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摘要：本文以手持式矢量网络分析仪平台为依托，提出了30kHz～20GHz小型化低功耗超宽带激励源的设计方案。

关键词：20GHz超宽带；激励源；系统设计

引言

近年来，随着用户测试要求提高和微波毫米波集成技术的进步，手持式矢量网络分析仪呈现出体积越来越小、重量越来越轻、电池供电时间越来越长、性能指标越来越高的发展态势。激励源作为矢量网络分析的关键硬件组成部分，其性能直接决定了整机的频率范围、端口输出功率、反射/传输跟踪以及动态范围等指标。

1  激励源板整体方案设计

激励源板即本文所述的采用微波印制电路板设计的30kHz～20GHz连续波扫频激励源。其电路主要由10GHz～20GHz超宽带高性能锁相环电路（PLL）、分频电路、功率控制电路、开关选择电路和低波段混频电路等组成，最终在Rogers RO4003C高频板材上实现了30kHz～20GHz连续波激励信号的合成。激励源板的整体设计方案如图1所示。

激励源板的超宽带高性能锁相环电路合成10GHz～20GHz扫频信号。以10GHz～20GHz扫频信号作为基波信号，通过软件控制数控分频器可对基波信号进行1、2、4、8分频，分别产生10GHz～20GHz、5GHz～10GHz、2.5GHz～5GHz和1.25GHz～2.5GHz四个频段的信号，将频率扩展为1.25GHz～20GHz扫频信号。低波段的30kHz～1.25GHz信号通过开关选通3.25GHz～4.5GHz与3.25GHz的固定本振信号混频产生。通过一对4选1开关选择可以完成30kHz～20GHz的信号合成。各波段有固定衰减器配合一个数控衰减器组成功率控制电路来调整端口输出功率大小。激励源板输出功率范围要求与多功能收发组件激励通道频响有直接关系，考虑到多功能接收组件的频响在整个宽带范围内波动比较大，选用的数控衰减器步进为0.5dB，衰减范围0～31.5dB，可通过软件划分细波段，进行分波段控制衰减量，这样可以在保证端口输出功率范围的同时降低多功能收发组件的设计难度。其中，参考信号由90MHz高性能恒温晶体振荡器提供，其频率初始准确度为±0.3ppm，老化率为±0.5ppm/年，温度稳定度为0.1ppm，具有优异的性能指标，满足频率准确度设计要求。电源、控制线以及3.25GHz固定本振信号由其他电路板提供。整体方案按照集成化、小型化、低功耗的设计思想下完成，电路简化，频段覆盖宽，性能指标好，最终在微波印制电路板上实现30kHz～20GHz连续波激励信号的合成。

2  10GHz～20GHz频率合成方案设计

常用的高性能频率合成方案主要有3种，直接模拟式频率合成（ADS）、直接数字式频率合成（ DDS）、锁相环频率合成（ PLL） [1] 。直接模拟式频率合成不能满足各种不同频率的要求，目前已淘汰。直接数字式频率合成DDS技术具有高频率分辨率、相位噪声低、快速跳频等优点，但是只能输出低波段信号。PLL技术具有频率覆盖范围大、相位噪声低、杂散抑制好等优点，也是目前应用最广泛的频率合成技术。本设计将采用PLL技术进行10GHz～20GHz基波信号的合成。

锁相环是一种负反馈控制系统，其作用是将电路输出的频率与其外部的参考频率源保持同步，同时保持与参考源同等的性能。主要由鉴频鉴相器、环路滤波器、压控振荡器（VCO）、小数分频器、参考信号组成[2]。锁相环电路进行频率合成的工作过程是将外部参考信号到鉴相器进行R分频后与经小数分频器的反馈信号进行鉴相，产生电荷泵电压CP输出到环路滤波器，经过环路滤波器后滤除电压信号中的高频成分，输出一个控制电压作为压控振荡器的调谐电压，压控振荡器在调谐电压的控制下发生频率和相位的改变，压控振荡器输出的信号经过功分，一路反馈给小数分频器，经过分频后再反馈给鉴相器，当压控振荡器的输出信号与输入的参考信号之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在时，环路被锁定。环路锁定后功分器的另一路输出信号便可作为激励源的输出信号。

