基于LTCC技術(shù)的X波段頻率源

2016-11-06 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1引言

頻率源是電子系統(tǒng),尤其是通信系統(tǒng)中必不可少的一部分,且系統(tǒng)的性能指標直接依賴于頻率源的性能,好比系統(tǒng)的心臟。隨著現(xiàn)代雷達、導航、電子對抗、通信等技術(shù)的迅猛發(fā)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(wěn)長穩(wěn)、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(shù)的發(fā)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(huán)鎖相結(jié)構(gòu)實現(xiàn)X波段頻率源的設計方案,并給出了實測參數(shù)。基于LTCC技術(shù)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(wěn)定性等技術(shù)指標也做了詳細考慮。

2LTCC技術(shù)

LTCC是上世紀80年代出現(xiàn)的一種新型材料[1],LTCC技術(shù)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(jié)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(tǒng)的品質(zhì)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(nèi)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(shù)為7.8@3GHz,熱傳導系數(shù)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(huán)鎖相技術(shù)實現(xiàn),原理框圖如圖1:

圖3.1-1 單環(huán)鎖相頻率源原理框圖

鎖相環(huán)其實是一個相位負反饋的自動控制系統(tǒng)[3],鑒相器負責比較相位差,環(huán)路濾波器將相位差轉(zhuǎn)化為電壓差,壓控振蕩器VCO根據(jù)電壓差輸出固定的頻率[4]。PLL芯片內(nèi)部集成了R分頻器、N分頻器、鑒相器。環(huán)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(tǒng)采用鎖相環(huán)技術(shù)實現(xiàn),鎖相環(huán)系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)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(huán)路設計

根據(jù)對鎖相環(huán)電路的相噪分析,在環(huán)路帶寬內(nèi)相噪主要由晶振和反饋N分頻相噪決定,在環(huán)路帶寬外主要由VCO的相噪決定。環(huán)路濾波器在鎖相環(huán)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(huán)路濾波器的參數(shù)設置會對相噪有很大影響,通常情況下,將環(huán)路濾波器的截止頻率選在環(huán)路內(nèi)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(huán)鎖相環(huán)電路。選擇了低相噪的數(shù)字PLL芯片HMC700,其內(nèi)部集成了R分頻器、N分頻器、低噪聲數(shù)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(nèi)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(jīng)超過了鑒相器能夠輸出的最高電壓,因此鎖相環(huán)環(huán)路濾波器需要采用有源電路,通過運放電路實現(xiàn)直流放大,覆蓋VCO壓控范圍。鎖相環(huán)采用5MHz的鑒相頻率,以實現(xiàn)10MHz的頻率步進。頻綜控制由外部實現(xiàn),采用SPI串口。為實現(xiàn)優(yōu)于20us的跳頻時間,環(huán)路帶寬應盡可能寬,設計采用350kHz的環(huán)路帶寬,選擇相位裕量為50°。

電路采用15層LTCC實現(xiàn),LTCC選用DuPont 951,其相對介電常數(shù)為7.8。層數(shù)設置為:表層是器件層,第5層、第6層為電源層,第12層內(nèi)埋無源濾波器及方阻,其余為地層。圖2為設計完成后的LTCC布局圖。

圖3.3.2-1 LTCC布局圖

3.3.3 濾波器的設計

濾波器采用LTCC帶狀線實現(xiàn),內(nèi)埋于LTCC內(nèi)部,設計圖形如下:

圖3.3.3-1 濾波器設計圖形

利用Anoft Designer工具,對濾波器進行仿真,仿真結(jié)果如下:

圖3.3.3-2 濾波器仿真結(jié)果

插入損耗:<3dB

通帶: f=13GHz±0.5GHz

抑制:f=11.75GHz>40dB

抑制:f=14.75GHz>40dB

4組裝圖及測試結(jié)果

LTCC加工完成后,將器件組裝完成后見下圖。其中,右排焊盤為供電及控制部分。

圖4-1 組裝圖

測試表明,該頻率源在1kHz處相噪為-69dBc/Hz,如下:

圖4-2 1kHz處相噪測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文給出了基于LTCC技術(shù)X波段跳頻頻率源的設計仿真及測試結(jié)果。結(jié)果證實,把LTCC技術(shù)應用與頻率源的設計,在表面貼裝有源器件,內(nèi)部集成無源器件,實現(xiàn)了小型化,且各項性能指標均滿足設計要求。該小型化頻率源在雷達、導航系統(tǒng)及其他通訊領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

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