李 壘

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司衛(wèi)星通信技術(shù)研究所，南京 210094）

0 引言

隨著近年來我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和推廣，對衛(wèi)星通信終端的需求越來越多，小型化、低功耗、便于攜帶的衛(wèi)通終端越來越得到客戶的青睞，而作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)中至關(guān)重要的頻率合成器技術(shù)也獲得了巨大的發(fā)展，各種頻帶更寬、集成度更高、性能更優(yōu)的芯片器件也相繼廣泛出現(xiàn)。本文選用TI公司鎖頻芯片LMX2594設(shè)計(jì)了一款X波段輸出的鎖相頻率源。

設(shè)計(jì)要求：

（1）頻合器輸出11.5 GHz。

（2）相位噪聲 ＜-65 dBc@100 Hz，＜-75 dBc@

1 kHz，＜-85 dBc@10 kHz，＜-95 dBc@100 kHz。

（3）輸出電平 ≥5 dBm。

1 硬件選擇與實(shí)現(xiàn)

1.1 硬件選擇[1] [2]

LMX2594是TI公司最新推出的一款高性能寬帶頻率合成器，在不使用內(nèi)部倍頻器情況下能輸出從10 MHz至15.4 GHz內(nèi)的任意頻點(diǎn)，避免了倍頻導(dǎo)致的諧波或者分頻雜散的出現(xiàn)。此頻合器在實(shí)現(xiàn)非常低的帶內(nèi)噪聲和抖動同時(shí)由于高速N分頻器沒有預(yù)分頻器，從而大大減少了雜散的振幅和數(shù)量，此外芯片內(nèi)部還集成了一個(gè)可減輕整數(shù)邊界雜散的可編程輸入乘法器可以進(jìn)一步減小雜散輸出。LMX2594具有多路輸出和延遲輸出功能；在輸出頻率為15 GHz時(shí)輸出功率電平可達(dá)7 dBm的；供電為常用的直流3.3 V，且內(nèi)部集成了LDO從而節(jié)省了外部空間，在空間要求較高的場合具有顯著的優(yōu)勢。

控制頻合器的單片機(jī)為ATMEL公司經(jīng)典單片機(jī)系列的ATMAGE88PA芯片，該單片機(jī)性能穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛，具有多路控制功能?？梢赃M(jìn)行通過片選對多路頻合器分別進(jìn)行控制輸出。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理[3]

如圖1所示，鎖相頻率合成器的原理框圖包括一個(gè)高度穩(wěn)定的參考源，一個(gè)頻率合成器芯片LMX2594，一個(gè)單片機(jī)ATMAGE88PA和一個(gè)三階環(huán)路濾波器。參考源是由具有高穩(wěn)定性的恒溫晶體振蕩器產(chǎn)生的10 MHz標(biāo)準(zhǔn)源，該源被放大器放大到接近飽和輸出然后利用二極管對取出10 MHz諧波50 MHz放大濾波獲得，利用三階鎖相環(huán)路電路良好的跟蹤特性，使內(nèi)部壓控振蕩器的輸出頻率準(zhǔn)確地穩(wěn)定在參考頻率或某次諧波上。LMX2594內(nèi)部參考電路配有預(yù)分頻器和倍頻器，可以根據(jù)輸出頻率的要求以及小數(shù)或整數(shù)分頻模式進(jìn)行設(shè)置。本設(shè)計(jì)采用100 MHz鑒相整數(shù)分頻模式。在圖1中，fO為輸出頻率；fREF為參考頻率；fcom為輸出頻率分頻后的鑒相比較頻率。

圖1 LMX2594鎖相頻率合成器結(jié)構(gòu)框圖

1.3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

排版設(shè)計(jì)中根據(jù)TI公司的DEMO板電路對LMX2594芯片周圍濾波電容進(jìn)行了空間上的優(yōu)化，布局上供電腳的濾波電容盡可能的靠近芯片管腳，輸出頻率為11.5 GHz時(shí)的環(huán)路帶寬設(shè)置為50 kHz左右，選取三階無源環(huán)路濾波，另外為了方便單片機(jī)控制字的在線編寫可以焊接微型接插件在ATMEGA88其他的串口功能管腳上，這樣可以在線調(diào)試，節(jié)省調(diào)試時(shí)間。另外要注意為了防止電源、模擬信號和數(shù)字信號之間的串?dāng)_，需要在單片機(jī)和頻合器之間通信電路上增加合適的到地電容和串聯(lián)電阻。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

