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平方公里阵列中频阵的射频前端关键技术研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 平方公里阵列

1.1.1 灵敏度

1.1.2 巡天速度

1.2.1 低噪声放大器

1.2.2 可变增益放大器

1.3 论文的安排

第二章 宽带低噪声放大器基础

2.1 宽带LNA性能指标

2.1.1 噪声系数

2.1.2 S参数

2.1.3 线性度

2.1.4 稳定性

2.2 传统宽带LNA拓扑结构

2.2.1 共基级放大器

2.2.2 电阻负反馈宽带放大器

2.2.3 宽带滤波匹配放大器

2.2.4 分布式放大器

2.3 小结

第三章 超宽带SiGe低噪声放大器设计

3.1 多LC谐振电路原理

3.1.1 输入匹配分析

3.1.2 噪声分析

3.2 宽带低噪声放大器设计

3.2.1 核心放大电路设计

3.2.2 偏置电路设计

3.2.3 输出电路设计

3.2.4 LNA整体原理图与版图设计

3.2.5 电路仿真与结果分析

3.3 小结

第四章 宽带可变增益放大器基础

4.1.2 增益控制范围和控制特性输出

4.1.3 线性度

4.1.4 输入输出匹配

4.2 增益控制技术研究

4.2.1 负载同变VGA

4.2.2 跨导可变的VGA

4.2.3 基于模拟乘法器的VGA

4.2.4 电流分割型VGA

4.3 小结

第五章 宽带可变增益放大器设计

5.1 VGA的总体结构

5.2 噪声消除放大器设计

5.2.1 噪声消除原理

5.2.2 噪声消除放大器设计

5.3 可变增益部分设计

5.3.1 电流分割VGA

5.3.2 控制电路设计

5.4 VGA整体原理图与版图设计

5.4.1 VGA原理图设计

5.4.2 版图设计

5.5 电路仿真与结果分析

5.6 小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

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摘要

平方公里阵列(The Square Kilometer Array,SKA)是在建的下一代天文望远镜。它的灵敏度比目前世界上最好的射电望远镜高出两个数量级,整个望远镜建成后,总的接收面积达到一平方公里,整个望远镜需要上千万个接收单元,因此,高性能、低功耗、低成本的接收前端是平方公里阵列系统的重要应用需求。
  根据SKA中频阵列的系统指标以及其他单元(天线、滤波器等)的指标,本文提出接收前端中低噪声放大器(LNA)和可变增益放大器(VGA)的设计目标。同时,考虑芯片的成本、集成度以及技术成热度,本文选择了发展迅速的SiGe工艺,采用的是华虹180nm SiGe BiCMOS工艺线。本文的主要研究内容和成果如下:
  (1)针对LNA超低噪声系数的问题,本文采用高性能的异质结双极型晶体管(HBT)设计。低噪声放大器的第1级是在发射极负反馈电感放大器的基础上采用串联的电容、电阻负载,利用晶体管寄生电容扩展带宽,第2级为发射极跟随器,提供宽带输出匹配。利用多LC谐振结构实现了良好的噪声性能,经过仿真验证,结果表明,在500M~1500MHz,噪声系数低于1.4dB,最低噪声系数0.84dB,输入输出反射系数小于-10dB,增益大于15dB,1dB压缩点为-25.3dBm,在3.3V工作电压下,功耗34mW,整个电路面积为1.1mm*0.98mm(含pad)。各项指标满足设计要求,可以应用在SKA中频阵列前端。
  (2)针对VGA低功耗的问题,本文采用金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOS)设计。VGA分为三个部分:噪声消除结构的固定增益部分,3个电流分割型VGA级联而成的增益可变部分和源极跟随器作为输出电路。经过仿真验证,结果表明,在500M~1500MHz,VGA的噪声系数为9~15dB,输入输出反射系数小于-10dB,数字控制的增益动态范围为20.5dB,增益步进约为3dB,增益平坦度小于1.7dB,在最大的增益状态下输入1dB压缩点为-5.2dBm,在1.8V工作电压下,功耗18.9mW,整个电路面积为1.5mm*1.16mm(含pad)。
  本文设计的LNA、VGA表现出良好的噪声系数,指标满足设计要求,可以应用于SKA中频阵列射频前端。

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