Ka 頻段小型化低功耗超寬帶低相位噪聲頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魯 純，韓周安，王飛龍

（成都愛科特科技發(fā)展有限公司，四川 成都 610054）

頻率合成器被稱為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的“心臟”，是通信系統(tǒng)的核心組成部分，因此頻率合成器性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展和信道資源的日益擁擠，信號(hào)頻率已經(jīng)由原來的短波、超短波、L、S、X 頻段拓展到現(xiàn)在Ku、Ka 頻段甚至更高頻率，并且系統(tǒng)的集成度越來越高[1]。傳統(tǒng)意義上的頻率合成器體積大、功耗高、相位噪聲大、輸出信號(hào)頻率范圍窄，因此已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的需要，特別是在空間通信、遙測(cè)遙控、雷達(dá)測(cè)量、雷達(dá)定位、雷達(dá)偵察、信息對(duì)抗等領(lǐng)域，尤其是雷達(dá)探測(cè)和偵察領(lǐng)域迫切需要性能優(yōu)良的小型化低功耗超寬帶低相噪頻率合成器。因此高性能的小型化低功耗超寬帶低相噪頻率合成器的應(yīng)用和研究顯得非常重要，不僅可以提高系統(tǒng)的偵測(cè)能力，還能降低系統(tǒng)功耗和尺寸。

1 技術(shù)指標(biāo)

本文主要是設(shè)計(jì)一個(gè)小型化低功耗超寬帶低相位噪聲的頻率合成器，具體技術(shù)指標(biāo)如下：

1）輸出頻率：50 MHz～20 GHz。

2）跳頻步進(jìn)：1 Hz。

3）相位噪聲@20 GHz：≤-75 dBc/Hz@100 Hz；≤-100 dBc/Hz@1 kHz ；≤-110 dBc/Hz@10 kHz ；≤-110 dBc/Hz@100 kHz。

4）外參考輸入

輸入頻率：100 MHz；

相位噪聲：≤-135 dBc/Hz@100 Hz；≤-165 dBc/Hz@1 kHz；≤-170 dBc/Hz@10 kHz；≤-175 dBc/Hz@100 kHz。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的小步進(jìn)低相噪頻率合成器采用DDS+PLL 方式實(shí)現(xiàn)[2]，原理框圖如圖1 所示。

圖1 DDS+PLL 原理框圖

采用DDS 作鎖相環(huán)的參考，雖然實(shí)現(xiàn)了小步進(jìn)，但是DDS 的功耗較高，輸入的參考信號(hào)需要經(jīng)過倍頻、濾波、放大，以及差分電路才能進(jìn)入DDS，因此電路復(fù)雜、體積較大、功耗較高；另外由于寬帶VCO 相位噪聲較差，為了實(shí)現(xiàn)超寬帶低相位噪聲，采用窄帶VCO，通過分多段VCO 和開關(guān)濾波實(shí)現(xiàn)寬帶頻率輸出，因此整個(gè)頻率合成器體積龐大、功耗較高，已經(jīng)不適合小型化發(fā)展的需要。

本方案通過采用多個(gè)鎖相環(huán)電路和直接式頻率合成，經(jīng)過倍頻、混頻、分頻、放大、開關(guān)選擇，實(shí)現(xiàn)了頻率50 MHz～20 GHz、跳頻步進(jìn)1 Hz 的信號(hào)輸出，具體的方案原理框圖如圖2 所示。

圖2 小型化低功耗超寬帶低相噪頻率合成器原理框圖

小型化低功耗超寬帶低相噪頻率合成器主要組成部分為：小步進(jìn)低相噪?yún)⒖茧娐?、超寬帶低相噪電路（包含寬帶大步進(jìn)低相噪鎖相環(huán)路、鎖相環(huán)內(nèi)部集成倍頻分頻電路、高頻倍頻電路、倍頻放大選擇電路）、低功耗低噪聲電源電路。其功能是產(chǎn)生一個(gè)50 MHz～20 GHz 超寬帶低相噪跳頻信號(hào)，跳頻步進(jìn)1 Hz。

