基于锁相环技术的小型化K波段频率源设计

Miniaturized K⁃Band Frequency Source Design Based on Phase⁃Locked Loop Technology

摘要

在宽带电磁接收机领域， 高频段频率源通常存在输出功率低、 相位噪声性能差的问题， 因此， 频率源性能显得尤为重要。针对这一问题， 本文利用锁相环与倍频的设计方式， 设计一种小型化K波段的频率源。首先， 对锁相环电路， 控制单元电路和稳压电源电路进行设计； 然后， 对频率源进行建模仿真验证其可行性， 通过采用腔体设计及微组装的方式完成了锁相环电路、 控制单元、 稳压电源电路及倍频器的设计； 最后， 对频率源进行了测试。测试结果表明， 该频率源输出频率为25.6 GHz， 输出功率大于10 dBm， 其归一化相位噪声为-76 dBc/Hz@100 kHz， 其整体尺寸为60 mm×40 mm×8 mm。所设计的频率源具有体积小型化、 各项性能优良且能长期稳定工作的优势， 能够满足宽带接收机工程需求应用。

Abstract

In the field of broadband electromagnetic receivers， high-frequency frequency sources usually have problems such as low output power and poor phase noise performance， so frequency source performance is particularly important. To address this problem， this paper uses phase-locked loop and frequency multiplication design methods to design a miniaturized K-band frequency source. First， the phase-locked loop circuit， control unit circuit and voltage-stabilized power supply circuit are designed， and then the frequency source is modeled and simulated to verify its feasibility. The phase-locked loop circuit and control unit are completed by using cavity design and micro-assembly， the design of the voltage-stabilized power supply circuit and the frequency multiplier， and finally the frequency source was tested. The test results show that the output frequency of this frequency source is 25.6 GHz， the output power is greater than 10 dBm， its normalized phase noise is -76 dBc/Hz@100 kHz， and its overall size is 60 mm×40 mm×8 mm. The designed frequency source has the advantages of small size， excellent performance and long-term stable operation， and it can meet the application requirements of broadband receiver engineering.

Graphical abstract

关键词

频率源 / K波段 / 建模仿真 / LMX2594

Key words

frequency source / K-band / modeling simulation / LMX2594

在通信、 雷达、 无线电测试等先进电子系统中， 频率源是测试系统中的关键组成部分。它的性能指标直接影响整个系统的功能和性能， 被称作电子系统的心脏^［1］。宽带电磁接收机系统中要求频率源具有超宽带、 低相噪、 小型化的特性， 以满足外部电磁环境和自身架构的复杂性的应用需求^［2］。然而在实际应用中， 高频段频率源通常因输出功率和噪声性能不佳无法满足项目应用需求。

为了克服上述问题， 北京微电子技术研究所梁佳琦等^［3］提出一款集成VCO宽带频率合成器， 但存在整数边界杂散问题； 中电二十六所沈文渊等^［4］采用双环系统的细步进频率合成器， 解决了杂散问题， 但是产生的信号频段低， 不满足高频段的需求； 中电五十四所胡丽格^［5］提出了一种基于ADF4350与AD9913的跳频频率合成器设计， 但该方案输出信号相位噪声性能不理想。针对当前高频波段频率源设计中交会参数探测单元的小型化需求， 上述方案均存在缺陷， 不满足小型化需求。本文提出一种基于锁相环技术的K波段频率源设计方案。使用锁相环输出与倍频器结合的方法， 首先， 对锁相环及控制单元电路进行设计， 使用LMX2594锁相环搭建外围电路和STC8G1K08单片机搭建控制单元电路； 然后， 使用TPS65130芯片完成稳压电源的设计， 锁相环产生的信号在通过滤波和放大后再通过HMC814二倍频器倍频后， 实现K波段小型化频率源的稳定输出。并且通过对频率源进行建模仿真， 得到锁相环环路滤波器开闭环幅度和相位响应特性曲线及电荷泵瞬态响应以及锁定时间， 从而证实其可行性； 最后， 通过德州科技N9010A频谱分析仪和N9010A EXA信号分析仪对所设计频率源的相关参数进行测试和调试， 测试结果满足宽带电磁接收机的工程应用需求， 且指标性能优良。

