衛(wèi)星導(dǎo)航射頻接收芯片單片集成關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、以全球定位系統(tǒng)、格洛納斯系統(tǒng)、伽利略系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)為代表的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是航天、空間技術(shù)和通信、信息技術(shù)的結(jié)合，具有重要的軍用和民用應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)在已深刻的影響著人們的生活。單芯片化的地面接收機(jī)具有低功耗、小體積、低成本的優(yōu)點(diǎn)，是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)發(fā)展的主要方向，其中的射頻前端電路會(huì)很大程度上影響接收機(jī)功能和性能。隨著工藝的發(fā)展，CMOS工藝已經(jīng)逐步取代化合物半導(dǎo)體工藝成為射頻集成電路的主流工藝，有利于射頻前端和基帶進(jìn)一步集成形成片上系

2、統(tǒng)。因此，基于CMOS工藝的單片高集成度衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端芯片技術(shù)具有很高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。
　　本論文基于多項(xiàng)實(shí)際課題，針對(duì)單片衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)對(duì)射頻前端的功能和性能要求，研究了射頻前端單芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)、頻率可配置低噪聲放大技術(shù)，鏡像抑制混頻和濾波技術(shù)、數(shù)字自動(dòng)增益控制技術(shù)和鎖相環(huán)型頻率合成技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并最終研制了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端樣片進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。
　　首先，對(duì)于單芯片化的射頻前端系統(tǒng)，本文基于集成電路

3、的特點(diǎn)選擇低中頻結(jié)構(gòu)作為具體實(shí)現(xiàn)方式；研究了不同于分立式導(dǎo)航接收機(jī)而適用于射頻芯片的整體指標(biāo)參數(shù)計(jì)算方法，給出增益、噪聲系數(shù)、線(xiàn)性度、相位噪聲等主要參數(shù)指標(biāo)的計(jì)算過(guò)程；在此基礎(chǔ)上研究了接收機(jī)芯片參數(shù)指標(biāo)的模塊化分解方法，并給出了一種指標(biāo)分解方案；還提出了單通道雙模和雙通道多模這兩種多模兼容接收機(jī)射頻芯片結(jié)構(gòu)。
　　由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)地面接收端時(shí)強(qiáng)度非常微弱，本文首先研究了位于單片化接收機(jī)最前端的低噪聲放大器的噪聲特性及分析方法；

4、然后基于源極負(fù)反饋電感型低噪聲放大器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩種針對(duì)多模兼容需求的頻率可配置低噪聲放大器電路，利用開(kāi)關(guān)電容調(diào)諧的方法改變工作頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模式可配置；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了版圖，并進(jìn)行了投片。樣片測(cè)試結(jié)果為：雙頻點(diǎn)和三頻點(diǎn)可配置低噪聲放大器在1.2GHz和1.5GHz兩個(gè)主要頻段的三個(gè)頻點(diǎn)上，噪聲系數(shù)為1.6~1.8dB，增益達(dá)到16~20dB，輸出1dB壓縮點(diǎn)大于-21dBm，功耗7~10mW，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了研究方法的正確性和有效性。

5、>　　其次，針對(duì)低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)中的鏡像抑制問(wèn)題進(jìn)行了研究。在正交混頻器方面，改進(jìn)經(jīng)典結(jié)構(gòu)得到了一種有源雙平衡混頻器電路，并提出了旁路電流注入結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整性能；仿真結(jié)果顯示，該混頻器可以完成正交下變頻的功能，并提供14dB的增益，噪聲系數(shù)為11dB，模塊功耗小于10mW。在鏡像抑制濾波器方面，研究并設(shè)計(jì)了一種四級(jí)無(wú)源多相濾波器的電路，針對(duì)無(wú)源器件的失配問(wèn)題進(jìn)行了版圖優(yōu)化和后仿真。另外，還研究了復(fù)數(shù)帶通濾波器的鏡像抑制方法，基于頻率搬移方法

6、設(shè)計(jì)了五階 Gm-C復(fù)數(shù)帶通濾波器電路和版圖并進(jìn)行了后仿真；正交混頻器結(jié)合濾波器的鏡像抑制比超過(guò)30dB。
　　然后，本文還研究了數(shù)字自動(dòng)增益控制環(huán)路。提出了一種針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)高斯白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的自動(dòng)增益控制算法。該算法采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，能提高芯片集成度；而且通過(guò)優(yōu)化功率估計(jì)方法，能夠?qū)⒃鲆嬲{(diào)整過(guò)程控制在兩步以?xún)?nèi)，大大縮短了環(huán)路穩(wěn)定時(shí)間；還建立模型對(duì)環(huán)路的功能和穩(wěn)定性進(jìn)行了討論。本文還基于典型結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種可編程增益放大器，

7、能夠提供62dB的動(dòng)態(tài)范圍和2dB增益步進(jìn)。
　　為了獲得穩(wěn)定有效的本地振蕩信號(hào)，本論文還研究了鎖相環(huán)頻率合成器。通過(guò)改進(jìn)鑒頻鑒相器和電荷泵電路，解決了“死區(qū)”問(wèn)題；還設(shè)計(jì)了一種振蕩頻率在2~3GHz的電感電容壓控振蕩器，配合基于源極耦合邏輯的高速分頻器以及片外環(huán)路濾波器等其他功能單元，構(gòu)成了鎖相環(huán)頻率合成器。頻率合成器子系統(tǒng)進(jìn)行了單獨(dú)投片和測(cè)試，樣片測(cè)試結(jié)果為：頻率合成器可以在1.2GHz正常鎖定，VCO振蕩頻率范圍為2.23G

8、Hz到2.69GHz，調(diào)諧特性良好；相位噪聲為-101dBc/Hz@100kHz、-123dBc/Hz1MHz，可以滿(mǎn)足衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的要求。
　　最后，基于TSMC0.18μm CMOS工藝，試制了針對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的單芯片射頻前端樣片。在完成芯片結(jié)構(gòu)規(guī)劃、版圖規(guī)劃、管腳定義后進(jìn)行了投片；樣片封裝為QFN形式，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)測(cè)試板對(duì)樣片進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目包括直流、頻率合成器子系統(tǒng)、射頻通道和中頻四個(gè)部分，涉及到所有主要參數(shù)。針對(duì)

9、北斗 B2/B3頻點(diǎn)的測(cè)試如下：直流測(cè)試無(wú)漏電，整體功耗54mW；在匹配良好的情況下，射頻通道總體增益最大為105dB、噪聲系數(shù)為3.2~3.7dB、輸入1dB壓縮點(diǎn)為-43dBm；頻率合成子系統(tǒng)輸出頻率調(diào)諧范圍從1.056GHz到1.294GHz，相位噪聲為-79.69dBc/Hz@1kHz、-86.81dBc/Hz@10kHz、-99.10dBc/Hz@100kHz、-123.48dBc/Hz@1MHz；受參考頻率影響，在10MHz