圖2 TICS Pro軟件關(guān)鍵字計(jì)算界面設(shè)置

TI公司的輔助設(shè)計(jì)工具TICS Pro軟件[4]可以方便的計(jì)算出頻合器寄存器數(shù)組值，其界面設(shè)置如圖2所示，鑒相頻率設(shè)為100 MHz，電荷泵增益設(shè)為15 mA，輸出為VCO輸出模式，輸出頻率為11.5 GHz，可以直接導(dǎo)出關(guān)鍵字文件為.TEX的文件，因?yàn)樵O(shè)計(jì)目標(biāo)為單頻點(diǎn)輸出，所以關(guān)鍵字?jǐn)?shù)組中包含的有關(guān)跳頻相關(guān)數(shù)組寄存器等無關(guān)數(shù)組可以忽略不寫，最后相關(guān)的13組有效的關(guān)鍵字寄存器取值如下：

R46：0x2E07FD R45：0x2DC8DF R44：0x2C1FA3 R39：0x2703E8 R37：0x250404

R36：0x240073 R35 0x230004

R34：0x220000 R12：0x0C5001

R11：0x0B0018

R10：0x0A10D8 R9：0x091604

R0：0x00251C

3 模擬仿真

TI公司的仿真軟件PLLatinum Sim[5]可以對LMX2594進(jìn)行相噪輸出仿真，具體設(shè)置如下：fosc為50MHz，fFPD為100 MHz，Kpd為 5 mA，F(xiàn)VCO為 11.5 GHz，Loop Bandwidth 為 56 kHz，Phase Magin為60°。圖3中黑色曲線為系統(tǒng)的相噪仿真 值 為：-90dBc@100Hz，-95dBc@1kHz，-97dBc@10 kHz，-100dBc@100kHz。環(huán)路電阻電容具體參數(shù)為：R2：22 Ω、R3：33 Ω、C1：33 nF、C2：470 nF、C3：2.2 nF。

圖3 模擬仿真曲線圖

4 實(shí)物測試

利用N9030A型頻譜儀（是德科技）對所設(shè)計(jì)的頻率源進(jìn)行了實(shí)物測試，測試結(jié)果如圖4。其中圖4（a）為SPAN設(shè)置為20 GHz的遠(yuǎn)端雜散測試曲線圖，可以看到無遠(yuǎn)端諧波和雜散；圖4（b）SPAN設(shè)置為100 MHz的近端雜散測試曲線圖，可以看到雜散都在儀表噪聲以下，都小于-60 dBc；圖4（c）儀表自動測試模式下的相噪測試曲線，分別為為 -82 dBc@100 Hz、-86 dBc @1 kHz、-92 dBc @10 kHz、-98 dBc @100 kHz ；圖4（d）用校準(zhǔn)后的功率計(jì)N1912A（是德科技）測試出輸出功率為8.58 dBm。所有指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求。

因?yàn)長MX2594為寬帶頻合器，因此針對點(diǎn)頻源需求可以把環(huán)路帶寬改窄，實(shí)物測試發(fā)現(xiàn)窄帶環(huán)路可以有效地抑制一些直流DC-DC電源模塊開關(guān)頻率，另外芯片的鑒相泄露可以通過選取合適的鑒相頻率加以解決。

實(shí)際測試中還發(fā)現(xiàn)LMX2594對供電和參考的順序有一定的要求，即如果先給頻合器加電后加參考信號，會存在頻率鎖不住的情況，為解決這一問題，需要在硬件設(shè)計(jì)中增加單片機(jī)對頻合器的失鎖檢測腳進(jìn)行判斷，一旦檢測到失鎖信號需要單片機(jī)RESET腳重置，然后重新寫一遍寄存器關(guān)鍵字值，即循環(huán)置數(shù)到頻合器，以減少芯片本身因加電順序造成的失鎖現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

通信系統(tǒng)尤其是衛(wèi)星通信對頻率源相位噪聲的要求較高，不僅要求本振源本身具有良好的相位噪聲指標(biāo)，對本振源的供電和參考也有較高的要求。尤其是以10 MHz外參考的背景下要獲得X頻段的相位噪聲頻率源時(shí)需要較多的倍頻次數(shù)，同時(shí)設(shè)備的小型化要求收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，如何保證性能的前提下處理好電源對信號的干擾以及較小空間尺寸下收發(fā)之間的干擾也是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，本文設(shè)計(jì)的頻率源空間尺寸小，可靠性高，具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

圖4 實(shí)物測試結(jié)果曲線