基于LTCC技術的X波段頻率源

2016-11-06 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1引言

頻率源是電子系統,尤其是通信系統中必不可少的一部分,且系統的性能指標直接依賴于頻率源的性能,好比系統的心臟。隨著現代雷達、導航、電子對抗、通信等技術的迅猛發展,對頻率源的設計提出了更苛刻的要求,不僅對頻率源的短穩長穩、跳頻時間等指標要求越來越高,而且對尺寸、重量也提出了小型化的要求。

低溫共燒陶瓷(LTCC)技術的發展,為小型化頻率源提供可能。本文介紹一種基于15層LTCC基板,采用單環鎖相結構實現X波段頻率源的設計方案,并給出了實測參數?；?/span>LTCC技術的頻率源的設計充分考慮了體積、重量、可靠性等特征,同時在相噪、雜散、穩定性等技術指標也做了詳細考慮。

2LTCC技術

LTCC是上世紀80年代出現的一種新型材料[1],LTCC技術可以理解為一種新的制作多層電路板的方法,它是利用低溫共燒陶瓷粉制成厚度精確的生瓷帶,然后在生瓷帶上打孔、注漿、印刷導電漿料,最后再層壓在一起,850℃~875℃高溫下燒結而成。

LTCC可以使用低電阻率的材料(如銀、金、銅以及鈀鉑合金)做漿料,這樣就提高了電路系統的品質因子。陶瓷的熱傳導性較差(大約2.5~4W/mK),但可以通過熱傳導孔來提高其熱傳導性(20W/mK)。

目前國內所采用的LTCC板材主要有DuPont 951、Ferro A6M、Ferro A6S[2],本設計選用DuPont 951,其相對介電常數為7.8@3GHz,熱傳導系數為3.3W/mK。

3 頻率源設計

3.1 設計原理及仿真

本頻率源采用單環鎖相技術實現,原理框圖如圖1:

圖3.1-1 單環鎖相頻率源原理框圖

鎖相環其實是一個相位負反饋的自動控制系統[3],鑒相器負責比較相位差,環路濾波器將相位差轉化為電壓差,壓控振蕩器VCO根據電壓差輸出固定的頻率[4]。PLL芯片內部集成了R分頻器、N分頻器、鑒相器。環路濾波器采用了有源濾波,以提高VCO的輸出范圍。

3.2相噪分析

該系統采用鎖相環技術實現,鎖相環系統相位噪聲來源包括參考晶振、PLL電荷泵、VCO、反饋N分頻。為了較準確的評估相位噪聲性能,建立鎖相環的相位噪聲模型。SREF為基準源的相位噪聲,SN為反饋N分頻器引入的相位噪聲, SCP為電荷泵引入的相位噪聲,SVCO為VCO引入的相位噪聲,STOT為系統總噪聲[5]。

這四部分的貢獻可以用下式來表示。

3.3電路設計

3.3.1 環路設計

根據對鎖相環電路的相噪分析,在環路帶寬內相噪主要由晶振和反饋N分頻相噪決定,在環路帶寬外主要由VCO的相噪決定。環路濾波器在鎖相環中起低通濾波作用。選用的有源濾波器由線性電容、線性電阻、運放組成。

環路濾波器的參數設置會對相噪有很大影響,通常情況下,將環路濾波器的截止頻率選在環路內噪聲和VCO的相位噪聲交點處,可以獲得較好的相位噪聲性能。

3.3.2 LTCC設計

該頻率源采用了單環鎖相環電路。選擇了低相噪的數字PLL芯片HMC700,其內部集成了R分頻器、N分頻器、低噪聲數字鑒相器,工作頻率高,相位噪聲基底低,可以獲得良好的輸出信號相噪指標。對VCO的選擇,采用小體積MMIC VCO,其內部自帶前置二分頻器,可以不需要設計獨立的外部前置分頻器;由于輸出信號頻帶寬(1GHz),VCO壓控電壓已經超過了鑒相器能夠輸出的最高電壓,因此鎖相環環路濾波器需要采用有源電路,通過運放電路實現直流放大,覆蓋VCO壓控范圍。鎖相環采用5MHz的鑒相頻率,以實現10MHz的頻率步進。頻綜控制由外部實現,采用SPI串口。為實現優于20us的跳頻時間,環路帶寬應盡可能寬,設計采用350kHz的環路帶寬,選擇相位裕量為50°。