采用ADI公司ADF4107芯片研制C波段頻率合成器

本次與大家分享的是世健和ADI聯合舉辦的《世健·ADI工業趴：放飛思路，解封你的超能力》主題活動的二等獎文章：《采用ADI公司ADF4107芯片研制C波段頻率合成器》。

作者：RF-劉海石

01

背景

本文主要是采用ADI公司的ADF4107頻率合成器芯片，設計一款C波段本振源，主要用于Ku波段衛星下變頻。具體應用詳情客戶沒有透露太多，這個我也明白，因為這個是某研究所的項目，只說了頻率范圍是4.8-5.2GHz。這款產品目前在應用中，下面我們分享下怎么設計這個頻率合成器。

02

產品簡介

首先在這里簡單敘述下鎖相式頻率合成器的原理。

鎖相環是一個相位負反饋系統，利用鎖相技術來產生所需要的頻率，是第二代頻率合成技術。早期的間接頻率合成器是利用模擬鎖相環，它在輸出較高的頻率時，需要大量的混頻器和分頻器，以及帶通濾波器，因此它的缺點很明顯，而且很難彌補。數字鎖相環彌補了模擬鎖相環的這些缺點，數字鎖相環由鑒相器，分頻器，環路濾波器，壓控振蕩器等幾部分組成。

下面是一個單環整數分頻鎖相環的框圖。如圖1所示：

圖1.單環整數分頻鎖相環框圖

由上圖很容易看出數字鎖相環主要由鑒相器，環路濾波器，壓控振蕩器和分頻器組成?，F代的鎖相環芯片內部包括電荷泵電路。

基本原理：參考晶振產生穩定的基準頻率，然后被參考分頻器R分頻，分頻后的頻率就是鑒相頻率，作為鑒相器的一個輸入信號。鑒相器檢測鑒相頻率與N分頻器輸出頻率的相位差，輸出平均值與該相位差成比例的直流電流。鑒相器輸出的脈沖電流經過濾波和積分產生調節電壓，該電壓驅動外接的壓控振蕩器，來增加或者減小輸出頻率，直到鑒相器的平均輸出為零。

環路濾波器就是低通濾波器，有兩種方式：

1、無源濾波器，通常由電阻和電容構成。

2、有源濾波器，通常由電阻、電容和運算放大器組成。

具體詳細設計，請參考鎖相環書籍或者其它文獻，這里不多敘述了。

接下來，設計如何實現一個C波段的頻率合成器，該頻率合成器技術指標如下：

頻率范圍：4.8GHz---5.2GHz

頻率步進：1MHz

雜散抑制：≤-50dbc

諧波抑制：≤-50dbc

相位噪聲：≤-60dbc/Hz@ 1kHz

≤-75dbc/Hz@ 10kHz

≤-110dbc/Hz@ 100kHz

輸出功率：≥10dbm

工作溫度：-40~+50℃

03

設計方案

鑒相器選擇

鑒相器選擇，在所用的頻率范圍內，盡量低的歸一化噪聲基底，具有良好的雜散指標，市面上的種類也比較多，如Analog Devices、Hittite、Maxim、Ti等品牌。本產品輸出頻率在C波段，經過對比，決定采用ADI公司的ADF4107芯片，該芯片具有高達7GHz的帶寬，在芯片內部集成了一個低噪聲數字鑒相器，內部一個精密的電荷泵，可編程預分配器，一個前置雙模分頻器，和可編程計數器。單電源供電，供電電壓2.7~3.3V，市面很多降壓芯片都可以滿足。采用3線串口控制，使用起來非常方便。如圖2所示。ADF4107芯片內部示意圖：

圖2.ADF4107內部示意圖

VCO選擇

VCO選擇，本產品選的的壓控振蕩器芯片為：Z~communications公司的V950ME08-LF，技術參數如下：

1、輸出頻率：4450----5350MHz

2、工作電壓：+5V

3、工作電流：30mA

4、輸出功率：0dbm

5、壓控靈敏度：120MHz/V

6、壓控范圍：0~9.5V

7、相位噪聲：-87dbc/Hz@10KHz

下面是廠商給出的壓控頻率曲線，如圖3所示：

圖3.壓控振蕩器的壓控曲線

環路濾波器

環路濾波器在鎖相環電路中作用至關重要，它與鎖相環各項指標密切相關。調整環路濾波器的元件參數，可以有效的改善鎖相環的相位噪聲和雜散指標。由于ADF4107的電荷泵最大在5V左右，根據VCO壓頻曲線，輸出頻率在5.2GHz時，壓控電壓在7V以上，所以需要采用有源環路濾波器。

設計環路濾波器時可以借助ADI公司提供的仿真軟件ADISimPLL 來進行設計，如圖4所示：

圖4.ADISimPLL軟件仿真電路圖

通過ADISimPLL軟件仿真得出的環路濾波器參數只是一個初始值，在實際電路中，按照這個初始值制作的鎖相環路很有可能出現不能鎖定，或者達不到系統技術指標等問題，一次必須對環路參數進行反復調整使之達到最佳。

