貴州航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 吳小松

1.引言

在日常的工作中，計(jì)算機(jī)和電子系統(tǒng)不可避免地產(chǎn)生電磁輻射，而電磁輻射中會(huì)攜帶著用戶的各種信息，從而容易造成信息泄露[1]。因此，不少單位采用電磁屏蔽室的方式來有效地防止電磁輻射造成泄密問題。電磁屏蔽效能指標(biāo)直接關(guān)系到電磁屏蔽室是否符合相關(guān)的保密要求，因此其受到各方的重視，進(jìn)而對(duì)該指標(biāo)所展開的檢測(cè)逐漸成為各方在投入使用電磁屏蔽室前的一個(gè)重要項(xiàng)目。為滿足對(duì)電磁屏蔽效能的檢測(cè)，目前對(duì)該指標(biāo)的檢測(cè)主要采用信號(hào)發(fā)生器和功率放大器結(jié)合的方式。而由于需要檢測(cè)的頻點(diǎn)覆蓋較寬的頻率范圍，往往需要多臺(tái)設(shè)備完成相應(yīng)的檢測(cè)。當(dāng)信號(hào)源不僅滿足電磁屏蔽效能檢測(cè)需要的頻點(diǎn)需求，同時(shí)還能輸出較大的功率時(shí)，可以只需要一臺(tái)設(shè)備就能完成電磁屏蔽效能的相關(guān)檢測(cè)。

頻率合成主要有直接頻率合成、鎖相頻率合成、直接數(shù)字頻率合成（DDS）等技術(shù)[2]。鎖相環(huán)技術(shù)具有輸出頻率高、雜散小以及相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于信號(hào)源的設(shè)計(jì)中。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)主要采用獨(dú)立的各組成部分的器件實(shí)現(xiàn)，使得鎖相環(huán)電路的體積加大。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，可以將鎖相環(huán)的組成部分大多集成在單一的芯片上，進(jìn)而大大地簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的小型化[3]。本文以ADF5356鎖相環(huán)芯片為核心，提出了一種用于電磁屏蔽效能檢測(cè)的信號(hào)源設(shè)計(jì)方案。

2.ADF5356功能簡(jiǎn)介

ADF5356是ADI公司的一款寬帶低相噪鎖相環(huán)芯片，結(jié)合外部參考頻率和環(huán)路濾波器時(shí)，可實(shí)現(xiàn)小數(shù)N分頻或者整數(shù)N分頻鎖相環(huán)（PLL）頻率合成器，其功能框圖如圖1所示[4]。

圖1 ADF5356功能框圖

ADF5356具有一個(gè)低噪聲的寬帶集成壓控振蕩器（VCO），其基波輸出頻率范圍為3.4GHz至6.8GHz。其有兩個(gè)RF輸出通道，在其中的一個(gè)輸出通道中，VCO頻率同過2倍頻電路產(chǎn)生得到6.8GHz到13.6GHz 的RF輸出頻率；在另一路輸出通道中， VCO頻率可進(jìn)行1、2、4、8、16、32或者64分頻，可以產(chǎn)生低至53.125MHz的RF輸出頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)53.125MHz至6.8GHz的輸出頻率范圍的覆蓋。對(duì)于要求隔離噪聲的應(yīng)用，RF輸出級(jí)具有靜音功能，靜音功能既可以通過管腳控制，也可以利用軟件控制。ADF4356具有52位模數(shù)分辨率，可以實(shí)現(xiàn)與參考輸入頻率無關(guān)的精確頻率工作模式。片內(nèi)的所有寄存器均通過簡(jiǎn)單的三線式接口來進(jìn)行控制，也易于編程。同時(shí)可采用編程對(duì)其RF輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。ADF5356采用3.15V至3.45V的模擬和數(shù)字電源進(jìn)行工作，并帶有4.75V至5.25V的電荷泵和VCO電源。此外，其還內(nèi)置有硬件和軟件省電模式。

