衛(wèi)星導航射頻接收芯片單片集成關鍵技術研究.pdf

1、以全球定位系統、格洛納斯系統、伽利略系統和北斗系統為代表的全球衛(wèi)星定位導航系統是航天、空間技術和通信、信息技術的結合，具有重要的軍用和民用應用價值，現在已深刻的影響著人們的生活。單芯片化的地面接收機具有低功耗、小體積、低成本的優(yōu)點，是衛(wèi)星導航接收機發(fā)展的主要方向，其中的射頻前端電路會很大程度上影響接收機功能和性能。隨著工藝的發(fā)展，CMOS工藝已經逐步取代化合物半導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一步集成形成片上系

2、統。因此，基于CMOS工藝的單片高集成度衛(wèi)星導航接收機射頻前端芯片技術具有很高的研究價值和應用價值。
　　本論文基于多項實際課題，針對單片衛(wèi)星導航接收機對射頻前端的功能和性能要求，研究了射頻前端單芯片系統設計、頻率可配置低噪聲放大技術，鏡像抑制混頻和濾波技術、數字自動增益控制技術和鎖相環(huán)型頻率合成技術等多項關鍵技術，并最終研制了衛(wèi)星導航接收機射頻前端樣片進行測試和驗證。
　　首先，對于單芯片化的射頻前端系統，本文基于集成電路

3、的特點選擇低中頻結構作為具體實現方式；研究了不同于分立式導航接收機而適用于射頻芯片的整體指標參數計算方法，給出增益、噪聲系數、線性度、相位噪聲等主要參數指標的計算過程；在此基礎上研究了接收機芯片參數指標的模塊化分解方法，并給出了一種指標分解方案；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射頻芯片結構。
　　由于衛(wèi)星導航信號到達地面接收端時強度非常微弱，本文首先研究了位于單片化接收機最前端的低噪聲放大器的噪聲特性及分析方法；

4、然后基于源極負反饋電感型低噪聲放大器結構，設計了兩種針對多模兼容需求的頻率可配置低噪聲放大器電路，利用開關電容調諧的方法改變工作頻點，實現模式可配置；在此基礎上設計了版圖，并進行了投片。樣片測試結果為：雙頻點和三頻點可配置低噪聲放大器在1.2GHz和1.5GHz兩個主要頻段的三個頻點上，噪聲系數為1.6~1.8dB，增益達到16~20dB，輸出1dB壓縮點大于-21dBm，功耗7~10mW，測試結果驗證了研究方法的正確性和有效性。

5、>　　其次，針對低中頻接收機結構中的鏡像抑制問題進行了研究。在正交混頻器方面，改進經典結構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構來調整性能；仿真結果顯示，該混頻器可以完成正交下變頻的功能，并提供14dB的增益，噪聲系數為11dB，模塊功耗小于10mW。在鏡像抑制濾波器方面，研究并設計了一種四級無源多相濾波器的電路，針對無源器件的失配問題進行了版圖優(yōu)化和后仿真。另外，還研究了復數帶通濾波器的鏡像抑制方法，基于頻率搬移方法

6、設計了五階 Gm-C復數帶通濾波器電路和版圖并進行了后仿真；正交混頻器結合濾波器的鏡像抑制比超過30dB。
　　然后，本文還研究了數字自動增益控制環(huán)路。提出了一種針對衛(wèi)星導航信號高斯白噪聲統計特性的自動增益控制算法。該算法采用數字電路實現，能提高芯片集成度；而且通過優(yōu)化功率估計方法，能夠將增益調整過程控制在兩步以內，大大縮短了環(huán)路穩(wěn)定時間；還建立模型對環(huán)路的功能和穩(wěn)定性進行了討論。本文還基于典型結構改進設計了一種可編程增益放大器，

7、能夠提供62dB的動態(tài)范圍和2dB增益步進。
　　為了獲得穩(wěn)定有效的本地振蕩信號，本論文還研究了鎖相環(huán)頻率合成器。通過改進鑒頻鑒相器和電荷泵電路，解決了“死區(qū)”問題；還設計了一種振蕩頻率在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，構成了鎖相環(huán)頻率合成器。頻率合成器子系統進行了單獨投片和測試，樣片測試結果為：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，調諧特性良好；相位噪聲為-101dBc/Hz@100kHz、-123dBc/Hz1MHz，可以滿足衛(wèi)星導航接收機的要求。
　　最后，基于TSMC0.18μm CMOS工藝，試制了針對北斗導航系統的單芯片射頻前端樣片。在完成芯片結構規(guī)劃、版圖規(guī)劃、管腳定義后進行了投片；樣片封裝為QFN形式，在此基礎上設計測試板對樣片進行了測試。測試項目包括直流、頻率合成器子系統、射頻通道和中頻四個部分，涉及到所有主要參數。針對

9、北斗 B2/B3頻點的測試如下：直流測試無漏電，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、噪聲系數為3.2~3.7dB、輸入1dB壓縮點為-43dBm；頻率合成子系統輸出頻率調諧范圍從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