一种X频段锁相频率合成器的设计与实现

李 垒

（南京熊猫汉达科技有限公司卫星通信技术研究所，南京 210094）

0 引言

随着近年来我国北斗导航系统的广泛应用和推广，对卫星通信终端的需求越来越多，小型化、低功耗、便于携带的卫通终端越来越得到客户的青睐，而作为卫星通信系统中至关重要的频率合成器技术也获得了巨大的发展，各种频带更宽、集成度更高、性能更优的芯片器件也相继广泛出现。本文选用TI公司锁频芯片LMX2594设计了一款X波段输出的锁相频率源。

设计要求：

（1）频合器输出11.5 GHz。

（2）相位噪声 ＜-65 dBc@100 Hz，＜-75 dBc@

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

（3）输出电平 ≥5 dBm。

1 硬件选择与实现

1.1 硬件选择[1] [2]

LMX2594是TI公司最新推出的一款高性能宽带频率合成器，在不使用内部倍频器情况下能输出从10 MHz至15.4 GHz内的任意频点，避免了倍频导致的谐波或者分频杂散的出现。此频合器在实现非常低的带内噪声和抖动同时由于高速N分频器没有预分频器，从而大大减少了杂散的振幅和数量，此外芯片内部还集成了一个可减轻整数边界杂散的可编程输入乘法器可以进一步减小杂散输出。LMX2594具有多路输出和延迟输出功能；在输出频率为15 GHz时输出功率电平可达7 dBm的；供电为常用的直流3.3 V，且内部集成了LDO从而节省了外部空间，在空间要求较高的场合具有显著的优势。

控制频合器的单片机为ATMEL公司经典单片机系列的ATMAGE88PA芯片，该单片机性能稳定，应用广泛，具有多路控制功能。可以进行通过片选对多路频合器分别进行控制输出。

1.2 系统结构原理[3]

如图1所示，锁相频率合成器的原理框图包括一个高度稳定的参考源，一个频率合成器芯片LMX2594，一个单片机ATMAGE88PA和一个三阶环路滤波器。参考源是由具有高稳定性的恒温晶体振荡器产生的10 MHz标准源，该源被放大器放大到接近饱和输出然后利用二极管对取出10 MHz谐波50 MHz放大滤波获得，利用三阶锁相环路电路良好的跟踪特性，使内部压控振荡器的输出频率准确地稳定在参考频率或某次谐波上。LMX2594内部参考电路配有预分频器和倍频器，可以根据输出频率的要求以及小数或整数分频模式进行设置。本设计采用100 MHz鉴相整数分频模式。在图1中，fO为输出频率；fREF为参考频率；fcom为输出频率分频后的鉴相比较频率。

图1 LMX2594锁相频率合成器结构框图

1.3 系统硬件实现

排版设计中根据TI公司的DEMO板电路对LMX2594芯片周围滤波电容进行了空间上的优化，布局上供电脚的滤波电容尽可能的靠近芯片管脚，输出频率为11.5 GHz时的环路带宽设置为50 kHz左右，选取三阶无源环路滤波，另外为了方便单片机控制字的在线编写可以焊接微型接插件在ATMEGA88其他的串口功能管脚上，这样可以在线调试，节省调试时间。另外要注意为了防止电源、模拟信号和数字信号之间的串扰，需要在单片机和频合器之间通信电路上增加合适的到地电容和串联电阻。

2 系统软件实现

图2 TICS Pro软件关键字计算界面设置

TI公司的辅助设计工具TICS Pro软件[4]可以方便的计算出频合器寄存器数组值，其界面设置如图2所示，鉴相频率设为100 MHz，电荷泵增益设为15 mA，输出为VCO输出模式，输出频率为11.5 GHz，可以直接导出关键字文件为.TEX的文件，因为设计目标为单频点输出，所以关键字数组中包含的有关跳频相关数组寄存器等无关数组可以忽略不写，最后相关的13组有效的关键字寄存器取值如下：

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 模拟仿真

TI公司的仿真软件PLLatinum Sim[5]可以对LMX2594进行相噪输出仿真，具体设置如下：fosc为50MHz，fFPD为100 MHz，Kpd为 5 mA，FVCO为 11.5 GHz，Loop Bandwidth 为 56 kHz，Phase Magin为60°。图3中黑色曲线为系统的相噪仿真 值 为：-90dBc@100Hz，-95dBc@1kHz，-97dBc@10 kHz，-100dBc@100kHz。环路电阻电容具体参数为：R2：22 Ω、R3：33 Ω、C1：33 nF、C2：470 nF、C3：2.2 nF。

图3 模拟仿真曲线图

4 实物测试

利用N9030A型频谱仪（是德科技）对所设计的频率源进行了实物测试，测试结果如图4。其中图4（a）为SPAN设置为20 GHz的远端杂散测试曲线图，可以看到无远端谐波和杂散；图4（b）SPAN设置为100 MHz的近端杂散测试曲线图，可以看到杂散都在仪表噪声以下，都小于-60 dBc；图4（c）仪表自动测试模式下的相噪测试曲线，分别为为 -82 dBc@100 Hz、-86 dBc @1 kHz、-92 dBc @10 kHz、-98 dBc @100 kHz ；图4（d）用校准后的功率计N1912A（是德科技）测试出输出功率为8.58 dBm。所有指标都满足设计要求。

因为LMX2594为宽带频合器，因此针对点频源需求可以把环路带宽改窄，实物测试发现窄带环路可以有效地抑制一些直流DC-DC电源模块开关频率，另外芯片的鉴相泄露可以通过选取合适的鉴相频率加以解决。

实际测试中还发现LMX2594对供电和参考的顺序有一定的要求，即如果先给频合器加电后加参考信号，会存在频率锁不住的情况，为解决这一问题，需要在硬件设计中增加单片机对频合器的失锁检测脚进行判断，一旦检测到失锁信号需要单片机RESET脚重置，然后重新写一遍寄存器关键字值，即循环置数到频合器，以减少芯片本身因加电顺序造成的失锁现象。

5 结束语

通信系统尤其是卫星通信对频率源相位噪声的要求较高，不仅要求本振源本身具有良好的相位噪声指标，对本振源的供电和参考也有较高的要求。尤其是以10 MHz外参考的背景下要获得X频段的相位噪声频率源时需要较多的倍频次数，同时设备的小型化要求收发信机结构紧凑，如何保证性能的前提下处理好电源对信号的干扰以及较小空间尺寸下收发之间的干扰也是一项严峻的挑战，本文设计的频率源空间尺寸小，可靠性高，具有一定的实际意义和应用价值。

图4 实物测试结果曲线