用于多模双频导航系统的射频前端设计

论文摘要

以全球定位系统（GPS）为代表的GNSS正在不断发展完善,传统的单一模式单一频率接收机越来越不能满足精度需求,如何将其他GNSS系统与GPS组合起来实现更稳定、更可靠、更安全的高精度定位和实时导航定位,成为当今研究的热点问题。因此,多模式多频点GNSS接收机的研究具有非常重要的意义。本文提出了一种多模式双频全球导航定位系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）射频前端的电路设计与实现。该多频射频前端由低噪声放大器和下变频器组成,其工作频率可以分别配置在1.2GHz及1.57GHz。本文首先介绍了导航定位系统接收机的相关背景,包括信号特征、CMOS工艺特点以及接收机的结构等。随后,详细介绍了双频低噪声放大器的设计过程。该伪差分结构低噪声放大器用有源的方法实现了单端输入到差分输出（非平衡—平衡）的转换,并采用电容耦合补偿的方法改善了差分输出信号的相位及幅度非平衡特性。恒定跨导偏置电路的使用减小了低噪声放大器的增益随工艺、电压、温度变化的偏差。除此此外,该低噪声放大器可以很容易地配置在不同的工作频率下以接收各种导航信号。下变频器基于吉尔伯特结构,并在其开关级采用分流（current bleeding）的方法降低了噪声且提高了线性度。本文设计的射频前端电路采用TSMC 0.18μm CMOS工艺制造,版图面积为0.8×0.5mm2（包括静电防护和焊盘）。仿真结果显示,该射频前端在1.2GHz/1.57GHz下分别具有30.8dB/33dB的增益,2.6dB/2.64dB的噪声系数,-26dBm/-33dBm输入1dB压缩点。该射频前端用1.8V供电,共消耗4mA电流。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 全球导航定位系统
• 1.2.1 全球定位系统（Global Positioning System, GPS）
• 1.2.2 伽利略（Galileo）
• 1.2.3 北斗（Compass）
• 1.2.4 各系统频率规划与信号特性小结
• 1.3 国内外发展现状与趋势
• 1.4 课题主要工作
• 1.5 论文组织结构
• 第二章 CMOS 接收机基础
• 2.1 无线接收机射频前段系统结构
• 2.1.1 超外差结构（Superheterodyne）
• 2.1.2 零中频结构（Zero IF）
• 2.1.3 低中频结构（low-IF）
• 2.2 射频前端关键指标
• 2.2.1 灵敏度与噪声系数
• 2.2.2 增益及增益动态范围
• 2.2.3 线性度
• 2.3 本章小结
• 第三章 CMOS 低噪声放大器的结构与原理
• 3.1 匹配
• 3.1.1 功率匹配
• 3.1.2 噪声匹配
• 3.2 低噪声放大器的典型结构
• 3.2.1 并联电阻结构
• 3.2.2 共栅放大器结构
• 3.2.3 源极电感负反馈结构
• 3.3 差分输出低噪声放大器结构
• 3.3.1 平衡非平衡转换器
• 3.3.2 噪声消除结构
• 3.3.3 差分输出的源极负反馈结构
• 3.3.4 课题提出的电容补偿伪差分低噪声放大器结构概览
• 3.4 本章小结
• 第四章 低噪声放大器设计的设计过程
• 4.1 电容补偿反馈原理
• 4.2 偏置
• 4.3 放大管尺寸及偏置点
• 4.4 Cascode 管尺寸及偏置
• 4.5 负反馈电感
• 4.6 本章小结
• 第五章 下变频器的分析与设计
• 5.1 混频器原理
• 5.1.1 混频器的基本原理
• 5.1.2 非线性电路的混频作用
• 5.1.3 开关电路的混频作用
• 5.2 混频器的分类
• 5.3 混频器核心电路的分析与设计
• 5.3.1 吉尔伯特混频器线性度分析
• 5.3.2 吉尔伯特混频器噪声分析
• 5.3.3 吉尔伯特混频器电路设计考虑
• 5.3.4 混频器偏置电路设计
• 5.4 本振缓冲
• 5.5 本章小结
• 第六章 仿真结果与版图设计
• 6.1 版图设计
• 6.1.1 干扰隔离
• 6.1.2 器件匹配
• 6.1.3 版图布局
• 6.2 仿真结果
• 6.2.1 仿真结果与性能比较
• 6.3 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 已有工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文