3-10GHz超宽带无线接收系统低噪声放大器与混频器的设计

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随着无线通信技术的迅速发展,人们对通讯设备与通信质量的要求越来越高,超宽带(UWB)技术可以很好的解决多种通信协议以及多种工作模式相互兼容的问题,且具有成本低、功耗小、传输速度快的特点,迅速成为当今无线通信技术的研究热点。因此,对超宽带无线接收系统主要模块的研究具有重要意义。超宽带射频前端接收系统主要由低噪声放大器与混频器组成。低噪声放大器(Low-Noise Amplifier)负责将从射频天线接收过来的微弱信号在控制噪声的前提下进行放大,再传送给下一级电路混频器。混频器(Mixer)将输入信号与本振信号进行混频,使其下变频到中频信号,再由后面的滤波器滤除带外信号。基于工业应用广泛的0.18 μm CMOS工艺,本文主要针对3-1OGHz超宽带无线接收系统中的低噪声放大器与混频器这两个主要模块进行深入的研究与设计。本文首先对超宽带无线接收系统的第一个模块低噪声放大器进行设计。针对两种不同的应用方向:系统模块高兼容性与设备低耗便携性,本文提出了两个超宽带低噪声放大器的设计。LNA模块对噪声性能的要求十分苛刻,本文这两款应用方向不同的UWB LNA的设计分别基于两种不同的噪声消除原理并各自进行了不同的改进,保证了UWB LNA的噪声性能,也实现了各自的应用特点。第一款系统模块兼容性较强的UWB LNA:基于切比雪夫网络修正的噪声优化的UWB LNA,它在3-10GHz的超宽带范围内具有较好的输入输出匹配性能,可以与多种类型的天线、混频器相匹配,体现了较高的系统模块兼容性。切比雪夫修正网络的设计不仅提供较好的阻抗匹配网络,而且还可以针对天线输出信号相位滞后或偏离的问题进行适当的修正。仿真结果表明该设计提供10-15dB的增益,噪声系数NF被控制在1.4-2.3以内;第二款适用于低耗便携式的通讯设备的UWB LNA:高增益噪声消除的超宽带无电感LNA,该设计避免电感的使用,最大限度的缩小了芯片面积,也降低了生产成本和电路功耗。并且采用增益提高的噪声消除技术,在保证噪声性能的前提下,实现了放大增益的大幅度提高,并且增益平坦度较为理想。仿真结果表明最大放大增益可达20dB,与一般LNA相比提高了近10dB,噪声系数NF被控在1.2-2.6以内。两款应用不同的UWB LNA的设计都实现了较好的预期效果。此外,本文还设计了超宽带无线接收系统第二个主要模块一一混频器。在经典有源双平衡混频器的基本架构上,采用电荷注入的方法提高驱动级的跨导降低系统功耗,并采用正反馈的线性化技术,通过四管交叉跨导电路实现虚拟“短路”的现象,将原来的有源器件转换为无源器件,这样更有利于线性度的实现。整体采用单端接入的双平衡结构,可以与本文设计的两款单端输出的超宽带低噪声放大器进行很好的衔接。仿真结果表明,本文所设计的超宽带混频器转换增益为6-16 dB,噪声系数NF为16-17,1dB压缩点达到-2dBm,取得较好的线性度。
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