一种低成本小型化高性能宽带本振合成装置

汤瑞

摘要：随着移动通信的高速发展，矢量信号发生器和分析仪的需求越来越大，高性能宽带本振的高造价成为制约两种仪器成本的主要因素之一。利用压控振荡器（ VCO）实现高性能宽带本振设计，可以在降低模块尺寸、降低模块成本的前提下，实现高相噪、小型化的高性能本振。

关键词：频率合成器；锁相环；宽带；小型化

0 引言

移动通信的发展带动了高性能、大带宽的通信矢量信号发生器和分析仪的快速发展。本振的相位噪声是制约发射机和接收机的关键性指标，也是衡量一台仪器水平与档次的重要标志之一[1-2]。目前现有的具有高频段、高相噪指标的本振大部分采用基于YIG振荡器的设计方案，此方案设计复杂，成本较高，用VCO设计的本振大多用于低端、经济型的产品中。如何用经济型的VCO设计出高频段高性能的本振以及把设计的高频段高性能本振进行小型化处理，对于既要求高指标，又要求低成本，而且便携的测量仪器来说已迫在眉睫。

1 方案设计

采用宽带高性能VCO（ADl公司HMC586LC4B）外加宽带放大器的方式做成的本振模块，产生4.0 GHz～8.0 GHz，+12 dBm±1 dBm的本振信号输出，是通信矢量信号源和分析仪整机射频电路的核心模块，其功能块包括参考环电路、鉴相电路、∑-△调制、分频电路以及FPGA控制电路等。设计的电路模块的∑-△调制器的宽度（16/24/32/48）可以通过调节对应寄存器的值来控制，另外电路还包含扫频功能。方案原理框图如图1所示。

方案中的各个模块原理图及功能简介如下：图2为100 MHz参考环路模块实现10 MHz高纯参考通过锁相环路变成100 MHz高频参考，用作HMC984LP4E鉴相器的参考：图3为FPGA控制电路模块控制HMC983LP5E不同寄存器的送数，实现锁定不同频率和扫频功能：图4为宽带锁相环路模块通过HMC983LP5E分频器、HMC984LP4E鉴相器、有源环路滤波器和宽带耦合微带电路实现4 GHz～8 GHz的宽带锁相环路。

模块中使用的各个参数的值如下：

己知：fxtal=100 MHz，R=2，L=48。

假设fvco= 4600.025 MHz，则4600.025/（100 /2）=92.005，所以Nint=92。

由公式（1）可计算出fvco=140737488355.328，取Nfrac= 140737488355.328。其中：

fvco：压控振荡器（VCO）频率（单位Hz）；

fxtal：晶振的频率（单位Hz）；

Nint：分频数的整数部分；

NfraC：分频数的小数部分；

R：参考频率的分频数：

L：∑-△调制器的宽度。对应寄存器因送入的值分别为5CH，分数分频数存在两个寄存器，Nfrac[17：0]的值为3A5E3H，NfraC[47：18]的值为8312h。

由公式（2）可计算出分频器的输出频率fout的值[3-5]。

Nint和Nfrac可以通过设置相对应的寄存器的值来设定，因此，当需要得到某个输出频率时，只要通过计算得到相对应的整数和小数分频数，并把这两个对应的数值设定到对应的寄有器，就可得到想要的输出频率。整数和小数分频数是通过软件计算得到并通过FPGA按照dataSHeet的要求送入相应的寄存器内。

2 关键电路设计

2.1高频宽带耦合器设计

設计初期采用3个17.8Ω电阻组成功分网络，测试结果不理想，信号输出平坦度无法满足方案要求。之后，根据方案设计要求，进行ADS仿真，设计出如图5所示的微带耦合器，直接放置到印制板上，减少了安装步骤，而且效果理想。信号平坦度得到了优化，达到了方案要求。

2.2 宽带放大器电路设计

整机方案需要大于+10 dBm的本振信号作为混频本振，锁相环路本身产生的信号功率只有O dBm左右，需要接入一个宽带放大器才能保证输出信号，满足整机对于本振信号的要求。宽带放大器选择FGB-1509（FIRSAR公司），该放大器的增益和增益平坦度、频率范围都可以满足方案的需要。采用合适的偏置电路，使得该芯片正常工作，就可实现输出+12 dBm±1

3 测试结果

模块烧入编写好的FPGA工程后，接入整机调试平台，使用罗德与施瓦茨公司的FSW26测试输出的信号，相位噪声指标如图6所示，载波6 GHz，频偏10kHz时为-102.81 dBc/Hz；如图7所示，载波6 GHz，频偏100 kHz8寸为106.71 dBc/Hz。

模块输出信号的功率和平坦度如图8所示。

4 结论

运用FPGA控制HMC983LP5E不同的分频数，得到需要的频率点，完成4 GHz到8 GHz的频率源，实现了成本低、性能高的高频宽带本振模块，达到了预期的方案目标。方案用经济型的VCO设计出高频段高性能的本振并把设计的高频段高性能本振进行小型化处理，对于既要求高指标又要求低成本而且便携的测量仪器来说至关重要，现在这个方案已经应用到两款产品中，两款产品年生产100台。

参考文献：

[1]远坂俊.昭锁相环（PLL）电路设计与应用[M].何希才，译北京：科学出版社，2006

[2]杜勇锁相环技术原理及FPGA实现[M]北京：电子工业出版社，2016

[3]Hittite Microwave Corporation.HMC586LC4B WIDEBAND MMIC VCO w/ BUFFERAMPLIFIER， 4.0-8.0 GHz[Z].Chelmsford：Hittite

[4]Hittite Microwave Corporation.HMC984LP4E DIGITAL PHASE-FREQUENCYDETECTOR[Z].Chelmsford：Hittite

[5]Hittite Microwave Corporation.HMC983LP5E DC -7 GHZ FRACTIONAL-N DIVIDER ANDFREQUENCY SWEEPER[Z].Chelmsford：Hittite