6.3-6.8GHz射频收发前端芯片的设计

发布时间：2017-07-18 06:23

  本文关键词：6.3-6.8GHz射频收发前端芯片的设计

  更多相关文章： 未来5G通信 射频收发前端 噪声抵消结构 混频器 双转单驱动放大器 射频可变增益放大器

【摘要】：对于未来5G通信来说,除了使用传统上的低于6GHz的移动通信授权型无线频谱资源以外,还将有望开发并拓展使用6～100 GHz频段的无线频谱资。本次设计把频段定在6.3-6.8GHz,在对比几种常用收发机架构的优缺点之后选取了零中频收发机结构,并确定了收发前端的设计指标。其中射频接收前端包括低噪声放大器(LNA)和下混频器(Mixer).射频发射前端包括驱动放大器(DA)、射频可变增益放大器(RFPGA)和上混频器(Mixer),根据系统指标要求明确了各个子单元电路的设计要求。根据设计需要,低噪声放大器需要实现单转双功能,在比较几种常用低噪声放大器结构后,本文设计采用单转双噪声抵消技术的LNA,并在传统结构的基础上,引入正反馈技术和电流复用技术提高增益降低噪声,以及添加了平衡Bufffer电路来改善电路输出差分性能。为了提高下混频器的线性度和降低闪烁噪声,本文选用了无源混频器结构,并根据设计要求,对混频的开关对电路和中频放大器电路以及本振Buffer电路作了详细的分析。混频器为I/Q正交混频器,包括四路开关对电路和两个全差分中频放大器；电路输出信号1dB带宽大于250MHz；输入线性度P1dB大于-5dBm。驱动放大器的设计要求实现差分转单端的功能,并且输出功率大于6dBm,本文设计的DA电路分为两级：差分转单端电路级和输出驱动电路级。为了提高线性度和带宽以及减小芯片面积,输出驱动级电路采用推挽反相器结构；差分转单端电路中添加了一个小电感来平衡6.3-6.8GHz频段的相位和幅度。本设计采用2.5V电压供电来实现电路线性度的要求,晶体管选用厚栅氧化层管。射频可变增益放大器的设计采用全差分Cascode放大器结构,在输入端合理控制偏置电压,来提高电路的线性度；通过控制信号电流在共栅晶体管的流向来改变电路的增益,增益0-10dB可调,增益调节的同时不会影响电路输入级的匹配和线性度指标。上混频器采用全差分形式的I/Q正交调制结构,它包括了两个双平衡Gilbert单元混频器,并采用带中间抽头的差分电感作为负载；输入信号偏置电压实现片内可调节；本振端的偏置电压采用动态自适应偏置电路来实现；为了扩展带宽,电感负载上可以并联一个电阻。本文设计的射频接收前端芯片和射频发射前端芯片,完成了版图设计、仿真、流片以及接收前端芯片的测试,芯片采用TSMC 0.13um CMOS工艺流片。射频接收前端芯片测试结果表明：在6.3-6.8GHz频段内S11-10dB；增益19-31dB可调；中频输出1.5dB带宽350MHz；输入1dB压缩点大于-20dBm,输入三阶截点(IIP3)大于-10dBm；噪声系数(NF)小于4dB；输出正交性能良好。对于射频发射前端芯片的后仿真结果表明：输出P1dB大于7dBm,OIP3大于20dBm；最大增益26dB,有10dB可调范围；1.5dB带宽大于500MHz。
【关键词】：未来5G通信 射频收发前端 噪声抵消结构 混频器 双转单驱动放大器 射频可变增益放大器
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN859;TN402
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 论文研究内容及意义11-13
• 1.3 论文组织结构13-14
• 第二章 无线通信射频收发机系统结构和性能指标14-24
• 2.1 射频接收机结构14-16
• 2.1.1 超外差接收机14-15
• 2.1.2 低中频接收机15
• 2.1.3 零中频接收机15-16
• 2.2 射频发射机结构16-18
• 2.2.1 超外差发射机结构16-17
• 2.2.2 零中频发射机结构17-18
• 2.3 射频收发前端系统指标18-21
• 2.3.1 接收前端系统指标18-20
• 2.3.2 发射前端系统指标20-21
• 2.4 射频收发前端指标要求设定21-22
• 2.5 本章小结22-24
• 第三章 6.3-6.8GHz低噪声放大器的设计24-38
