接收本振信號(hào),對(duì)相位噪聲要求沒有那么高。因此,采用間接式頻率合成技術(shù)對(duì)雷達(dá)頻率合成器進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文詳細(xì)介紹了高性能鎖相環(huán)芯片ADF4356,該芯片集成了壓控振蕩器,外圍電路簡單,性能穩(wěn)定,輸出信號(hào)相位噪聲低、雜散抑制度高,為彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭提供了一種基于鎖相環(huán)雷達(dá)頻率合成器的解決方案。

1 鎖相環(huán)工作原理

間接式鎖相式頻率合成技術(shù)的核心是鎖相環(huán)(PLL),鎖相環(huán)是閉環(huán)跟蹤電路,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓控振蕩器(VCO)的輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤,保持信號(hào)相位一致。鎖相環(huán)主要由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)組成。其工作原理如圖1所示,為輸入信號(hào)的頻率,為輸出信號(hào)的頻率。當(dāng)和的次分頻的頻率不一致時(shí),PD 將產(chǎn)生一個(gè)低頻分量,使得VCO 的輸出頻率通過LF 控制電壓來控制VCO 的輸出頻率。受閉環(huán)反饋電路的影響,和的相位差將保持在一個(gè)不變的范圍內(nèi),PLL環(huán)路此時(shí)處于“鎖定”,輸出信號(hào)頻率為=×。

圖1 鎖相環(huán)工作原理圖

本雷達(dá)頻率合成器采用多片鎖相環(huán)芯片,以產(chǎn)生不同頻率的輸出信號(hào),從而滿足雷達(dá)系統(tǒng)總體的要求。輸出信號(hào)主要包括采樣時(shí)鐘信號(hào)、接收本振信號(hào)以及DDS工作時(shí)鐘信號(hào)等。

1.1 指標(biāo)要求

本雷達(dá)頻率合成器根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的工作要求,確定了其參數(shù)指標(biāo),設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 不同輸出信號(hào)指標(biāo)要求

1.2 器件選型

PLL芯片是頻率合成器的核心器件,該器件選用ADI公司生產(chǎn)的ADF4356型鎖相環(huán)芯片,其最高鑒相頻率達(dá)到125 MHz,參考輸入頻率最高可達(dá)600 MHz,可獲得極低的帶內(nèi)相位噪聲性能,歸一化相位噪聲基底為-227 d Bc/Hz,工作頻率為53.125～6 800 MHz,滿足合成器產(chǎn)生各個(gè)不同頻率信號(hào)輸出范圍。ADF4356 具有集成的VCO,并帶有4.75～5.25 V 的電荷泵和VCO 電源,無需有源環(huán)路濾波器,只需外部添加無源環(huán)路濾波電路,實(shí)現(xiàn)環(huán)路帶寬的設(shè)置。片內(nèi)寄存器均采用三線式接口進(jìn)行控制,并具有硬件、軟件掉電模式。ADF4356是一款高性能的PLL芯片,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ADF4356內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由圖2可得,鎖相環(huán)芯片ADF4356內(nèi)部集成了鑒相器、壓控振蕩器、分頻器以及各個(gè)寄存器,其工作頻率為3 400 MHz～6 800 MHz,通過內(nèi)部各個(gè)分頻器,從而產(chǎn)生53.125 MHz～6 800 MHz的輸出信號(hào)。結(jié)合外部環(huán)路濾波器和外部參考輸入信號(hào)使用時(shí),可實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻或整數(shù)分頻,從而產(chǎn)生不同頻率的輸出信號(hào),且輸出功率為-2～7 dBm。本設(shè)計(jì)采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為鎖相環(huán)芯片ADF4356 的程序控制,通過配置鎖相環(huán)芯片的寄存器,實(shí)現(xiàn)了采樣時(shí)鐘信號(hào)、DDS工作時(shí)鐘信號(hào)、接收本振信號(hào)分別為1.2 GHz、4.8 GHz、6 GHz不同頻率的輸出信號(hào)。ADF4356的CLK、DATA 和LE 為控制數(shù)據(jù)傳輸接口,時(shí)鐘信號(hào)頻率最大50 MHz,當(dāng)CLK 從低電平到高電平時(shí),32位數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部的R0～R13寄存器;當(dāng)LE由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí),數(shù)據(jù)被傳輸至對(duì)應(yīng)的鎖存器,從而實(shí)現(xiàn)不同頻率信號(hào)的輸出。