1 基本原理

1.1 锁相环原理

锁相环包括鉴相器、 环路滤波器和压控振荡器3部分， 鉴相器通常由模拟乘法器组成， 其工作原理为： 设外部输入信号u_i(t)和压控振荡器输出信号电压u_o(t)分别为

u_i(t)=U_m\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}[{\omega }_{i}t+{\theta }_i(t)],（1）

u_o(t)=U_o\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}[{\omega }_{o}t+{\theta }_o(t)],（2）

式中： U_m和U_o分别为输入信号与反馈信号的幅度值； {\omega }_i和{\omega }_o分别为角频率； {\theta }_i和{\theta }_o分别为相位。设乘法器的相乘系为K， 则乘法器输出电压

\begin{array}{c}{u}_m(t)=K{u}_i(t)u_o(t)=\\ K{U}_m{U}_o\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}[{\omega }_{i}t+{\theta }_i(t)]\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}[{\omega }_{\mathrm{0}}t+{\theta }_{\mathrm{0}}(t)]=\\ \frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}K{U}_m{U}_o\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}[{\omega }_{i}t+{\theta }_i(t)+{\omega }_{\mathrm{0}}t+{\theta }_{\mathrm{0}}t]+\\ \frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}K{U}_m{U}_o\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\{[{\omega }_{i}t+{\theta }_i(t)]+[{\omega }_{\mathrm{0}}t+{\theta }_{\mathrm{0}}(t)]\}\mathrm{。}\end{array}（3）

通过滤波器将上式中不需要的分量滤掉， 压控振荡器的输入控制电压

\begin{array}{c}{u}_C(t)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}K{U}_m{U}_o\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\{[{\omega }_{i}t+{\theta }_i(t)]-\\ [{\omega }_{\mathrm{0}}t+{\theta }_{\mathrm{0}}(t)]\}=U_{dm}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\{({\omega }_i-{\omega }_{\mathrm{0}})t+\\ [{\theta }_i(t)-{\theta }_{\mathrm{0}}(t)]\},\end{array}（4）

式中： U_{dm}为输入控制电压幅度值。根据相量关系从而得瞬时频率和相位关系为

\theta (t)=\int \omega (t)\mathrm{d}t+{\theta }_{d\mathrm{0}},（5）

式中： {\theta }_{d\mathrm{0}}为初始相位。对式（5）两边求微分， 得频差关系为

\frac{\mathrm{d}{\theta }_d}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{d}({\omega }_i-{\omega }_{\mathrm{0}})t}{\mathrm{d}t}+\frac{\mathrm{d}[{\theta }_i(t)-{\theta }_{\mathrm{0}}(t)]}{\mathrm{d}t}\mathrm{。}（6）

当式（6）结果为零， 说明锁相环进入锁定态， 此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定态， u_c （t）为固定值。

1.2 倍频器原理

倍频器是使输入信号通过后得到整数倍频率的输出信号的电路， 理想倍频器原理如图 1 所示。

倍频器工作原理可通过简单二端口非线性器件的倍频过程来分析， 信号通过非线性器件后， 对输入信号进行非线性变化， 产生高次谐波成分^［6］， 式（7）为倍频器输入输出关系的表示。

y_{\mathrm{0}}(t)=a_{\mathrm{0}}+a_{\mathrm{1}}{x}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}(t)+a_{\mathrm{2}}{x}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}(t)+a_{\mathrm{3}}{x}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}^{\mathrm{3}}(t)+\cdots ,（7）

式中： a_{\mathrm{0}}， a_{\mathrm{1}}， a_{\mathrm{2}}， a_{\mathrm{3}}分别为1次、 2次、 3次、 4次谐波分量， 若输入信号为x_{in}(t)=A\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}({\omega }_{\mathrm{i}\mathrm{n}}t)， 则有

y_{\mathrm{0}}(t)=

a_{\mathrm{0}}+a_{\mathrm{1}}{x}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}(t)+a_{\mathrm{2}}{x}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}(t)+a_{\mathrm{3}}{x}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}^{\mathrm{3}}(t)+\cdots =

a_{\mathrm{0}}+a_{\mathrm{1}}A\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}({\omega }_{\mathrm{i}\mathrm{n}}t)+\frac{a_{\mathrm{2}}{A}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}[\mathrm{1}+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\mathrm{2}{\omega }_{\mathrm{i}\mathrm{n}}t)]+