低功耗超寬帶低相噪頻率合成器的工作原理是：窄帶小步進(jìn)低相噪鎖相環(huán)路用來實(shí)現(xiàn)一個(gè)窄帶小步進(jìn)低相位噪聲的跳頻信號(hào)；通過參考混頻電路和低頻倍頻電路的信號(hào)混頻，下變頻后輸出一個(gè)L 頻段跳頻低相噪信號(hào)，給寬帶大步進(jìn)低相噪鎖相環(huán)路做參考信號(hào)使用；再通過寬帶大步進(jìn)低相噪鎖相環(huán)路分頻、混頻、倍頻、鎖相、放大后輸出，輸出一個(gè)50 MHz～20 GHz 的跳頻信號(hào)。

2.2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

2.2.1 小步進(jìn)低相噪?yún)⒖茧娐吩O(shè)計(jì)

小步進(jìn)低相噪?yún)⒖茧娐分饕皖l倍頻電路、窄帶小步進(jìn)低相噪鎖相環(huán)路、參考混頻電路三個(gè)部分，是頻率合成器實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)和低相位噪聲的關(guān)鍵電路。小步進(jìn)低相噪?yún)⒖茧娐酚脕斫o超寬帶低相噪電路提供一個(gè)跳頻的小步進(jìn)低噪聲參考信號(hào)，作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)，鎖相倍頻后輸出。小步進(jìn)低相噪?yún)⒖茧娐吩韴D如圖3 所示。

圖3 小步進(jìn)低相噪?yún)⒖茧娐吩韴D

如圖3 所示，將輸入的100 MHz 外參考信號(hào)fREF1通過功分器功分成兩路輸出：一路送入低頻倍頻電路進(jìn)行倍頻、濾波后輸出，作為參考混頻電路的本振信號(hào)fLO1；另一路送入窄帶小步進(jìn)低相噪鎖相環(huán)電路作為鑒相器1的鑒相頻率fPD1，參考信號(hào)經(jīng)過鎖相環(huán)電路小數(shù)分頻后輸出一個(gè)小步進(jìn)的跳頻信號(hào)fVCO1，作為參考混頻電路的中頻信號(hào)fIF1。fIF1送入混頻器進(jìn)行混頻，中頻信號(hào)fIF1和本振信號(hào)fLO1混頻后輸出一個(gè)射頻信號(hào)fRF1，fRF1經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器濾波，濾除混頻后的雜散信號(hào)后輸出，作為超寬帶低相噪電路的參考信號(hào)fREF2。跳頻步進(jìn)是由窄帶小步進(jìn)低相噪鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)的，該鎖相環(huán)是一個(gè)集成有VCO 的集成式鎖相環(huán)，采用調(diào)制技術(shù)[3]?？梢詫?shí)現(xiàn)小數(shù)分頻。鎖相環(huán)內(nèi)部有一個(gè)32 位的可編程分頻器，因此輸入100 MHz 參考信號(hào)，經(jīng)過鎖相環(huán)小數(shù)分頻后輸出一個(gè)窄帶的跳頻信號(hào)fVCO1，小數(shù)分頻可以實(shí)現(xiàn)的最小分辨率為：100 MHz（232-1）=0.023 3 Hz。

通過鎖相環(huán)小數(shù)分頻后，可以實(shí)現(xiàn)最小0.023 3 Hz的跳頻步進(jìn)，因此可實(shí)現(xiàn)1 Hz 的跳頻步進(jìn)。另外，該鎖相環(huán)采用3.3 V 單電源供電，電流為75 mA，功耗為0.24 W；傳統(tǒng)的跳頻步進(jìn)采用DDS 實(shí)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、PCB 布板復(fù)雜，體積也大，采用3.3 V/500 mA、1.8 V/40 mA 兩組電壓供電，功耗為1.7 W，功耗較高。因此，小步進(jìn)低相噪?yún)⒖茧娐凡粌H實(shí)現(xiàn)的小步進(jìn)跳頻，也實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)。