1.3 ADF4356寄存器配置

根據(jù)芯片手冊(cè)可知,PLL輸出信號(hào)頻率為:

式中:為PLL 內(nèi)部分頻器分頻比的整數(shù)部分;為PLL 內(nèi)部分頻器分頻比的小數(shù)部分;為鑒相頻率;為參考輸入信號(hào)的倍頻位(0或1);為二進(jìn)制可編程控制器的預(yù)設(shè)分頻比(1～1 023);為參考輸入信號(hào)的分頻位(0或1)。

本文參考輸入信號(hào)頻率為100 MHz,由于產(chǎn)生的輸出信號(hào)均為參考輸入信號(hào)的倍數(shù)關(guān)系,故選用內(nèi)部分頻器的工作模式為整數(shù)分頻模式。當(dāng)輸出信號(hào)頻率為4.8 GHz信號(hào)時(shí),相關(guān)參數(shù)設(shè)置為=100 MHz,=0,=1,=1,=96,=0;當(dāng)輸出信號(hào)頻率為6 GHz信號(hào)時(shí),相關(guān)參數(shù)設(shè)置為=100 MHz,=0,=1,=1,=120,=0。通過FPGA 軟件配置控制程序,從而控制鎖相環(huán)ADF4356 相應(yīng)的寄存器R0～R13,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同輸出信號(hào)4.8 GHz和6 GHz頻率的控制,根據(jù)以上參數(shù)值,可確定鎖相環(huán)的主要寄存器R0分別為0x00200600、0x00200780。

1.4 相噪分析

在進(jìn)行相位噪聲分析時(shí),必須考慮輸入信號(hào)、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、分頻器等引入的相位噪聲,其鎖相環(huán)的相位噪聲分析模型如圖1所示。圖中S()為輸入信號(hào)引入的相位噪聲功率譜密度,S()為鑒相器引入的相位噪聲功率譜密度,S()為環(huán)路濾波器引入的相位噪聲功率譜密度,S()為壓控振蕩器引入的相位噪聲功率譜密度,S()為分頻器引入的相位噪聲功率譜密度,S()為輸出信號(hào)的相位噪聲功率譜密度,為鑒相器增益常數(shù),()為環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù),為VCO 的壓控靈敏度,為分頻比。通過對(duì)相關(guān)器件的傳遞函數(shù)理論分析與公式計(jì)算,最終可得輸出信號(hào)的總相位噪聲功率譜密度為:

由式(2)可得,鎖相環(huán)路對(duì)輸入信號(hào)噪聲、鑒相器輸出噪聲、分頻器輸出噪聲具有低通作用,而對(duì)環(huán)路濾波器輸出噪聲、壓控振蕩器的相位噪聲呈高通作用,則低通上限截止頻率和高通下限截止頻率就構(gòu)成了環(huán)路帶寬。其輸出信號(hào)的相位噪聲由輸入信號(hào)、鑒相器、分頻器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器共同決定。鎖相環(huán)ADF4356芯片主要由低噪聲鑒相器、精確電荷泵和可編程參考分頻器等組成。鎖相環(huán)帶內(nèi)的相位噪聲主要由鑒相器、環(huán)路濾波器、分頻器以及壓控振蕩器決定。通過分析鑒相器對(duì)相位噪聲的影響起決定性作用,鑒相器的噪聲主要由閃爍噪聲和基底噪聲組成,其中基底噪聲對(duì)相位噪聲起主要作用,根據(jù)鎖相環(huán)相位模型可得,鎖相環(huán)輸出相位噪聲為:

