K波段集成上变频信道芯片的研究与设计

【摘要】：卫星通信是利用卫星进行转发,建立在地球终端之间或地球终端与卫星间的无线通信系统,广泛应用于工业生产和日常生活中。随着应用市场逐渐扩大,卫星通信逐渐向更高的频段、更高质量的方向发展。通信收发芯片是通信终端的核心单元,其性能很大程度上决定了通信终端和卫星通信的工作质量和应用范围。随着工作频率提高,微波、毫米波无线系统的应用范围大幅度增加,卫星通信对射频前端的设计要求也日益提升。发射机主要用于将基带信号变频至射频频段,发射机芯片的指标主要有增益、线性度、杂散抑制、面积、功耗等。在实际应用中,工艺、电源电压等的变化也对整个系统的稳定性提出了更严格的要求。传统毫米波收发前端以微波分立器件为主,具有成本高昂、功耗偏大、体积庞大,难以压缩等缺点。硅基CMOS工艺不仅功耗低,成本低,而且便于将模拟电路、射频电路和数字电路集成在同一芯片上,从而实现小型化设计。但是它同时也面临着增益低、功率低等不足之处。本文基于90nm CMOS工艺,研究设计并实现了K波段高集成度片上变频发射信道芯片,解决了在CMOS工艺下信号从基带变频至K波段过程中,发射信道整体及各个模块的杂散、谐波、增益调节等关键问题。论文首先介绍了发射机芯片的研究背景、意义和国内外发展现状,并对发射机的主要性能指标、基本结构做出概述。然后文章根据指标要求对系统的实现方案进行规划,确定系统架构、模块组成以及各个模块的基本指标。整个芯片集成了变频信道、时钟单元、电源模块、数字模块等。其中,变频信道主要包括可控增益单元、低通滤波器、两次上变频混频器、带通滤波器和功率放大器;时钟模块采用900MHz锁相环以及K波段频率综合器分别提供两次上变频所需的本地振荡信号;针对电源电压抖动问题,发射机芯片采用线性稳压源提供电源电压;上位机控制串行外设接口对模块进行控制。文章着重对上变频信道的六个关键模块进行电路与版图的设计、仿真分析和优化,并基于模块设计完成了最终的整体发射机芯片的流片和测试。根据系统的三个频率域,本文对六个模块的论述分为三个部分。第一部分针对基带频率域的电路,主要包括可调增益的衰减器和低通滤波器。杂散和谐波抑制、增益控制、端口阻抗匹配等是这一部分的设计关键。可控衰减器采用改进的电流模逻辑结构保证系统的增益调节范围和调节精度,同时保证输入阻抗匹配,并占用较小的芯片面积。针对杂散和谐波问题,本文采用两个双二阶级联的Gm-C滤波器,合理分配每级性能,从而有效滤除前级产生的杂散和谐波,完成了指标要求。第二部分针对第一次上变频以及中频频域,包括第一次上变频混频器和带通滤波器。在对混频器概述的基础上,本文对第一次上变频混频器的设计和仿真进行了分析,同时实现本振信号摆幅调节的功能,并对后级带通滤波器的指标提出了相应要求。在上变频信道设计中,镜像抑制和本振泄漏抑制是带通滤波器设计的主要难点和关键之处。本文提出并实现了两级带通滤波器和一级带阻滤波器级联的射频有源带通滤波器设计方案,将滤波器的中心频率相互错开,并引入品质因子增强技术,基于多级级联结构进行设计,在保证带宽较宽、增益可调和品质因数可调的情况下,增加了可调的镜像抑制功能,从而对系统的杂散和谐波抑制的性能进行优化。第三部分包括K波段混频器和功率放大器的设计。由于前级为非正交系统,导致混频器会输出较高的差频信号,影响后级功率放大器的工作。针对这一问题,本文在变频信道中分别产生正交的中频信号和正交的本振信号,芯片上集成正交耦合器,采用具有镜像抑制性能优势的正交混频器,创新性提出并实现一种针对非正交基带信号系统的上变频解决方案。本文在简述功率放大器的基础上,选择合适的放大器结构、匹配方式进行设计,采用MOS电容补偿的方式解决了功率放大器的稳定性问题,通过级间匹配级联正交混频器和功率放大器,完成仿真验证并最终达到指标要求。在关键模块功能正确和指标完善后,本文从模块设计回到整体设计,完成了K波段集成发射前端芯片的电路、版图的级联设计,并基于90nm 1P9M CMOS工艺完成流片,整个芯片面积为3.2×2.05mm~2。本文采用裸片与PCB板级结合的方式进行测试,测试结果与仿真结果相符。整体芯片输出频率范围为25GHz-27GHz,增益调节范围为28dB,调节步长为1dB,杂散抑制为40dB,输入1dB压缩点为-6dB。集成上变频芯片达到预期效果,并可将其应用于非正交基带输入信号的系统,具有广泛的应用性。