应用于超宽带系统的射频发射前端的研究与设计

发布时间：2017-10-30 20:01

  本文关键词：应用于超宽带系统的射频发射前端的研究与设计

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【摘要】：本文概述了超宽带技术的发展及研究现状,通过与其它短距离无线通信技术的对比,展现了超宽带通信技术的优势所在。通过分析现有超宽带发射机的基本结构、主要的性能指标以及设计过程中可能存在的问题,确定了本文发射前端芯片采用零中频结构。它由三部分组成,低通滤波器(LPF)、上混频器(Mixer)以及驱动放大器(DA)。其中低通滤波器采用简单的三阶RC滤波器来实现。设计的过程中,采用自顶向下的设计方法,首先明确了整体芯片的性能指标,然后将指标分配到每一个单元模块。为了便于调试及验证整体芯片的性能,驱动放大器进行了单独流片。上混频器的主要任务是完成变频功能,是发射链路中重要的模块之一。根据指标的要求,确定上混频器采用全差分方式的I/Q正交调制结构。它包括两个双平衡Gilbert结构混频器,并使用带中心抽头的差分电感作做为负载。电感负载可以扩展混频器的带宽,提供较好的宽带性能。电感值的确定需要考虑后级驱动放大器的输入端电容及走线寄生电容的大小,并将其谐振频率设置在所需要的工作频段上。本文采用全差分的Cascode形式驱动放大器结构,为了与接收机较好的配合,功率增益设置为可调节模式。通过控制不同的偏置电流,可以产生16档的功率增益。驱动放大器的线性度是设计的重点内容,尤其是输出1dB压缩点指标,在1.2V低电压供电条件下,需要尽可能的减少晶体管的层数以获得更大的输出摆幅。由于本文所设计的芯片需要进行PCB板级键合测试,文章详细讨论了驱动放大器输出端匹配的方法,通过ADS与Cadence将芯片与PCB板进行联合仿真优化输出匹配的性能。本文所设计的超宽带发射前端芯片采用TSMC 0.13μmCMOS工艺。整个芯片版图的面积为1.084×0.795mm2。整个芯片在PCB板上完成验证测试。测试得到的输出1dB压缩点为-5.7dBm@6.8GHz,略低于指标要求,一个主要的原因是PCB板的输出匹配部分还需要进一步的完善。输出三截点(OIP3)为8.42dBm@6.71GHz,输入三阶截点为2.64dBm@6.71GHz。最大功率增益为5.8dB,可变范围为0-5.8dB。整个PCB测试板的总电流为22mA。
【关键词】：超宽带 发射机 射频前端 混频器 驱动放大器
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN839
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 研究背景及意义8
• 1.2 超宽带研究现状8-9
• 1.3 超宽带通信与其他短距离通信的比较9-11
• 1.4 论文结构11-12
• 第二章 超宽带发射前端的系统架构及分析12-20
• 2.1 超宽带通信系统频谱划分12
• 2.2 常用发射机的基本结构12-16
• 2.3 超宽带发射前端电路系统架构16-18
• 2.4 本章小结18-20
• 第三章 混频器的基本分析与结构20-28
• 3.1 混频器的基本分析20-21
• 3.2 混频器的性能参数21-23
• 3.2.1 转换增益21
• 3.2.2 线性度21-22
• 3.2.3 噪声系数22-23
• 3.2.4 隔离度23
• 3.3 混频器的基本结构23-28
• 第四章 超宽带发射前端上混频器的设计28-36
• 4.1 电路的基本结构28-29
• 4.2 电路设计中的一些考虑29-32
• 4.2.1 转换增益的考虑29-31
• 4.2.2 偏置电路的考虑31-32
• 4.3 上混频器的设计流程32
• 4.4 上混频器模块的后仿结果32-34
• 4.5 本章小结34-36
• 第五章 驱动放大器设计过程中的分析36-48
• 5.1 射频电路中的阻抗匹配36-38
• 5.2 驱动放大器结构的选择38-42
• 5.2.1 片内双转单结构的分析38-40
• 5.2.2 差分结构的分析40-42
• 5.3 射频放大器的稳定性问题42-43
• 5.3.1 共源射频放大器的不稳定性分析43
• 5.4 驱动放大器的主要性能指标43-47
• 5.4.1 输出功率与功率增益43
• 5.4.2 效率与功率附加效率43-44
• 5.4.3 线性度44-46
• 5.4.4 输入输出驻波比46-47
• 5.5 本章小结47-48
• 第六章 超宽带发射前端驱动放大器的设计48-58
• 6.1 驱动放大器的指标48-49
• 6.2 差分驱动放大器的设计49-52
• 6.2.1 共源放大器49-50
• 6.2.2 电阻负载的Cascode结构放大器50-51
• 6.2.3 电感负载的Cascode结构放大器51
• 6.2.4 差分驱动放大器的实现51-52
• 6.3 驱动放大器的输出匹配52-54
• 6.4 增益可调及偏置电路的实现54
• 6.5 驱动放大器的仿真结果54-58
• 6.5.1 S参数的仿真55
• 6.5.2 驱动放大器的线性度仿真55-56
• 6.5.3 不同功率增益的频谱图56-58
• 第七章 超宽带发射前端芯片的版图设计及测试58-72
• 7.1 版图设计的基础58-59
• 7.1.1 版图的匹配58-59
• 7.2 超宽带发射前端版图的设计59-63
• 7.2.1 混频器晶体管的四方交叉60-61
• 7.2.2 混频器偏置电路版图61-62
• 7.2.3 驱动放大器的四方交叉62
• 7.2.4 驱动放大器的偏置版图62-63
• 7.2.5 芯片照片63
• 7.3 键合测试板的设计63-64
• 7.4 发射前端芯片的测试结果64-69
• 7.4.1 1dB压缩点的测试64-65
• 7.4.2 功率增益的测试65-66
• 7.4.3 三阶截点(IP3)的测试66-69
• 7.5 驱动放大器的在片测试结果69-70
• 7.5.1 S参数测试69-70
• 7.5.2 1dB压缩点的测试70
• 7.5.3 三阶截点(IP3)的测试70
• 7.6 本章小结70-72
• 第八章 总结与展望72-74
• 8.1 总结72-73
• 8.2 展望73-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-80
• 作者简介80

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本文编号：1119077