基于Hittite HMC704LP4低相噪鎖相環(huán)芯片的X波段跳頻源設(shè)計方案

引言

隨著雷達(dá)、電子偵察與對抗、通信等領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展，對頻率源的性能提出了越來越高的要求。這些要求包括高頻率、低相噪、低雜散、小步進(jìn)、寬頻帶以及小體積等。頻率合成技術(shù)作為實現(xiàn)這些高性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要包括直接模擬式頻率合成、鎖相頻率合成（PLL）、直接數(shù)字式頻率合成（DDS）和混合式頻率合成（DDS+PLL）四種方式。本文詳細(xì)介紹了一種基于Hittite HMC704LP4低相噪鎖相環(huán)芯片的X波段跳頻源設(shè)計方案，重點討論其主控芯片型號、設(shè)計原理、系統(tǒng)架構(gòu)及主要性能指標(biāo)。

1. 主控芯片型號及作用

1.1 HMC704LP4概述

HMC704LP4是Hittite公司推出的一款低相噪小數(shù)分頻鎖相環(huán)（PLL）芯片，其最高工作頻率可達(dá)8 GHz，具有整數(shù)模式和小數(shù)模式，廣泛應(yīng)用于高頻、低相噪、低雜散的頻率合成系統(tǒng)中。該芯片集成了鑒相器、精密電荷泵、參考分頻器R、可編程分頻器N、Delta-sigma調(diào)制器以及緩沖放大電路等關(guān)鍵組件，通過精密的電路設(shè)計實現(xiàn)低相噪和高穩(wěn)定性的頻率輸出。

1.2 主要作用

• 頻率合成：HMC704LP4作為跳頻源的核心部件，負(fù)責(zé)將輸入的參考信號（如OCXO晶振）經(jīng)過分頻、倍頻等處理，輸出指定頻率范圍內(nèi)的跳頻信號。

• 低相噪性能：通過內(nèi)置的Delta-sigma調(diào)制技術(shù)和優(yōu)化的環(huán)路濾波器設(shè)計，實現(xiàn)極低的相位噪聲，滿足高精度系統(tǒng)的需求。

• 小步進(jìn)調(diào)節(jié)：支持小數(shù)分頻模式，實現(xiàn)頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)，滿足小步進(jìn)跳頻的要求。

• 寬頻帶覆蓋：具備寬頻帶工作能力，能夠覆蓋X波段（9.87~10.47 GHz）的頻率范圍。

2. 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

整個X波段跳頻源系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：

• 主控芯片HMC704LP4：負(fù)責(zé)頻率合成與調(diào)節(jié)。

• 參考信號源：如100 MHz OCXO晶振，提供穩(wěn)定的參考信號。

• 環(huán)路濾波器：位于鑒相器和壓控振蕩器（VCO）之間，用于濾除噪聲和雜散，優(yōu)化環(huán)路性能。

• VCO：選用HitTIte公司的HMC512，提供高頻、低相噪的振蕩信號。

• 電源模塊：為系統(tǒng)各部件提供穩(wěn)定的電源供電。

• 時序控制板：用于接收外部控制信號，控制HMC704LP4內(nèi)部寄存器的配置，實現(xiàn)頻率的切換和調(diào)節(jié)。

2.2 工作原理

系統(tǒng)工作時，首先由參考信號源（如OCXO晶振）提供穩(wěn)定的參考信號，經(jīng)過HMC704LP4的參考分頻器R進(jìn)行分頻處理。隨后，該信號與VCO的輸出信號在鑒相器中進(jìn)行相位比較，產(chǎn)生誤差信號。誤差信號經(jīng)過精密電荷泵轉(zhuǎn)換為電壓信號，驅(qū)動VCO調(diào)整其輸出頻率，直至與參考信號同步。通過調(diào)整可編程分頻器N的分頻比，可以實現(xiàn)不同頻率的輸出。在小數(shù)模式下，Delta-sigma調(diào)制器將分頻比細(xì)分為小數(shù)部分，實現(xiàn)頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)。

3. 設(shè)計細(xì)節(jié)

3.1 環(huán)路濾波器設(shè)計

環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)設(shè)計的關(guān)鍵部分，其設(shè)計直接影響到系統(tǒng)的相位噪聲和雜散性能。本設(shè)計采用四階有源濾波器，通過調(diào)整濾波器的帶寬、相位裕量等參數(shù)，實現(xiàn)最佳的環(huán)路性能。濾波器設(shè)計時需要折中考慮帶寬的大?。簬捫】梢越档徒讼嘣?，但會增加環(huán)路鎖定時間；帶寬大則相反。本設(shè)計借助于Hittite PLL Design軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，最終確定濾波器的各項參數(shù)。

3.2 VCO選擇

VCO選用HitTIte公司的HMC512，該VCO具有高頻、低相噪的特點，頻率范圍為9.6~10.8 GHz，滿足X波段跳頻源的需求。同時，HMC512提供二分頻、四分頻輸出，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的靈活性。

3.3 電源設(shè)計

系統(tǒng)供電包括+15V、+5V和+3.3V三種電壓。其中，+15V和+5V由電源板經(jīng)過濾波后直接供給鎖相環(huán)電路；+3.3V由