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北斗卫星导航系统中射频前端电路的研究与设计

作　者: 杨阳
导　师: 张瑛
学　校: 南京邮电大学
专　业: 电路与系统
关键词: 北斗卫星导航系统射频接收机低噪声放大器混频器镜像抑制
分类号: TN967.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

北斗卫星导航系统由我国自主研发,其研制目的是为了在日益严峻的世界环境下巩固我国的军事实力。北斗射频接收芯片是北斗卫星导航系统中整个地面端设备的核心,因此,关于射频接收机芯片的研发工作具有十分重要且实际的意义。低噪声放大器和混频器是射频接收芯片的重要组成模块,根据北斗系统接收机芯片的相关需求,这些模块需要在具有较低的噪声系数的同时也能够保证较高的线性度。本文主要完成了以下研究工作:一、设计出了应用于北斗一代卫星导航系统的射频接收机前端电路,其核心部分是低噪声放大器和混频器这两个模块。设计中通过引入负反馈提出了一种稳定性更高的单端转差分低噪声放大器电路。本文基于TSMC 0.18um CMOS工艺进行相关的电路设计,画出了相应版图并最终流片测试,其电路测试结果表明,本文所设计的电路达到系统性能指标要求。二、设计出了应用于北斗二代卫星导航系统的射频接收机前端电路,其核心部分是低噪声放大器和混频器两个模块。低噪声放大器的设计中,提出了一种通过引入相位补偿使得电路整体平衡性更高的单转双电路。混频器设计中采用了电流注入技术,同时通过在本振端口增加缓冲器提高本振信号摆幅,从而提高增益和降低噪声。本文基于TSMC 0.18um CMOS工艺进行相关的电路设计,画出了相应版图并最终流片,其电路后仿结果表明本文所设计的电路达到系统性能指标要求。三、针对北斗二代卫星导航系统中接收机的镜像干扰问题进行了相关研究,在所设计的低噪声放大器和混频器的基础上,基于Hartley接收机结构提出了一种镜像抑制解决方案,与传统的采用多相滤波器的方案不同,该解决方案通过RC网络移相器实现了混频器输出信号的相对90度相移。基于TSMC 0.18um CMOS工艺进行设计并流片,后仿结果表明所提出的镜像抑制解决方案能够有效实现镜像抑制。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章绪论  8-16
  1.1 课题研究背景及意义  8
  1.2 国内外研究现状  8-9
  1.3 射频接收机结构分类  9-15
    1.3.1 超外差式接收机  9-10
    1.3.2 零中频结构  10-11
    1.3.3 镜频抑制结构  11-14
    1.3.4 数字中频结构  14-15
  1.4 CMOS 工艺介绍  15
  1.5 论文的主要工作  15-16
第二章低噪声放大器设计理论  16-24
  2.1 CMOS 噪声分析  16-19
    2.1.1 沟道热噪声  17
    2.1.2 栅电阻噪声  17
    2.1.3 栅电流噪声  17-19
  2.2 低噪声放大器的结构选择  19-24
    2.2.1 共栅型  19-20
    2.2.2 并联电阻式  20
    2.2.3 并联反馈  20
    2.2.4 源极电感负反馈式  20-21
    2.2.5 共源共栅源极电感负反馈电路结构  21-24
第三章混频器设计理论  24-35
  3.1 混频器性能参数  24-26
    3.1.1 混频器的变频增益  24-25
    3.1.2 混频器的线性度  25
    3.1.3 混频器的隔离度  25-26
    3.1.4 混频器的噪声指数  26
  3.2 混频器的结构类型以及选择  26-28
  3.3 CMOS Gilbert 双平衡混频器的性能参数  28-35
    3.3.1 CMOS Gilbert 双平衡混频器的变频增益  28-31
    3.3.2 开关型CMOS 吉尔伯特混频器的噪声分析  31-33
      3.3.2.1 混频器的跨导级噪声分析  31-32
      3.3.2.2 混频器的开关级噪声分析  32
      3.3.2.3 混频器的本振噪声分析  32
      3.3.2.4 混频器的噪声指数  32-33
    3.3.3 CMOS Gilbert 双平衡混频器的线性度  33-35
第四章应用于北斗一代的射频接收机前端电路设计  35-48
  4.1 北斗一中单转双低噪声放大器电路设计仿真以及测试  35-41
    4.1.1 北斗一中单转双低噪声放大器电路模块设计  35-36
    4.1.2 单转双低噪声放大器后仿仿真结果  36-39
    4.1.3 单转双低噪声放大器测试结果  39-41
  4.2 北斗一中混频器电路模块设计和后仿结果  41-42
  4.3 北斗一射频前端电路级联后仿和测试结果  42-48
    4.3.1 射频前端后仿结果  42-44
    4.3.2 射频前端测试结果  44-46
    4.3.3 射频前端测试和后仿结果对比分析  46-48
第五章应用于北斗二代的射频接收机前端电路设计  48-59
  5.1 北斗二中单转双低噪声放大器电路模块设计和仿真  48-53
    5.1.1 北斗二中单转双低噪声放大器电路设计  48-50
    5.1.2 北斗二单转双低噪声放大器后仿  50-53
  5.2 北斗二中混频器电路模块设计和仿真  53-57
    5.2.1 北斗二中混频器电路设计  53-54
    5.2.2 北斗二混频器后仿仿真  54-57
  5.3 北斗二射频前端电路级联后仿结果  57-59
第六章镜像抑制系统设计与仿真  59-76
  6.1 多相滤波器镜像抑制结构  60-65
    6.1.1 正交混频器  60
    6.1.2 多相滤波器  60-65
  6.2 镜像抑制系统设计  65-73
    6.2.1 两路信号不平衡对镜像抑制比的影响  65-67
    6.2.2 正交信号RC 网络设计原理和移相器网络设计和仿真  67-73
  6.3 镜像抑制系统后仿仿真  73-75
  6.4 北斗二镜像抑制系统和北斗二射频前端后仿结果对比分析  75-76
第七章结论  76-78
  7.1 论文工作总结  76-77
  7.2 后续  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-82
攻读硕士学位期间取得的研究成果  82

北斗卫星导航系统中射频前端电路的研究与设计

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