• 3.1 MOSFET噪声模型24-25
• 3.2 低噪声放大器结构分析25-28
• 3.2.1 噪声抵消技术25-26
• 3.2.2 噪声抵消电路26-28
• 3.3 6.3-6.8GHz低噪声放大器设计28-33
• 3.3.1 LNA电路设计指标29
• 3.3.2 噪声抵消电路设计29-31
• 3.3.3 正反馈技术和电流复用结构设计和分析31-32
• 3.3.4 增益控制单元和输出平衡Buffer设计32-33
• 3.3.5 器件选择33
• 3.4 低噪声放大器版图设计和后仿真结果33-37
• 3.4.1 LNA版图设计33-34
• 3.4.2 LNA的后仿真结果34-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 6.3-6.8GHz下混频器的设计38-52
• 4.1 混频器工作原理38-39
• 4.2 下混频器性能指标39-40
• 4.3 无源混频器结构分析40-42
• 4.4 6.3-6.8GHz无源混频器设计42-46
• 4.4.1 无源开关对设计43-44
• 4.4.2 本振驱动电路设计44-45
• 4.4.3 可调增益中频放大器电路设计45-46
• 4.5 混频器版图设计和后仿真结果46-51
• 4.5.1 版图设计46
• 4.5.2 后仿真结果46-51
• 4.6 本章小结51-52
• 第五章 发射前端驱动放大器的设计52-66
• 5.1 驱动放大器基本原理52-58
• 5.1.1 阻抗匹配52-54
• 5.1.2 驱动放大器性能指标54-55
• 5.1.3 驱动放大器电路结构选取55-58
• 5.2 驱动放大器电路设计58-62
• 5.2.1 双转单电路单元设计59-60
• 5.2.2 输出驱动放大器电路单元设计60-62
• 5.3 版图和后仿真结果62-64
• 5.3.1 版图设计要点62-63
• 5.3.2 驱动放大器后仿真结果63-64
• 5.4 本章小结64-66
• 第六章 射频可变增益放大器的设计66-74
• 6.1 可变增益放大器结构66-67
• 6.1.1 基于模拟乘法器的可变增益放大器66-67
• 6.1.2 基于可编程负载的可变增益放大器67
• 6.2 射频可变增益放大器设计67-70
• 6.2.1 Cascode结构放大器设计68-69
• 6.2.2 增益调节电路设计69-70
• 6.2.3 偏置控制电路设计70
• 6.3 射频可变增益放大器版图设计和后仿真结果70-72
• 6.3.1 电路版图设计70-71
• 6.3.2 电路后仿真结果71-72
• 6.4 本章小结72-74
• 第七章 上混频器的设计74-81
• 7.1 有源混频器的基本分析74-76
• 7.1.1 单平衡混频器74-75
• 7.1.2 双平衡混频器75-76
• 7.2 上混频器的设计76-78
• 7.2.1 上混频器跨导级电路设计76-77
• 7.2.2 上混频器开关级电路设计77
• 7.2.3 上混频器偏置电路设计77-78
• 7.3 上混频器的版图设计和后仿真结果分析78-80
• 7.3.1 电路版图设计78-79
• 7.3.2 上混频器仿真结果分析79-80
• 7.4 本章小结80-81
• 第八章 射频收发前端级联及芯片测试81-90
• 8.1 射频收发前端级联问题分析81-83
• 8.1.1 衬底串扰81-82
• 8.1.2 键合线寄生效应82
• 8.1.3 级间匹配和耦合方式82
• 8.1.4 电压和地的隔离设计82-83
• 8.2 接收前端和发射前端版图设计83-84
• 8.3 芯片键合PCB设计84-85
• 8.4 射频接收前端芯片测试85-89
• 8.4.1 射频接收前端增益和带宽测试85-86
• 8.4.2 射频接收前端线性度测试86-88
• 8.4.3 射频接收前端噪声系数测试88-89
• 8.4.4 射频接收前端正交输出波形测试89
• 8.5 本章小结89-90
• 第九章 总结与展望90-92
• 9.1 总结90-91
• 9.2 展望91-92
• 致谢92-94
• 参考文献94-98
• 作者简介98

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本文编号：556428