式中:S為鎖相環(huán)輸出相位噪聲;S為鎖相環(huán)輸入相位噪聲;為鑒相器輸出相位噪聲;為鑒相器增益;為分頻數(shù)。

由式(3)可得,輸出相位噪聲由輸入?yún)⒖夹盘?hào)相噪和鑒相器噪聲共同決定,當(dāng)參考信號(hào)的相噪較好時(shí),鎖相環(huán)輸出帶內(nèi)噪聲主要由鑒相器決定。根據(jù)鑒相器歸一化噪聲基底、鑒相頻率及分頻數(shù),可計(jì)算輸出相位噪聲為:

式中:為噪聲基底;為鑒相頻率;為分頻數(shù)。

當(dāng)輸出信號(hào)頻率為4.8 GHz 時(shí),則=50 MHz,=96,由式(4)計(jì)算得到帶內(nèi)相噪約為-110 d Bc/Hz;當(dāng)輸出信號(hào)頻率為6 GHz 時(shí),則=50 MHz,=120,計(jì)算得到帶內(nèi)相噪約為-108 dBc/Hz。

2 鎖相頻率合成器在ADIsimPLL 中的仿真設(shè)計(jì)

ADI公司提供了一款仿真軟件ADIsim PLL,在功能和參數(shù)方面進(jìn)行輔助仿真設(shè)計(jì),適用于一切ADFxxx 系列的鎖相環(huán)產(chǎn)品。其特點(diǎn)主要有:包含整數(shù)分頻和小數(shù)分頻2種分頻模式;輸出信號(hào)既可以是點(diǎn)頻信號(hào)也可以是一定頻率范圍的信號(hào);內(nèi)部包含ADFxxx系列產(chǎn)品全部信息庫;具有多種環(huán)路濾波器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇等。

在已知參考輸入頻率、鑒相頻率、輸出頻率、環(huán)路帶寬和相位裕度時(shí),可以通過ADISimPLL 對(duì)環(huán)路濾波器的電阻、電容值參數(shù)進(jìn)行確定,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)。環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)直接關(guān)系到輸出信號(hào)的雜散、相位噪聲以及鎖定時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)。由于無源濾波器只使用電阻、電容(RC)低通濾波器,其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

通過ADIsimPLL 對(duì)環(huán)路特性進(jìn)行仿真,環(huán)路帶寬設(shè)置為80 k Hz,輸出頻率為6.0 GHz,參考輸入信號(hào)為100 MHz,且相位噪聲為-150 dBc/Hz@1 k Hz,鑒相頻率為50 MHz,采用3階環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu),ADF4356接收本振信號(hào)ADIsimPLL 仿真電路如圖3所示。

圖3 ADF4356環(huán)路濾波器仿真圖

其中環(huán)路濾波器仿真參數(shù)值為:=112 p F,=3.67 kΩ,=1.52 nF,=7.49 kΩ,=42 p F。由于電阻、電容值與實(shí)際工程值存在偏差,故電阻、電容值采用=110 p F,=3.6 kΩ,=1.5 n F,=7.5 kΩ,=40 p F。

由ADISimPLL 仿真可得系統(tǒng)輸出6 GHz相位噪聲,如圖4所示。圖4中1 k Hz時(shí),系統(tǒng)的相位噪聲約為-95 dBc/Hz@1 k Hz,該理論值在實(shí)際應(yīng)用中,由于存在電源噪聲、外界雜波信號(hào)干擾等因素,實(shí)際相位噪聲會(huì)有一定的惡化。

圖4 相位噪聲仿真圖

因此,可以通過設(shè)置環(huán)路濾波器帶寬、提高參考信號(hào)的相位噪聲等方法來改善系統(tǒng)輸出信號(hào)的相位噪聲。輸出信號(hào)6 GHz的時(shí)間關(guān)系如圖5所示,系統(tǒng)輸出信號(hào)的穩(wěn)定時(shí)間為1.7 ms,鎖定時(shí)間小于2 ms,滿足雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)固定點(diǎn)頻接收本振信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間的要求。

圖5 輸出信號(hào)與時(shí)間關(guān)系圖

3 鎖相環(huán)雷達(dá)頻率合成器總體設(shè)計(jì)