本文将采用上述的PLL技术进行10GHz～20GHz的超宽带频率合成，本设计选用的压控振荡器输出频率范围为10GHz～20GHz，对应的控制电压是1～20V。本设计选用的频率合成器由ADI公司的两款芯片组成，提供小数分频及鉴相功能。鉴频鉴相器的归一化噪声基底可达-227dBc/Hz，噪声指标在同类芯片中是比较好的。小数分频器带宽为DC～7GHz，集成有48位Σ-Δ型调制器，可以使输出信号的频率分辨率远远优于0.1Hz。因为VCO输出的频率范围为10～20GHz，超出了小数分频器的输入量程，因此需要在小数分频器之前增加一个固定的4分频器，将反馈信号变为2.5～5GHz。受限于小数分频器的小数模式最小分频比是36，而反馈信号的最低频率为2.5GHz，因此鉴相频率必须小于69.4MHz，但是大的鉴相频率可以提高带内相位噪声。综合考虑，本设计选用了45MHz的鉴相频率。该宽带锁相环电路方案能够组成高性能、低相位噪声、超低杂散的频率合成器。本设计中选用的VCO输出频率10GHz～20GHz，对应的控制电压是1～20V，最大值超过了鉴相器电荷泵电压（Vp = 5V），所以需要使用有源环路滤波器，在对环路误差信号进行滤波的同时，也提供一定的增益，从而调整VCO控制电压到合适范围。本设计选择4阶有源环路滤波器。

环路滤波器[3]用于滤除鉴相器产生的高频成分、输出纹波和带外噪声，决定了锁相环的杂散抑制、相位噪声、环路稳定性和锁相时间等指标。基于手持式矢量网络分析仪项目的需求，激励源信号环路稳定性、对小数杂散的抑制指标优先于对相位噪声指标的要求。需要在保证环路稳定、低小数杂散的情况下，通过选定合理的环路带宽，尽量提高锁定速度和相位噪声。综合考虑，我们选取环路带宽为200kHz，采用锁相环设计与仿真软件 PLL Design  and  Analysis  Software进行仿真，得到一组环路参数，并通过调试确定最终的参数。经过-12℃的低温实验和52℃的高温实验摸底，进行了环路稳定性实验，锁相环工作正常。

根据上述设计，当锁相环锁定后，输入参考信号频率f_REF与VCO输出频率f_vco之间的关系满足下面公式：

其中， 是VCO的输出频率，是外部晶振参考频率，是反馈信号分频比的整数部分，是反馈信号分频比的小数部分， R是参考信号的分频比，n是Σ-Δ型调制器的位数。根据上述公式，可以计算出10GHz～20GHz各频率所需的参数设置。30kHz～10GHz是通过10GHz～20GHz基波信号分频以及混频产生。

HMCXXX具有48位的小数分频芯片。其分频比通过三个寄存器REG05，REG06，REG07控制。REG05为整数分频比寄存器，REG06为前30位小数分频寄存器，REG07为后18位小数分频寄存器。通过寄存器可以设置调制器的位数最大为48，只要用到29位以上即可满足小于0.1Hz的指标要求，频率分辨率计算如下：

3  超宽带PCB传输线低传输损耗设计

信号在传播过程中的能量损失是不可避免的，特别是随着频率的提高，信号在电路板上的损耗也会增加，如何实现高频信号在电路板上低损耗传输变得尤为重要。为了降低成本、增加可生产性，本设计选用在微波印制板材上实现30kHz～20GHz的激励信号合成与传输。本设计中难点之一就是如何突破超宽带匹配问题，实现20GHz信号在PCB板上的高稳定性、低损耗传输。

对于PCB传输线电路，传输损耗主要包括导体损耗、介质损耗、辐射损耗和阻抗不连续损耗几个部分，是各种损耗成分的总和。导体损耗，导线的电阻在交流情况下随频率变化，随着频率的升高，电流由于趋肤效应集中在导体表面，受到的阻抗增大，同时，铜箔表面的粗糙度也会加剧导体损耗；介质损耗，源于介质的极化，交流电场使介质中电偶极子极化方向不断变化，消耗能量；辐射损耗，由导带两侧开放性引起，辐射引起的信号损耗相对较小，但是会带来EMI问题；阻抗不连续损耗，在超宽带微波通道中，传输线匹配设计直接影响电路的最终性能，因为在输入输出阻抗匹配的条件下才能实现信号的无反射传输或者最大功率传输，如果阻抗不匹配，会造成信号反射，损耗增大，频率响应变差，器件本身的特性也会受到影响，尤其在高频时，更容易造成失配。

