基于Hittite HMC704LP4低相噪锁相环芯片的X波段跳频源设计方案

引言

随着雷达、电子侦察与对抗、通信等领域技术的飞速发展，对频率源的性能提出了越来越高的要求。这些要求包括高频率、低相噪、低杂散、小步进、宽频带以及小体积等。频率合成技术作为实现这些高性能指标的关键技术之一，主要包括直接模拟式频率合成、锁相频率合成（PLL）、直接数字式频率合成（DDS）和混合式频率合成（DDS+PLL）四种方式。本文详细介绍了一种基于Hittite HMC704LP4低相噪锁相环芯片的X波段跳频源设计方案，重点讨论其主控芯片型号、设计原理、系统架构及主要性能指标。

1. 主控芯片型号及作用

1.1 HMC704LP4概述

HMC704LP4是Hittite公司推出的一款低相噪小数分频锁相环（PLL）芯片，其最高工作频率可达8 GHz，具有整数模式和小数模式，广泛应用于高频、低相噪、低杂散的频率合成系统中。该芯片集成了鉴相器、精密电荷泵、参考分频器R、可编程分频器N、Delta-sigma调制器以及缓冲放大电路等关键组件，通过精密的电路设计实现低相噪和高稳定性的频率输出。

1.2 主要作用

• 频率合成：HMC704LP4作为跳频源的核心部件，负责将输入的参考信号（如OCXO晶振）经过分频、倍频等处理，输出指定频率范围内的跳频信号。

• 低相噪性能：通过内置的Delta-sigma调制技术和优化的环路滤波器设计，实现极低的相位噪声，满足高精度系统的需求。

• 小步进调节：支持小数分频模式，实现频率的精细调节，满足小步进跳频的要求。

• 宽频带覆盖：具备宽频带工作能力，能够覆盖X波段（9.87~10.47 GHz）的频率范围。

2. 系统架构

2.1 系统组成

整个X波段跳频源系统主要由以下几个部分组成：

• 主控芯片HMC704LP4：负责频率合成与调节。

• 参考信号源：如100 MHz OCXO晶振，提供稳定的参考信号。

• 环路滤波器：位于鉴相器和压控振荡器（VCO）之间，用于滤除噪声和杂散，优化环路性能。

• VCO：选用HitTIte公司的HMC512，提供高频、低相噪的振荡信号。

• 电源模块：为系统各部件提供稳定的电源供电。

• 时序控制板：用于接收外部控制信号，控制HMC704LP4内部寄存器的配置，实现频率的切换和调节。

2.2 工作原理

系统工作时，首先由参考信号源（如OCXO晶振）提供稳定的参考信号，经过HMC704LP4的参考分频器R进行分频处理。随后，该信号与VCO的输出信号在鉴相器中进行相位比较，产生误差信号。误差信号经过精密电荷泵转换为电压信号，驱动VCO调整其输出频率，直至与参考信号同步。通过调整可编程分频器N的分频比，可以实现不同频率的输出。在小数模式下，Delta-sigma调制器将分频比细分为小数部分，实现频率的精细调节。

3. 设计细节

3.1 环路滤波器设计

环路滤波器是锁相环设计的关键部分，其设计直接影响到系统的相位噪声和杂散性能。本设计采用四阶有源滤波器，通过调整滤波器的带宽、相位裕量等参数，实现最佳的环路性能。滤波器设计时需要折中考虑带宽的大小：带宽小可以降低近端相噪，但会增加环路锁定时间；带宽大则相反。本设计借助于Hittite PLL Design软件进行仿真和优化，最终确定滤波器的各项参数。

3.2 VCO选择

VCO选用HitTIte公司的HMC512，该VCO具有高频、低相噪的特点，频率范围为9.6~10.8 GHz，满足X波段跳频源的需求。同时，HMC512提供二分频、四分频输出，进一步提高了系统的灵活性。

3.3 电源设计

系统供电包括+15V、+5V和+3.3V三种电压。其中，+15V和+5V由电源板经过滤波后直接供给锁相环电路；+3.3V由