\frac{a_{\mathrm{3}}{A}^{\mathrm{3}}}{\mathrm{4}}[\mathrm{3}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}({\omega }_{\mathrm{i}\mathrm{n}}t)+\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\mathrm{3}{\omega }_{\mathrm{i}\mathrm{n}}t)]+\cdots =

\left(a_{\mathrm{0}}+\frac{a_{\mathrm{2}}{A}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\right)+\left(a_{\mathrm{1}}A+\frac{\mathrm{3}{a}_{\mathrm{3}}{A}^{\mathrm{3}}}{\mathrm{4}}\right)\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}({\omega }_{\mathrm{i}\mathrm{n}}t)+

\frac{a_{\mathrm{2}}{A}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\mathrm{2}{\omega }_{\mathrm{i}\mathrm{n}}t)+\frac{a_{\mathrm{3}}{A}^{\mathrm{3}}}{\mathrm{4}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\mathrm{3}{\omega }_{\mathrm{i}\mathrm{n}}t)+\cdots ,（8）

式中： A为输入信号的幅度值； {\omega }_{\mathrm{i}\mathrm{n}}为输入角频率， 由式（8）可得， 正弦信号通过非线性器件时， 输出的信号包含基频和多个次谐波量。倍频器可以通过滤波器过滤不需要的频率分量， 从而提取出所需谐波频率分量^［7］。

2 K波段频率源设计

2.1 频率源整体设计

频率源预采用锁相环结构， 在对比晶体管、 DDS及锁相环后， 由于锁相环结构可产生稳定信号且外围电路简单， 加之小型化与较高输出频率的要求， 决定采用锁相环产生基频信号， 在设计锁相环结构时， 需要考虑环路滤波电路的设计， 关照到输入到压控振荡器中获得的电流稳定度， 进而影响到发生的调频信号的稳定度^［8］。使用锁相环LMX2594输出一个X波段固定频率低噪声信号， 然后利用二倍频器将信号倍频到K波段， 结构如图 2 所示。

2.2 锁相环电路模块

频率源采用锁相合成的方法进行设计。采用TI德州仪器公司的LMX2594锁相环芯片， 设计中参考信号为晶振产生的40 MHz正弦波信号， 经过芯片的OSCinM引脚输入到芯片中， 信号经过预置分频器、 乘法器和后置分频器后进入鉴频鉴相器中。然后， 将参考信号与分频后的电荷泵压控振荡器的输出信号进行相位比较。

LMX2594锁相环芯片外围电路中， 晶振产生参考信号经过OSCinM引脚输入芯片中， 需要添加0.1 μF电容做去耦滤波。高频信号通过RFOUTA分两路输出， 信号输出引脚上需要添加50 Ω电阻做上拉电阻， 1 nH电感做上拉电感， 此时输出频率为11~13 GHz。为了保证芯片能够稳定正常工作， 所有的VCC供电引脚需要添加0.1 μF和10 μF电容作电源去耦回路。整体电路如图 3 所示。

2.3 控制单元模块

频率源的锁相环芯片由113个24 b寄存器来控制， 控制单元主要是对锁相环芯片的内部寄存器进行参数配置， 从而使其正常工作产生所需频段的信号。根据需求， 采用国产STC8G1K08单片机芯片搭建控制单元， 该款芯片不需要外部晶振和外部复位， 内部集成高精度 R/C时钟， 可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路， 且满足与锁相环间的串行外设接口（Serial Peripherial Interface， SPI）通信要求。

锁相环LMX2594的串行数据输入时序图如图 4 所示， 采用微控制单元（Micro-Controller Unit， MCU）软件控制SPI将参数写入到寄存器中。由于片选引脚（Chip Select of Bord， CSB）必须保持低电平才能提供数据时钟， 当串口时钟（Serial Clock， SCK）为上升沿触发时将数据锁存。数据位按照地址、 数据及读写位由高位到低位配置进入寄存器。

MCU程序流程图如图5所示， 程序开始时先对时钟进行配置， 确定系统的时钟频率， 然后对将要使用到的管脚进行设置， 在本设计中， 在不回读锁相环寄存器的情况下， 将MCU所有管脚设置为上拉输出。根据LMX2594芯片手册中的初始上电顺序， 首先对设备上电， 将寄存器的RESET设置为1， 使器件复位； 然后将RESET设置为0， 退出复位状态； 再然后按照从高到低的顺序以逆序的方式对寄存器进行配置； 等待10 ms后将FCAL_EN设置为1， 再次对R0进行一次配置。