常用的传输线技术主要有微带线、接地共面波导和带状线技术等。为了避免传输线在过孔换层时所带来的阻抗不连续的情况，本设计中传输线全部在微波印制板TOP层布线，因此适用的高频传输线技术只有微带线和接地共面波导。综合考虑，在20GHz频段内，微带线和接地共面波导的传输损耗相差不大，但由于接地共面波导需要大面积的接地，会受限于激励源板的尺寸要求，而微带线具有加工容易、设计简单、物理尺寸小、易于集成等优点，因此本设计传输线采用微带线技术。

在选择电路板材料时，为了降低传输线在高频波段中的寄生杂散和辐射损耗，需要选用较薄的电路材料。同时，较低的介质损耗材料，较光滑的铜箔材料可降低电路的介质损耗和导体损耗，进一步优化电路性能。高介电常数会减小电路线宽，降低杂散模式的产生，但更窄的线宽使加工难度增加、一致性降低，容易增大批次间的波动。

微波板材和板材厚度本设计选择了Rogers公司的微波板材RO4003C，其介电常数Er=3.38，电路设计推荐值为3.55，搭配介电常数为3.54的RO4450半固化片。RO4003C具有较低的介质损耗，在10GHz处介质损耗仅有tanδ=0.0027。其介电常数随温度和频率变化不明显，且吸水率仅有0.06%，这些性能保证了可以应用到毫米波频段。选定板材后，为了良好的传输线阻抗匹配，减小阻抗不连续带来的传输线损耗。我们通过使用Polar Si9000仿真软件对微带线进行了仿真，考虑到实际情况，介电常数我们采用厂家推荐的3.55，设计板材厚度为H=0.305mm，铜厚0.5oz即为0.0178mm。线宽W=0.65mm，使用仿真软件计算特征阻抗Z0=50.79Ω。经过上述选材以及阻抗匹配设计，同时在PCB设计时做到良好的接地与屏蔽减小辐射损耗和阻抗不连续损耗，此时传输损耗主要包含导体损耗和介质损耗，通过Polar Si9000仿真软件，我们可以大概计算出传输线长度L=10mm，在频率为20GHz时传输损耗只有0.16dB。该激励源板由于整体尺寸较小，20GHz波段微带线长度约为60mm，信号在微带线上的传输损耗大概只有1dB。

4  研究成果

本文设计的20GHz超宽带激励源板具有小型化、低功耗、低小数杂散、超宽带等特点，全部采用表面贴装元器件，在单块微波板材上实现了30kHz～20GHz连续信号的发生。

图2中展示了激励源板最大输出功率（蓝色曲线）、最小输出功率（红色曲线）以及整机补偿数据后实际输出曲线（绿色曲线），最大输出功率均高于-5dBm，低于+5dBm，在满足指标要求值-7dBm～+7dBm。蓝色曲线可以看出在硬件频率换段点1.25GHz、2.5GHz、10GHz等处有明显的换段差异，但蓝色曲线和红色曲线的差值即功率调整范围在25dB以上，满足指标要求20dB。绿色曲线显示的是补偿数据后激励源板输出的功率值，实际需要的功率值在30kHz～18GHz范围内距最大值和最小值均具有较大余量。在18GHz～20GHz频段由于多功能收发组件中倍频器需要更大的推动功率，相对来说，指标余量较小，但仍满足指标要求。经验证测试，整机矢网模式下的默认输出功率为-10dBm，高功率为-5dBm，低功率为-35dBm，功率调节精度在常温下可以做到1.5dB，满足整机功率指标的要求。

参考文献：

[1]王磊，黄建国.一款低成本的宽带扫频源设计[J].电子测量技术，2010.

[2]刘祖深.高性能小数分频频率合成技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2017.

[3]海森.高阶有源锁相环路滤波器的设计与仿真[J].科学技术与工程，2009.