基于LTCC技术的X波段频率源

2016-11-06 by:CAE仿真在线来源:互联网

1引言

频率源是电子系统,尤其是通信系统中必不可少的一部分,且系统的性能指标直接依赖于频率源的性能,好比系统的心脏。随着现代雷达、导航、电子对抗、通信等技术的迅猛发展,对频率源的设计提出了更苛刻的要求,不仅对频率源的短稳长稳、跳频时间等指标要求越来越高,而且对尺寸、重量也提出了小型化的要求。

低温共烧陶瓷(LTCC)技术的发展,为小型化频率源提供可能。本文介绍一种基于15层LTCC基板,采用单环锁相结构实现X波段频率源的设计方案,并给出了实测参数。基于LTCC技术的频率源的设计充分考虑了体积、重量、可靠性等特征,同时在相噪、杂散、稳定性等技术指标也做了详细考虑。

2LTCC技术

LTCC是上世纪80年代出现的一种新型材料[1],LTCC技术可以理解为一种新的制作多层电路板的方法,它是利用低温共烧陶瓷粉制成厚度精确的生瓷带,然后在生瓷带上打孔、注浆、印刷导电浆料,最后再层压在一起,850℃~875℃高温下烧结而成。

LTCC可以使用低电阻率的材料(如银、金、铜以及钯铂合金)做浆料,这样就提高了电路系统的品质因子。陶瓷的热传导性较差(大约2.5~4W/mK),但可以通过热传导孔来提高其热传导性(20W/mK)。

目前国内所采用的LTCC板材主要有DuPont 951、Ferro A6M、Ferro A6S[2],本设计选用DuPont 951,其相对介电常数为7.8@3GHz,热传导系数为3.3W/mK。

3 频率源设计

3.1 设计原理及仿真

本频率源采用单环锁相技术实现,原理框图如图1:

图3.1-1 单环锁相频率源原理框图

锁相环其实是一个相位负反馈的自动控制系统[3],鉴相器负责比较相位差,环路滤波器将相位差转化为电压差,压控振荡器VCO根据电压差输出固定的频率[4]。PLL芯片内部集成了R分频器、N分频器、鉴相器。环路滤波器采用了有源滤波,以提高VCO的输出范围。

3.2相噪分析

该系统采用锁相环技术实现,锁相环系统相位噪声来源包括参考晶振、PLL电荷泵、VCO、反馈N分频。为了较准确的评估相位噪声性能,建立锁相环的相位噪声模型。SREF为基准源的相位噪声,SN为反馈N分频器引入的相位噪声, SCP为电荷泵引入的相位噪声,SVCO为VCO引入的相位噪声,STOT为系统总噪声[5]。

这四部分的贡献可以用下式来表示。

3.3电路设计

3.3.1 环路设计

根据对锁相环电路的相噪分析,在环路带宽内相噪主要由晶振和反馈N分频相噪决定,在环路带宽外主要由VCO的相噪决定。环路滤波器在锁相环中起低通滤波作用。选用的有源滤波器由线性电容、线性电阻、运放组成。

环路滤波器的参数设置会对相噪有很大影响,通常情况下,将环路滤波器的截止频率选在环路内噪声和VCO的相位噪声交点处,可以获得较好的相位噪声性能。

3.3.2 LTCC设计

该频率源采用了单环锁相环电路。选择了低相噪的数字PLL芯片HMC700,其内部集成了R分频器、N分频器、低噪声数字鉴相器,工作频率高,相位噪声基底低,可以获得良好的输出信号相噪指标。对VCO的选择,采用小体积MMIC VCO,其内部自带前置二分频器,可以不需要设计独立的外部前置分频器;由于输出信号频带宽(1GHz),VCO压控电压已经超过了鉴相器能够输出的最高电压,因此锁相环环路滤波器需要采用有源电路,通过运放电路实现直流放大,覆盖VCO压控范围。锁相环采用5MHz的鉴相频率,以实现10MHz的频率步进。频综控制由外部实现,采用SPI串口。为实现优于20us的跳频时间,环路带宽应尽可能宽,设计采用350kHz的环路带宽,选择相位裕量为50°。