收藏本站
收藏 | 论文排版

K波段集成上变频信道芯片的研究与设计

李潇然  
【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。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前18条
1 张鹏;肖恒;沈锐龙;;基于FPGA的数字上变频器设计与实现[J];通信对抗;2016年03期
2 MarcRyba,JosephB.Waltrich;数字传输射频上变频器[J];广播与电视技术;1999年09期
3 黎兴富;一种新型上变频器[J];电视技术;1994年09期
4 张少时;翁力群;;用介质谐振器滤波的双栅场效应管上变频器[J];现代雷达;1987年01期
5 张庆徽;一个8mm波段阻性鳍线上变频器(英文)[J];哈尔滨工业大学学报;1988年01期
6 汪盂金;;一种新型的微波集成平衡式上变频器[J];电讯技术;1988年01期
7 郑见树;李晓明;;一种超宽带上变频器的设计与实现[J];数字技术与应用;2015年06期
8 李炜;;Comtech UT-4500系列上变频器的原理及应用[J];广播电视信息;2013年08期
9 吉胜;发射上变频器方案设计[J];火控雷达技术;2002年04期
10 谢汉德;;微带上变频器设计[J];计算机与网络;1979年02期
11 王军;郝瀚;;上变频器原理与应用[J];内蒙古广播与电视技术;2015年02期
12 陈巧云;;数字上变频器的应用设计[J];中小企业管理与科技(上旬刊);2013年06期
13 郝立兵;郏文海;;基于专用数字上变频器的中频调制器[J];现代电子技术;2011年11期
14 崔小欣;于敦山;盛世敏;崔小乐;;一种数字中频上变频器的设计与实现[J];微电子学与计算机;2006年01期
15 巨兰;数字上变频器的应用设计[J];无线电工程;2002年08期
16 吉胜;一种发射上变频器组件的设计[J];现代电子技术;2002年09期
17 杨新功;S波段微波上变频器的设计[J];无线电工程;1998年03期
18 陈兴国;盛永鑫;;单片有源上变频器的设计和测量[J];电子测量与仪器学报;2009年S1期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王莲芳;;8GHz微波集成上变频器[A];1991年全国微波会议论文集(卷Ⅱ)[C];1991年
2 蒋金水;李兴国;万援;;毫米波集成平衡上变频器[A];1999年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];1999年
3 满卫华;王渡;;一种性能优良的微波上变频器[A];1999年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];1999年
4 陈兴国;盛永鑫;;单片有源上变频器的设计和测量[A];2009安捷伦科技节论文集[C];2009年
5 时银水;;S波段双栅场效应管上变频器设计[A];1993年全国微波会议论文集(下册)[C];1993年
6 陈忆元;朱晓维;洪伟;;六毫米波段鳍线上变频器[A];1995年全国微波会议论文集(上册)[C];1995年
7 唐云飞;冯正和;高葆新;;波导型变容管上变频器的非线性分析[A];1987年全国微波会议论文集(中)[C];1987年
8 邓绍范;邱景辉;;八毫米小信号变容管和频上变频器[A];1987年全国微波会议论文集(中)[C];1987年
9 邱景辉;邓绍范;;k_a波段参量上变频器机辅分析[A];1991年全国微波会议论文集(卷Ⅱ)[C];1991年
10 刘舒;唐小宏;樊勇;张永鸿;;六毫米FET上变频器的设计[A];2001年全国微波毫米波会议论文集[C];2001年
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 李潇然;K波段集成上变频信道芯片的研究与设计[D];北京理工大学;2017年
2 陈林辉;60GHz CMOS发射机的设计与实现[D];东南大学;2015年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吴新伟;CMOS上变频混频器[D];浙江大学;2017年
2 丁星火;一种2.5GHz数字上变频器的设计与实现[D];西安电子科技大学;2018年
3 胡俊;毫米波上变频器及功分馈电组合的研制[D];电子科技大学;2009年
4 刘天旭;基于FPGA的数字上变频器设计[D];东北大学;2009年
5 潘友兵;Ka波段集成上变频器的设计[D];南京理工大学;2008年
6 翁义龙;基于Delta-Sigma调制的数字上变频器的研究与设计[D];福州大学;2014年
7 柳强;数字电视发射机上变频器本振源的研制[D];上海交通大学;2007年
8 孙天勇;基于AD9957的数字正交上变频技术的设计与实现[D];电子科技大学;2017年
9 徐荧;毫米波上变频器及其本振倍频链[D];电子科技大学;2006年
10 张意;高动态C波段收发信机的研制[D];电子科技大学;2009年
中国重要报纸全文数据库 前2条
1 冯会军 刘盼侠 杜庆君;芦台近两万农民喝上“放心水”[N];唐山劳动日报;2008年
2 市报道组 韩曙辉 王迪;让空转的电动机停下来[N];浙江日报;2005年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978