北斗导航终端射频接收通道集成电路的设计

论文摘要

卫星导航产业已经成为继移动通信、互联网之后第三个发展最快的电子信息产业新的增长点,其具有应用与服务的高科技、大众化、集成化、全球化、泛在性等五大特点,同时能够与通信产业和互联网产业形成良好的互补性、融合性、增值性等三大优势,因而能有效地渗透到人们的日常生活和国民经济诸多领域中。随着中国北斗二代卫星导航系统的逐步完善以及在亚太地区的正式运营,针对北斗卫星导航接收芯片的研究与设计是一项很有价值和实际意义的工作。本文的工作主要针对北斗一代RDSS卫星接收机接收通道集成电路进行研究与设计,主要内容分为两大部分：一是北斗RDSS接收通道系统的结构分,析,并对其中的低噪声放大器和下变频混频器两个关键模块进行原理图设计与仿真：二是利用集成电路专业设计软件进行这两个关键模块的芯片版图设计。首先,本文分析了几种常用的卫星导航接收机结构,并根据北斗一代RDSS卫星信号特点,确定了采用低中频多相滤波器镜像抑制接收机结构。在此基础上,对接收机系统指标进行了分解,确定出接收通道各个模块的具体指标参数,其中的关键指标包括外置低噪声放大器的增益与噪声系数、内部低噪声放大器增益与噪声系数、混频器增益、通道放大器增益以及射频芯片内部噪声系数等。根据所确定的总体和各级指标参数要求,利用Agilent公司的ADS射频仿真软件对接收端进行了系统级仿真。其次,本文对北斗一代RDSS接收通道射频芯片的关键模块片内低噪声放大器和混频器进行了重点研究与参数分析,并采用TSMC 0.18 RF CMOS工艺库进行设计。其中,为了克服偏置电平的影响以及提高低噪声放大器的线性度,LNA采用了差分输入差分输出结构；而对于混频器,采用应用最广泛的吉尔伯特双平衡混频器结构。此外,还针对外置低噪声放大器的技术指标要求,通过电路设计、器件选择、性能分析、PCB电路板制作和实际安装和调试,完成了外置低噪声放大器的实际制作,各项技术指标达到了设计要求。最后,根据各个模块的指标要求设计出低噪声放大器和混频器的电路原理图,利用Specter RF仿真工具进行了仿真分析。分析结果表明,所设计的内置低噪声放大器的增益为15.5dB、噪声系数为1.96dB、输入P1dB为-11.9dBm,混频器的转换增益为11.42dB、输入IIP3为6.8dBm,均达到了设计要求。同时,还利用Virtuoso软件分别完成了低噪声放大器和混频器的芯片版图设计。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及趋势
• 1.2.1 美国GPS系统
• 1.2.2 俄罗斯GLONASS系统
• 1.2.3 欧洲Galileo系统
• 1.2.4 中国BDS系统
• 1.3 中国北斗卫星导航系统
• 1.3.1 北斗一代有源定位系统
• 1.3.2 北斗二代无源定位系统
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 本文章节安排
• 第二章 北斗导航接收机射频前端关键技术
• 2.1 接收机射频前端系统结构
• 2.1.1 超外差结构
• 2.1.2 零中频结构
• 2.1.3 低中频结构
• 2.1.4 镜像抑制结构
• 2.1.5 北斗导航射频前端接收机结构
• 2.2 接收机射频前端关键参数设计
• 2.2.1 灵敏度要求
• 2.2.2 噪声系数要求
• 2.2.3 射频前端增益
• 2.2.4 自动增益控制
• 2.3 接收机射频前端系统级仿真
• 2.3.1 接收机频谱分析
• 2.3.2 接收机增益分布
• 2.4 本章小结
• 第三章 北斗导航接收前端LNA设计
• 3.1 低噪声放大器的性能
• 3.1.1 噪声分析
• 3.1.2 噪声优化技术
• 3.1.3 阻抗匹配网络
• 3.1.4 线性度分析
• 3.2 CMOS低噪声放大器结构
• 3.2.1 并联电阻共源结构
• 3.2.2 电压并联负反馈共源结构
• 3.2.3 跨导匹配共栅结构
• 3.2.4 电感源端负反馈结构
• 3.3 差分输入输出的共源共栅LNA电路设计
• 3.3.1 核心电路设计
• 3.3.2 偏置电路设计
• 3.3.3 整体电路原理图
• 3.4 外置低噪声放大器模块的设计
• 3.4.1 原理图设计
• 3.4.2 PCB设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 北斗导航接收机Mixer设计
• 4.1 Mixer的基本原理
• 4.2 Mixer的参数指标
• 4.2.1 噪声系数
• 4.2.2 转换增益
• 4.2.3 非线性特性
• 4.2.4 隔离度
• 4.3 Mixer的结构分析
• 4.3.1 单端混频器
• 4.3.2 单平衡开关型混频器
• 4.3.3 双平衡开关型混频器
• 4.4 基于吉尔伯特双平衡混频器的电路设计
• 4.4.1 核心电路
• 4.4.2 输出级电路
• 4.4.3 偏置电路
• 4.4.4 Mixer整体电路原理图
• 4.5 本章小结
• 第五章 接收机射频前端测试结果与版图设计
• 5.1 仿真测试结果分析
• 5.1.1 片内LNA仿真结果
• 5.1.2 外置LNA测试结果
• 5.1.3 Mixer仿真结果
• 5.2 芯片版图设计
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文