小步進(jìn)低相噪?yún)⒖茧娐返南辔辉肼曋饕蓛蓚€(gè)方面決定：

1）本振信號(hào)fLO1的相位噪聲

本振信號(hào)fLO1是由100 MHz 參考信號(hào)經(jīng)過倍頻Q次后輸出，倍頻方式采用梳狀譜發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，取Q次諧波，再經(jīng)過窄帶濾波器濾波后輸出。根據(jù)倍頻器原理可知，倍頻后相位噪聲按照20logQ（dB）惡化，惡化后的相位噪聲為-109 dBc/Hz@100 Hz、-139 dBc/Hz@1 kHz、-144 dBc/Hz@10 kHz、-149 dBc/Hz@100 kHz。因此采用梳狀譜方式的電路簡(jiǎn)單，且可以保證相位噪聲惡化最小。

2）中頻信號(hào)fIF1的相位噪聲

中頻信號(hào)fIF1就是小步進(jìn)鎖相環(huán)VCO1 的輸出信號(hào)fVCO1，因此fIF1的相位噪聲就是fVCO1的相位噪聲。以100 MHz 為鑒相頻率，鎖相環(huán)采用集成VCO，鑒相器歸一化相位噪聲基底為-232 dBc/Hz，采用小數(shù)模式可以實(shí)現(xiàn)1 Hz 步進(jìn)。鑒相頻率為100 MHz，根據(jù)鎖相環(huán)[4]理論可知，輸出頻率越高，分頻比越大，相位噪聲越差，因此最大輸出頻率fVCO1-max 時(shí)，可以計(jì)算出最大的N值。根據(jù)相位噪聲計(jì)算公式可知：

因此環(huán)內(nèi)理論相位噪聲為-136 dBc/Hz@100 kHz。100 Hz 和1 kHz 相位噪聲受器件熱噪聲影響，根據(jù)熱噪聲計(jì)算公式可知：

100 Hz 相位噪聲為-124 dBc/Hz@100 Hz，1 kHz 相位噪聲為-134 Bc/Hz@1 kHz，因此能夠達(dá)到-124 dBc/Hz@100 Hz、-134 dBc/Hz@1 kHz、136 dBc/Hz@10 kHz@100 kHz，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。根據(jù)混頻器原理可知，混頻后的相位噪聲是由鏈路中最差的相位噪聲決定。通過以上分析可知,中頻信號(hào)fIF1的相位噪聲最差，因此參考混頻電路輸出信號(hào)的相位噪聲為-109 dBc/Hz@100 Hz、-134 dBc/Hz@1 kHz、-136 dBc/Hz@10 kHz@100 kHz。

2.2.2 超寬帶低相噪電路設(shè)計(jì)

超寬帶低相噪電路主要包含寬帶大步進(jìn)低相噪鎖相環(huán)路、高頻倍頻電路兩部分，是頻率合成器實(shí)現(xiàn)寬帶跳頻信號(hào)和低相位噪聲的關(guān)鍵電路。其具體工作原理框圖如圖4 所示。圖4 中參考混頻電路輸出的fREF2通過功分器功分成兩路輸出：一路送入寬帶大步進(jìn)鎖相環(huán)（簡(jiǎn)稱鎖相環(huán)2）電路作為參考信號(hào)，參考信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)2 的前置分頻器R 進(jìn)行分頻，分頻后作為鑒相器2 的鑒相頻率fPD2；另一路送入高頻倍頻電路進(jìn)行倍頻，經(jīng)過濾波器BPF3 濾波后作為混頻器的射頻信號(hào)fRF。鎖相環(huán)2 的VCO 輸出信號(hào)為fVCO2，fVCO2作為本振信號(hào)fLO2送入混頻器和射頻信號(hào)fRF進(jìn)行混頻?；祛l后輸出一個(gè)中頻信號(hào)fIF2，經(jīng)過帶通濾波器BPF4 進(jìn)行濾波，濾波后送入鎖相環(huán)內(nèi)部的可編程分頻器進(jìn)行分頻。VCO2 輸出的信號(hào)為基波信號(hào)，通過鎖相環(huán)內(nèi)部集成的倍頻分頻電路輸出一個(gè)50 MHz～20 GHz 的超寬帶信號(hào)，步進(jìn)為1 Hz。