下圖是仿真的相位噪聲，如圖5所示：

圖5.仿真相位噪聲曲線

圖5是仿真出來的相位噪聲，中心頻率4.9GHz，相位噪聲為-80dbc/Hz@1kHz。

由于技術要求頻率合成器輸出功率＞10dbm，VCO輸出只有0dbm，在經過功率分配，最終輸出只有-3dbm，所以在VCO輸出端口增加推動放大器，放大器采用ADI公司的ADL5545。如圖6所示：

圖6.ADL5545芯片介紹

如圖6可知，該放大器的帶寬覆蓋了30MHz~6GHz，輸入輸出端口內匹配到50歐姆，這也省去了外部調節匹配的麻煩，為產品設計節省了寶貴的時間。P1db：+18dbm@900MHz，就在5GHz的頻段P1db也在10dbm以上。電路簡單，+5V單電源供電，很好的兼容了系統設計。

具體參數如圖7所示：

圖7.ADL5545芯片測試圖

如圖7所示，給出的頻率范圍是4GHz~6GHz，正好所設計的頻率合成器落在這個頻率范圍內，如圖知：在4.8GHz~5.2GHz，該放大器增益大概有17db，P1db在10dbm以上，OIP3大于30dbm，證明該放大器的線性度良好，所以采用此放大器進行設計。

04

電路設計

如圖8所示，為本項目設計的C波段頻率合成器電路圖。頻率合成器采用ADF4107芯片，外圍電路參考技術手冊。參考晶振采用KDS溫補晶振，如需更高精度，可以采用恒溫晶振。VCO采用Z~communications公司的V950ME08-LF，前面已經介紹了，這里不再敘述了，環路濾波器采用有源濾波，用ADI公司的AD820運算放大器設計，可以參考ADI SimPLL軟件進行設計，最后功率放大采用ADI公司的ADL5545進行放大，連起來就是一個完整的頻率合成器電路。單片機電路我沒有給出（我用的是STC單片機），可以用不同型號的單片機去控制，3線串口，很簡單。

圖8.頻率合成器電路圖

在這里主要說下，在VCO輸出與放大器之間加入了π衰減，主要調節射頻輸出的增益，要保證ADL5545的線性度。

05

背景

該PCB采用RO4350B高頻板材設計，介電常數3.66，板材厚度0.762mm，如圖9所示：

圖9.頻率合成器PCB

外殼采用6061鋁合金，CNC加工，屏蔽盒內部隔檔，防止互相串擾。

屏蔽盒尺寸：長800mmX寬55mmX高23mm，如圖10所示：

圖10.頻率合成器實物

06

實際測試

采用R&S頻譜儀進行相位噪聲測試如圖11所示：

圖11.相位噪聲測試圖

如圖11所示，中心頻率4.9GHz，測試相位噪聲：-111dbc/Hz@100k。

交付客戶，客戶自己測試的頻率合成器相位噪聲，如圖12所示：

圖12.客戶測試相位噪聲

中心頻率4.9GHz，測試相位噪聲：

-65.9dbc/Hz@1k

-77.7dbc/Hz@10k

-110dbc/Hz@100k

通過以上測試對比，基本滿足客戶需求，這個源的指標還可以提升，但是需要反復調整環路濾波器，需要大量的時間。

07

總結調試中遇到的問題

在本次設計中，最大的工作量就是調試環路濾波器，因為環路濾波器決定了頻率合成器的好壞，也可以說環路濾波器是頻率合成器的核心。所以需要反復調整，達到最佳。

下面按照實際電路來分析，如圖13所示：

圖13.環路濾波器電路圖

1、環路帶寬的調整

圖13電路中，C1和C3對環路帶寬的影響最大，電容增大，帶寬變窄，電容減小，帶寬變寬。

2、帶內插損的調整

圖13電路中，R1對帶內插損影響最大，電阻值增大，插損變大，電阻值減小，插損減小。

3、帶內波動的調整

圖13電路中，R3和C2對帶內波動的影響較大，增大電阻，帶內波動減小，但是電阻和電容同時也會影響環路帶寬和插損，所以要結合起來調整。

還有個重要的問題。

在設計的時候在電路中加了MAX232，作為上位機和頻率合成器的通信，調試的時候發現，MAX232振蕩產生了開關頻率，然后調制到載波兩端，一開始以為是鑒相器泄漏的，繼續調整環路，經過反復調整都沒有改善，后來才發現是MAX232振蕩的原因，所以PCB板上把MAX232去掉了，最終解決了這個問題。

建議：頻率合成器內部最好不要用DC-DC電源直接給頻率合成器或者VCO供電，認可犧牲效率也要用線性電源，除非能把開關頻率徹底抑制，否則就會調制到載波兩端，很難弄掉。

以上是如何設計一個頻率合成器的所有過程，至于一些細節理論問題還需參考書籍和文獻，最主要的就是環路濾波器的調試，方法我已經分享了。調試就要看基本功了。

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