摘要:矢量信号源作为一种通用测试仪器,是研制、检测与维护很多军用电子产品的必备工具。频率合成器是矢量信号源的核心组成部分,对信号源整机的功能和指标起着决定性作用。文章介绍了YTO(YIG调谐振荡器)单锁相环频率合成器的设计方案,给出了关键模块的硬件连接及控制方案,该设计实现了宽带射频信号输出,且具有高分辨率,低相位噪声等优点。
关键词:频率合成;锁相环;YTO;YIG调谐振荡器;合成器设计
中图分类号:TN911文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)06-0005-02
矢量信号源模块是基于SDR(软件无线电)技术,在统一的硬件平台上,根据用户需要通过灵活加载不同的算法程序模块实现多种调制方式的基带输出,然后通过正交上变频实现多种调制方式的射频信号输出。频率合成部分是矢量信号源的核心模块之一,对整机的功能和相位噪声等指标影响很大,因此如何得到宽带高分辨率低相位噪声的高纯度射频信号变得尤为重要。鉴于对体积、功耗等方面的考虑,文章采用锁相环技术综合的方案,以单锁相环加上YIG调谐振荡器实现4～8GHz低相位噪声射频信号输出。
一、设计基本原理与方案
(一)YIG振荡器介绍
YIG调谐振荡器由微波集成电路和调谐磁路组成,它是一种由调谐电流控制振荡频率的信号源,其输出频率与内部调谐磁场有较好的线性关系,适用于宽带电子对抗设备,微波测量仪器等。YTO内部的调谐磁场由主线圈(TUNE+和TUNE-)和副线圈(FM+和FM-)两部分组成,前者感抗大、调谐慢,但调谐灵敏度高、调谐范围宽、高频干扰抑制好;后者感抗小从而调谐范围窄,但调谐速度快,并因为调谐灵敏度低而具有良好的干扰抑制特性。二者结合使用特别有利于大范围调谐又需要快速修正的宽带信号源,YTO线圈结构简图如图1所示:
(二)设计总体方案
传统高指标宽带射频信号源的首选方案是多锁相环路频率合成器,多环路频率合成器将分频器和混频器组合使用,很好的解决了频率分辨率和环路带宽之间的矛盾,能够提供优异的相位噪声指标和很高的频率分辨率。
在多环结构里,现在采用较多的有两种方案:一种是锁相式频率合成,另一种是PLL+DDS。PLL+DDS方案可以很容易满足高频率分辨率,而且结构也不复杂,但是整机指标对输出的相位噪声要求很高,而DDS的突出缺点就是输出频谱杂散大,如果采用了DDS+PLL的结构,就会为满足相噪指标带来很大的困难。多环锁相式频率合成器一般由参考发生器、取样环、小数分频环、YTO环等电路组成。但多环结构使得设计复杂、体积大、功耗大。
YTO单环方案设计高质量频率综合信号源具有小型化模块化等优点。本设计采用单环YTO结构实现输出信号频率为4～8GHz,如图2所示:
用HMC363S8G对其直接进行八分频,则分频后频率变为1GHz以下,这样就容易在一个单环内实现锁相。本方案选择YTO的振荡输出范围为4～8GHz,主线圈的调谐灵敏度为25MHz/mA,副线圈的调谐灵敏度为450kHz/mA。主线圈(TUNE线圈)起到粗调预置频率的作用,通过驱动电路将YTO预置到指定振荡频率附近±10MHz的范围内,这部分电路是在锁相环路之外的,有助于实现频率合成器的快速锁定,预置完成后振荡器在指定频点±10MHz的范围内摆动,然后副线圈(FM线圈)开始起作用并实现锁相。该方案不仅缩小了电路体积,降低了功耗,且充分利用了YTO在宽带范围内的良好的相位噪声特性。
二、关键模块电路设计
(一)PFD+电压电荷泵+有源“PI”滤波器
本文采用的PFD+电压电荷泵+有源“PI”型滤波器的结构,电路原理如图3所示:
CLR脉冲必须打开足够长的时间,才能保证安全可靠地关闭两个D触发器,通常在与门之后加一延迟单元。如果UP和DN开启状态的时间太短,那么电荷泵的开关就永远不能打开,这就进入了死区。有死区的反馈环路永远不能稳定到一个确定的平衡点上,而是毫无目标地在死区附近来回晃动。这种晃动表现为噪声,通常位于PLL带宽内相当低的频率范围内,并引起振荡器的无法滤除的相位噪声调制。
由于YTO的温度特性以及预置频点的固有偏差,需要环路滤波器具有较大的增益,较宽的捕获带,这里选择有源滤波器。电荷泵的输出为电压脉冲(0V或UbV)。运放的正相输入端接恒定的Ub/2V电压,因此无论电荷泵是充电还是放电,流经R1的电流的大小均为Ub/2/R1,可见电流大小是不受Uf电压影响的,同时也确保了鉴相器的线性。
(二)分频电路设计
本设计中YTO振荡输出频率范围是4～8GHz,这样高的频率在FR-4板材上损耗太大,不能保证信号的完整性。这里先利用微波板材和微波器件HMC363S8G来对YTO输出的频率进行固定8分频,将反馈信号的频率降至1GHz以下,然后才能在FR-4的板材上传输,之后经过滤波放大再进行可变分频。多模分频器选择安森美的MC100EP016,可以产生多个模值的分频比序列,以实现小数分频。
三、程序控制模块
频率合成器的程序控制主要包括两个部分:基于△∑调制技术的小数分频设计和频率合成器输出模式控制。小数分频技术的引入主要是为了解决频率分辨率和环路动态响应速度之间的矛盾,在保证环路带宽的前提下实现高频率分辨率,并且利用△∑调制算法抑制小数分频杂散;频率合成器输出模式程序控制是对YTO输出频率的控制,如图4所示:
上层软件接收到用户设置的指令,将指令送至ARM微处理器,微处理器负责指令解析计算出频率合成器所需要的控制参数,通过SPI总线发送至本振电路板上的FPGA。根据不同的路由码判断当前SPI总线上发送的参数,然后放入相应的寄存器存储,准备发至DAC预置电压累加模块和分频比累加模块,上述两个模块是同步进行的,DAC累加模块负责预置电压参数的产生,是粗调,分频比累加模块负责产生精确控制频率合成器输出频率所对应的分频比,这两个模块的时序控制是一样的,均由累加时序控制模块产生,小数分频模块的时钟与之独立。
四、系统调试结果
在调试本振电路的过程中,应该充分考虑电源纹波对YTO输出的影响,通过对环路滤波参数的不断调整,确保在整个频段内环路的锁定。最终的调试结果显示,本振输出信号的相位噪声指标可以达到-100dBc/Hz@offset 20kHz,随着频率的升高,相位噪声略有下降,特别是到了7GHz频率以上时,带内噪声增大,带外杂散增多,但仍可实现稳定锁相,满足系统设计的要求。总的来说,该设计达到了预期的指标,满足整机系统对本模块的要求。
五、结语
本文介绍了一种单环YTO方案设计频率合成源各个模块的具体方案,利用宽带器件实现了频率合成器的小型化,低功耗设计。同时还有好多可以改进的地方,通过加入数字补偿等可以进一步提高设计指标。
参考文献
[1]Floyd M.Gardner.Phaselock Techniques.Wiley-Interscience,2005.
[2]Dan H.Wolaver.Phase-Locked Loop Circuit Design.Prentice Hall,1991.
作者简介:汪振兴(1985-),男,电子科技大学空天科学技术研究院硕士研究生,研究方向:微波与通信测试,频率合成。