基于ADF4356 鎖相環(huán)雷達(dá)頻率綜合器以100 MHz高穩(wěn)恒溫晶振作為參考輸入信號(hào)源,運(yùn)用功分器、鎖相環(huán)、分頻器、放大器、濾波器等器件,產(chǎn)生不同輸出信號(hào)的頻率源。鎖相環(huán)雷達(dá)頻率合成器產(chǎn)生原理如圖6所示,其輸出信號(hào)為:1.2 GHz信處采樣時(shí)鐘信號(hào),4.8 GHz的DDS時(shí)鐘信號(hào),6 GHz的接收本振信號(hào)。由于恒溫晶振相位噪聲較好,產(chǎn)生不同輸出信號(hào)的頻譜比較干凈,相位噪聲較低,因此,本設(shè)計(jì)通過使用高性能恒溫晶振作為參考信號(hào)源,運(yùn)用LC元件參數(shù)濾波器仿真和ADIsim PLL鎖相環(huán)環(huán)路濾波器仿真等方法,最終設(shè)計(jì)了一種高性能的頻率綜合器。

圖6 鎖相環(huán)雷達(dá)頻率綜合器總體原理框圖

3.1 DDS參考時(shí)鐘信號(hào)

由于DDS具有頻率分辨率高、頻率捷變快和易于控制等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)中。DDS參考時(shí)鐘信號(hào)為DDS提供工作時(shí)鐘,但由于受到奈奎斯特采樣定理的限制,DDS輸出頻率只能達(dá)到參考時(shí)鐘的40%,其國產(chǎn)芯片GM4912的參考時(shí)鐘高達(dá)5 GHz,輸出頻率最高可達(dá)2 GHz。為了保證DDS既要在合理區(qū)間,又要滿足輸出信號(hào)的高頻率要求,因此DDS參考時(shí)鐘定為4.8 GHz,其輸出頻率可達(dá)1.9 GHz,滿足上行基頻信號(hào)的要求。

DDS時(shí)鐘信號(hào)由ADF4356 直接產(chǎn)生,其參數(shù)指標(biāo)要求:輸出功率為0±2 d Bm,雜散≤-50 dBc。芯片輸出信號(hào)功率為-2～7 dBm,滿足0±2 dBm輸出功率要求;鎖相環(huán)自身具有較好的雜散抑制度,其抑制度達(dá)到60 dBc以上,滿足雜散指標(biāo)要求。

3.2 接收本振信號(hào)與采樣時(shí)鐘信號(hào)電路設(shè)計(jì)

接收本振信號(hào)是將接收通道進(jìn)行下變頻所需要的本振信號(hào),該信號(hào)為6 GHz點(diǎn)頻信號(hào)。信處時(shí)鐘信號(hào)為信號(hào)處理機(jī)提供采樣時(shí)鐘,根據(jù)系統(tǒng)要求,信處采樣時(shí)鐘信號(hào)為1.2 GHz,其詳細(xì)產(chǎn)生原理圖如圖7所示。接收本振點(diǎn)信號(hào)將100 MHz參考信號(hào)作為輸入,芯片ADF4356直接產(chǎn)生,該芯片最大輸出信號(hào)頻率為6.8 GHz,滿足產(chǎn)生6 GHz點(diǎn)頻信號(hào)。6 GHz信號(hào)經(jīng)過兩功分器,一路信號(hào)放大后再四路功分,從而產(chǎn)生四路接收通道的接收本振信號(hào);另一路信號(hào)經(jīng)五分頻器分頻得到1.2 GHz信號(hào),再經(jīng)濾波、放大后輸出給信號(hào)處理機(jī)。