控制单元电路如图 6 所示， 通过国产STC8G1K08单片机芯片完成对锁相环的配置， 该款芯片无需外部晶振， 内置超高精度时钟， 且满足与锁相环之间的SPI通信协议。

2.4 稳压电源模块

由于频率源中采用的芯片供电电压各不相同， 需要涉及+5.5， +2.5， +1.5， -0.5， -0.8 V的稳压电源来供电。结合频率源实际供电需求与电流耦合干扰的问题， 选择TPS65130双路正负输出电源作为供电芯片， 可生成高达-15~+15 V的输出电压， 转换效率高达89%， 整体电路如图 7 所示。

3 仿真验证及测试

频率源被广泛应用于通信、 雷达、 无线电波测量等领域， 其优劣性将对系统性能产生直接的影响^［9］。频率源的关键技术是低杂散与低相噪设计， 为得到设计频率稳定度较高的频率源， 先运用ADS对频率源进行仿真设计， 再对其进行电路与程序设计。按照芯片手册提供的电荷泵锁相环环路滤波器对其进行仿真设计， 得到环路滤波器开环和闭环系统特性仿真， 如图 8所示。

对开环和闭环电路进行仿真， 得到其幅度和相位响应， 如图 9 和图 10 所示。

环路滤波器带宽大小会对锁相环锁定时间长短、 输出信号相位噪声性能产生一定的影响。因此， 可以通过改变相位裕量从而得到最快锁定时间和信号输出的最小噪声^［9］。在ADS中建立电荷泵锁相环仿真电路如图 11 所示， 电路由电荷泵鉴相器和分频器压控振荡器组成， 在仿真电路中， 输入参考频率由直流电压源来提供， 锁相环分频比通过脉冲电压来控制。

对电路进行仿真运算得到结果如图 12 所示， 由图 12 可知， 从初始状态t=0 μs开始， 压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator， VCO）输出频率开始上升， 在t=77 μs时输出频率开始变缓， 输出频率趋于稳定， 最终锁相环快速锁定。通过对以上锁相环开闭环特性、 锁定时间的建模仿真分析， 可以得到其功能参数， 从而验证锁相环方案的可行性。

频率源电路实物如图 13 所示， 电路基板使用Rogers5880，该层压板具有低介电常数和低损耗的特点， 且易于切割和加工成型， 非常适合高频段的应用。晶振产生的信号作为参考信号， 经过放大后产生12~13 GHz信号， 再经过滤波放大后通过二倍频器得到最终需要的K波段信号。频率源PCB板采用螺钉固定的方式安装到腔体下沉挖槽中， 供电采用馈电针的方式穿透腔体， 输出端采用SAM头进行信号传输。

现有市场频率源主流产品型号工作频率及尺寸参数如表 1 所示， 经对比， 本文设计的频率源具有体积小型化的优势。

使用普源DP832直流稳压电源供电3.3 V， 德州科技N9010A频谱仪测试信号频谱， 信号源分析仪测试信号相位噪声， 探针对频率源输出口进行测试， 测试场景如图 14 所示， 最终输出的信号频谱特性如图 15、 图 16 所示。

信号源分析仪测试频率源相位噪声结果如图 17 所示。

从图 15~图 17 的测试结果可以看出， 锁相环输出12.8 GHz点频信号， 最大输出功率为2.63 dBm， 其归一化相位噪声为-76 dBc/Hz@100 kHz， 二倍频后最终输出的25.6 GHz信号最大输出功率为-11.27 dBm。由于在K波段使用探针产生的损耗有20 dBm左右， 所以实际输出信号功率大于10 dBm， 频率源部分完成设计指标， 满足为宽带电磁接收机工程项目提供稳定信号的功能。

4 结　论

本文通过对频率源锁相环部分进行建模仿真， 根据锁相环的环路响应模板对系统进行开闭环幅度和相位仿真及环路时域瞬态响应， 从理论上证实了可行性。通过采用腔体设计及微组装的方式完成了锁相环电路， 控制单元及倍频电路的设计， 实现了25.6 GHz、 大于10 dBm的信号输出， 频率源体积小型化且能长期稳定工作， 对后续工程项目的进展具有重要应用价值。

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基金资助

山西省基础研究计划资助项目(202203021212157)

国防基础研究计划资助项目(JCKY2021210B073)

国防基础研究计划资助项目(JCKY2022209A001)