基于Hittite HMC704LP4低相噪鎖相環芯片的X波段跳頻源設計方案

引言

隨著雷達、電子偵察與對抗、通信等領域技術的飛速發展，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、寬頻帶以及小體積等。頻率合成技術作為實現這些高性能指標的關鍵技術之一，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。本文詳細介紹了一種基于Hittite HMC704LP4低相噪鎖相環芯片的X波段跳頻源設計方案，重點討論其主控芯片型號、設計原理、系統架構及主要性能指標。

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分頻鎖相環（PLL）芯片，其最高工作頻率可達8 GHz，具有整數模式和小數模式，廣泛應用于高頻、低相噪、低雜散的頻率合成系統中。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調制器以及緩沖放大電路等關鍵組件，通過精密的電路設計實現低相噪和高穩定性的頻率輸出。

1.2 主要作用

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

• 低相噪性能：通過內置的Delta-sigma調制技術和優化的環路濾波器設計，實現極低的相位噪聲，滿足高精度系統的需求。

• 小步進調節：支持小數分頻模式，實現頻率的精細調節，滿足小步進跳頻的要求。

• 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. 系統架構

2.1 系統組成

整個X波段跳頻源系統主要由以下幾個部分組成：

• 主控芯片HMC704LP4：負責頻率合成與調節。

• 參考信號源：如100 MHz OCXO晶振，提供穩定的參考信號。

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

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

• 電源模塊：為系統各部件提供穩定的電源供電。

• 時序控制板：用于接收外部控制信號，控制HMC704LP4內部寄存器的配置，實現頻率的切換和調節。

2.2 工作原理

系統工作時，首先由參考信號源（如OCXO晶振）提供穩定的參考信號，經過HMC704LP4的參考分頻器R進行分頻處理。隨后，該信號與VCO的輸出信號在鑒相器中進行相位比較，產生誤差信號。誤差信號經過精密電荷泵轉換為電壓信號，驅動VCO調整其輸出頻率，直至與參考信號同步。通過調整可編程分頻器N的分頻比，可以實現不同頻率的輸出。在小數模式下，Delta-sigma調制器將分頻比細分為小數部分，實現頻率的精細調節。

3. 設計細節

3.1 環路濾波器設計

環路濾波器是鎖相環設計的關鍵部分，其設計直接影響到系統的相位噪聲和雜散性能。本設計采用四階有源濾波器，通過調整濾波器的帶寬、相位裕量等參數，實現最佳的環路性能。濾波器設計時需要折中考慮帶寬的大小：帶寬小可以降低近端相噪，但會增加環路鎖定時間；帶寬大則相反。本設計借助于Hittite PLL Design軟件進行仿真和優化，最終確定濾波器的各項參數。

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，進一步提高了系統的靈活性。

3.3 電源設計

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