圖7 接收本振信號(hào)與采樣時(shí)鐘信號(hào)電路原理框圖

接收本振信號(hào)的指標(biāo)為:輸出功率為13±2 dBm,雜散優(yōu)于60 dBc,相位噪聲優(yōu)于-80 dBc/Hz@1 k Hz,輸出信號(hào)功率采用兩級(jí)芯片進(jìn)行放大,保證足夠的輸出功率;鎖相環(huán)產(chǎn)生信號(hào)的雜散抑制度都可以達(dá)到70 d Bc以上。采用100 MHz恒溫晶振,相位噪聲達(dá)到-150 dBc/Hz@1 k Hz,而在對(duì)鎖相環(huán)芯片進(jìn)行配置時(shí),通過ADISim PLL仿真,產(chǎn)生6 GHz信號(hào)的相位噪聲達(dá)到-95 dBc/Hz@1 k Hz,滿足-80 d Bc/Hz@1 k Hz 的設(shè)計(jì)要求指標(biāo)。1.2 GHz采樣時(shí)鐘信號(hào)的指標(biāo)為:輸出功率10±2 dBm,雜散優(yōu)于-60 d Bc。1.2 GHz采樣時(shí)鐘信號(hào)由6 GHz五分頻得到,由于分頻導(dǎo)致諧波較高,需要使用低通濾波器濾除諧波再進(jìn)行放大,放大后再用帶通濾波器濾除雜散,從而使雜波抑制度滿足指標(biāo)要求。

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

通過搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái),使用9030A 頻譜儀對(duì)雷達(dá)頻率合成器輸出的接收本振信號(hào)、DDS參考時(shí)鐘信號(hào)以及采樣時(shí)鐘信號(hào)的功率、雜波、相位噪聲等參數(shù)進(jìn)行實(shí)測,其中接收本振信號(hào)的功率譜如圖8所示,輸出功率為11.16 dBm,雜散抑制度為55 dBc,其相位噪聲實(shí)測圖如圖9所示,相位噪聲曲線平穩(wěn),在1 k Hz條件下的實(shí)測相位噪聲為-83 dBc/Hz,理論相位噪聲值為-95 dBc/Hz@1 k Hz,實(shí)測值存在一定的惡化,這是由于晶振的相噪存在一定偏差或電源模塊噪聲代入等因素所致,實(shí)測值優(yōu)于-80 d Bc/Hz@1 k Hz的指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。雖然鎖相環(huán)間接頻率合成信號(hào)的相噪指標(biāo)與直接頻率合成信號(hào)的相噪存在一定差距,直接頻率合成雖然相噪指標(biāo)優(yōu)異,但是大量的倍頻器、高性能LC 濾波器、放大器等器件集合在一起,導(dǎo)致鏈路較長,電路復(fù)雜,體積較大,可靠性低等問題?；阪i相環(huán)頻率合成信號(hào)的電路簡單,頻譜干凈,易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化,在電性能指標(biāo)不變的情況下,采用鎖相環(huán)形式,可以滿足當(dāng)前對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭小型化的需求。

圖8 本振信號(hào)頻譜圖

圖9 本振信號(hào)相位噪聲實(shí)測圖

雷達(dá)頻率合成器各個(gè)輸出信號(hào)的實(shí)測參數(shù)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比如表2所示,所有測試值均滿足指標(biāo)要求,達(dá)到了預(yù)期效果,從技術(shù)層面改善了雷達(dá)導(dǎo)引頭頻率合成器的整體性能,為雷達(dá)系統(tǒng)提供了高質(zhì)量的本振信號(hào)。

表2 不同輸出信號(hào)實(shí)測參數(shù)對(duì)照表

5 結(jié)束語

雷達(dá)頻率合成器運(yùn)用鎖相環(huán)間接頻率合成技術(shù),基于ADF4356 鎖相環(huán)芯片,配置寄存器產(chǎn)生4.8 GHz和6 GHz不同頻率輸出信號(hào),其中6 GHz本振信號(hào)的相位噪聲達(dá)到-83 dBc/Hz@1 k Hz,近端雜散可達(dá)60 d Bc,遠(yuǎn)端雜散可達(dá)55 d Bc,高質(zhì)量的本振信號(hào)提高了雷達(dá)導(dǎo)引頭接收機(jī)的靈敏度。該頻率合成器具有體積小、重量輕、功耗低、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),為彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭提供了一種基于鎖相環(huán)雷達(dá)頻率合成器的解決方案。