超寬帶低相噪電路的相位噪聲主要是由兩個(gè)方面決定的：

1）射頻信號(hào)fRF的相位噪聲

射頻信號(hào)fRF是用來實(shí)現(xiàn)大步進(jìn)跳頻的，由參考信號(hào)fREF2經(jīng)過倍頻P次后輸出，倍頻方式采用可編程倍頻器實(shí)現(xiàn)，再經(jīng)過濾波器濾波后輸出，根據(jù)倍頻器原理可知，倍頻后相位噪聲按照20logP（dB）惡化。由上文可知參考信號(hào)fREF2的相位噪聲為：-109 dBc/Hz@100 Hz、-134 dBc/Hz@1 kHz、-136 dBc/Hz@10 kHz、-136 dBc/Hz@100 kHz，惡化后的相位噪聲為：-93 dBc/Hz@100 Hz、-118 dBc/Hz@1 kHz、-120 dBc/Hz@10 kHz；-120 dBc/Hz@100 kHz。

采用直接倍頻方式實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)，電路簡(jiǎn)單且可以保證相位噪聲惡化最小。

2）寬帶大步進(jìn)鎖相環(huán)的相位噪聲

鎖相環(huán)2 的相位噪聲主要是由鎖相環(huán)的分頻比M決定的。根據(jù)鎖相環(huán)理論可知，輸出頻率越高，分頻比越大，相位噪聲越差。因此為了降低分頻比M，采用內(nèi)插式鎖相環(huán)[5]，將VCO2 輸出的高頻信號(hào)fVCO2經(jīng)過內(nèi)插式混頻器混頻后，下變頻到低中頻信號(hào)fIF2，作為鑒相器的可變參考；分頻比M=fIF2fPD2，fIF2越小，分頻比M的值越小相位噪聲越好。根據(jù)相位噪聲計(jì)算公式可知：

鎖相環(huán)采用集成有超寬帶VCO 的鎖相環(huán)，鑒相器歸一化相位噪聲基底為-236 dBc/Hz。鑒相頻率為fREF2R，根據(jù)相位噪聲計(jì)算公式可知：

因此環(huán)內(nèi)理論相位噪聲為-128 dBc/Hz@100 kHz，100 Hz 和1 kHz 相位噪聲受器件熱噪聲影響，根據(jù)熱噪聲計(jì)算公式可知：

100 Hz 相位噪聲為-109 dBc/Hz@100 Hz，1 kHz 相位噪聲為-119 dBc/Hz@1 kHz，因此能達(dá)到-109 dBc/Hz@100 Hz、-119 dBc/Hz@1 kHz、128 dBc/Hz@10 kHz@100 kHz，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

根據(jù)混頻器原理可知，混頻后的相位噪聲是由鏈路中最差的相位噪聲決定，通過以上分析可知射頻信號(hào)fRF的相位噪聲最差，因此鎖相環(huán)2 電路中VCO2 最終輸出信號(hào)的相位噪聲為-93 dBc/Hz@100 Hz、-118 dBc/Hz@1 kHz、-120 dBc/Hz@10 kHz@100 kHz。由于VCO2 輸出的信號(hào)為基波信號(hào)，經(jīng)鎖相環(huán)2 內(nèi)部倍頻后輸出的最大信號(hào)為20 GHz，因此輸出20 GHz 的相位噪聲為-87 dBc/Hz@100 Hz、-112 dBc/Hz@1 kHz、-114 dBc/Hz@10 kHz@100 kHz，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2.3 低功耗低噪聲電源電路設(shè)計(jì)