3.用于電磁屏蔽效能檢測(cè)信號(hào)源的設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)電磁屏蔽效能檢測(cè)時(shí)的需要，信號(hào)源需要提供包含450MHz、950MHz、6GHz以及10GHz 的單頻點(diǎn)信號(hào)。以鎖相環(huán)芯片ADF5356為核心，設(shè)計(jì)滿足需求的信號(hào)源，總體方案如圖2所示。

圖2 信號(hào)源總體方案框圖

信號(hào)源主要由頻率合成模塊、功率放大模塊、控制模塊和顯示模塊等構(gòu)成。參考信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)芯片ADF5356后，利用控制電路提供頻率合成器芯片工作所需的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)等，在鎖相環(huán)的輸出端輸出制定頻率的信號(hào)。用于電磁屏蔽效能檢測(cè)時(shí)需要較高的功率，而通過ADF5356輸出的信號(hào)功率較低，需要對(duì)其功率進(jìn)行較大幅度地增大。由于信號(hào)頻率覆蓋較寬的范圍，需要根據(jù)頻率值采用不同的功率放大器。利用微波開關(guān)的切換控制不同頻率信號(hào)的放大和輸出。同時(shí)，可以利用數(shù)碼管顯示等方法將信號(hào)源輸出信號(hào)的頻率和功率值顯示出來。

3.2 鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于ADF53536鎖相環(huán)芯片，其內(nèi)部需要確定的主要有前置預(yù)分頻器，R、N分頻器，經(jīng)過VCO后的RF輸出模式。

VCO輸出頻率可表示為：

其中，fVCO是VCO輸出頻率，INT是二進(jìn)制16位計(jì)數(shù)器整數(shù)分頻系數(shù)（4/5預(yù)分頻器為23至32767,8/9預(yù)分頻器為75至65535），F(xiàn)RAC1是小數(shù)分頻系數(shù)（0至16777215），F(xiàn)RAC2是輔助小數(shù)分頻系數(shù)（0至268435455），MOD2是可編程輔助分?jǐn)?shù)模數(shù)（2至268435455），MOD1是固定的24位模數(shù)（其值為16777216），fPFD是鑒相頻率，其值可表示為：

其中，fPFD是參考輸入頻率，D是輸入?yún)⒖碱l率二倍頻器位，R是二進(jìn)制10位可編程參考分頻器的預(yù)設(shè)分頻分頻系數(shù)（1至1023），T是參考頻率的二分頻器位（0或者1）。

下面以系統(tǒng)需要得到的450MHz頻率為例，介紹各參數(shù)的確定方法。

系統(tǒng)參考輸入頻率設(shè)為100MHz，且取鑒相頻率為參考輸入頻率值，則D、R和T分別為0、1和0。VCO輸出頻率為3.4GHz至6.8GHz，因此要獲取450MHz的輸出頻率，則需要用到分頻輸出模式中的8分頻，則VCO輸出頻率值為：

由式(1)可知，鎖相環(huán)芯片ADF5356只需工作在整數(shù)模式且分頻系數(shù)為36時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)450MHz頻率的輸出。此時(shí)小數(shù)分頻相關(guān)系數(shù)FRAC1和FRAC2均為0。

同理可得到，要獲取系統(tǒng)所需的幾個(gè)頻點(diǎn)值，各鎖相環(huán)參數(shù)值如表1所示。

表1 鎖相環(huán)參數(shù)表

根據(jù)上述各參數(shù)的值，結(jié)合ADF5356 datasheet資料，可以得出相應(yīng)的寄存器數(shù)據(jù)，從而利用鎖相環(huán)芯片編程得到指定頻率的信號(hào)。

4 結(jié)論

本文介紹了利用集成VCO 的鎖相環(huán)芯片ADF5356設(shè)計(jì)信號(hào)源的設(shè)計(jì)過程和方法，給出了頻率合成器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，得到了可以用于電磁屏蔽效能檢測(cè)所需頻率。該頻率源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)，極大地有助于相關(guān)電磁屏蔽效能檢測(cè)工作。