低功耗低噪聲電路主要是通過兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：

1）頻率合成器方案架構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵器件選型。以跳頻步進(jìn)為例，本文使用的集成式鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)最小0.233 Hz 的跳頻步進(jìn)，功耗為3.3 V/75 mA；若采用DDS方案，則電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、體積大，功耗高為3.3 V/500 mA、1.8 V/40 mA。因此在滿足技術(shù)指標(biāo)要求的情況下，優(yōu)先選擇低功耗的方案架構(gòu)。另外，在放大器等關(guān)鍵有源器件選型時(shí)，選取低功耗低噪聲器件。

2）電源電路的方案設(shè)計(jì)。在器件選型時(shí)有源器件最好選取同一種電壓供電的器件，避免多種電壓轉(zhuǎn)換降低轉(zhuǎn)換效率。本文通過DC/DC 轉(zhuǎn)換，將12 V 直接轉(zhuǎn)換為3.7 V，DC/DC 轉(zhuǎn)換效率可達(dá)92%，轉(zhuǎn)換損耗??；再將3.7 V 經(jīng)超低噪聲線性穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓到3.3 V 輸出供后端使用，電源轉(zhuǎn)化壓差較小、電路轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)換損耗小。低噪聲LDO 輸出電壓紋波較小、電源噪聲較小，不會(huì)影響頻率合成器的相位噪聲。電源電路的原理框圖如圖5 所示。

圖5 電源電路的原理框圖

3 測(cè)試結(jié)果與分析

調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，輸出信號(hào)近端100 kHz 相位噪聲不是很好，經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，這是由電源的紋波過大造成的。因此優(yōu)化電源電路輸出端，通過優(yōu)化濾波電路來降低電源的紋波，串聯(lián)扼流電感和并聯(lián)多個(gè)電容來濾除電源紋波，大電容濾低頻、小電容濾高頻，這樣就可以把電源紋波帶來的雜散過濾掉。調(diào)試完成后，采用N9030 頻譜儀來對(duì)頻率合成器的相位噪聲指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。寬帶低相噪頻率合成器實(shí)物圖如圖6 所示，測(cè)試圖如圖7 所示。

圖6 寬帶低相噪頻率合成器實(shí)物圖

由圖7 可以看出：1 kHz 的相位噪聲為-104 dBc，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求指標(biāo)-100 dBc/Hz@1 kHz；10 kHz和100 kHz相位噪聲為-113 dBc/Hz@10 kHz、-113 dBc/Hz@100 kHz，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求指標(biāo)-110 dBc/Hz@10 kHz@100 kHz。因此，頻率合成器的主要指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本文方案解決了小型化超寬帶頻率合成器低功耗、低相噪技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了50 MHz～20 GHz 超寬帶信號(hào)輸出，跳頻步進(jìn)可達(dá)到1 Hz 以內(nèi)，相位噪聲20 GHz可達(dá)到≤-110 dBc/Hz@10 kHz 以下，功耗小于8 W，尺寸≤80 mm×65 mm×18 mm，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，克服了現(xiàn)有的頻率合成器只能做到窄帶范圍內(nèi)的小步進(jìn)跳頻、低相噪且功耗和尺寸都較大等問題。小型化超寬帶低相位噪聲頻率合成器在空間通信、遙測(cè)遙控、雷達(dá)測(cè)量、雷達(dá)定位、雷達(dá)偵察、信息對(duì)抗等領(lǐng)域可以得到廣泛應(yīng)用，可以顯著地提高系統(tǒng)的靈敏度和分辨率，同時(shí)降低應(yīng)用系統(tǒng)的功耗和尺寸，提高系統(tǒng)集成度。