平方公里阵列中频阵的射频前端关键技术研究

发布时间：2020-10-21 07:29

　　 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、集成度以及技术成熟度,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。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH751
【部分图文】：

天文学家发现现有的射电望远镜激不能为进一步的科学研究提供有效的观测数据。??因此，新建一个更先进的射电望远镜推进天文学的发展是必要的。当前天文望远镜的灵敏??度越来越高，己逐渐接近干涉技术极限值（如图１．１所示），增大望远镜的接收面积是进一??步增大灵敏度的有效手段。??天文学经过多年发展，天文学家发现提升观测设备的性能可以在５个研究领域做出重??大突破［２１这些研究领域分别如下所示：??１?？探索外星文明——射戈外星生命、星球；??２广义相对论与脉冲星和黑洞的极端检验；??３．

效接收面积撕１平方公里，因此被称为平方公里阵列。目前的天线设计方案是在中心区??密布阵，在延伸到外部区域的五条螺旋臂上散布天线阵列，天线阵列密度隨着到中??心区域的距离增大而稀薄３］，望远镜的整体效果图如图１．２所示。新的射电望远镜覆盖的频??率范围从７０ＭＨｚ到２５ＧＨｚ［１］，分为三个频端：低频、中频、高跡二４］：??（１）?ＳＫＡ低频阵（ＳＫＡ－ｌｏｗ）：该阵列的工作频率为７０ＭＨｚ到４５０ＭＨｚ，天线阵列采用??对数周期偶极子天线阵列。这种阵列具有宽视场的能力，能提供宇宙的三维映射成像。ＳＫＡ??低频阵主要用来研宄宇宙处于电离时期以及更早的高速红移时期的中性氢的２１ｃｍ起精细??结构线，同时也用来探测银河系、星际空间的低频脉冲星，磁化等离子体以及射电复合线。??⑵中频阵（ＳＫＡ－ｍｉｄ）：中频阵工作频带为３５０ＭＨｚ？１３．８ＧＨｚ，分为５个子频带：??０．

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【参考文献】

相关期刊论文 前4条

1 杨开拓;方毅;黄鲁;;采用噪声抵消技术的无电感宽带低噪声放大器[J];微电子学;2015年03期

2 黄杏丽;秦希;秦亚杰;黄煜梅;洪志良;;一种具有温度补偿的宽带CMOS可变增益放大器[J];固体电子学研究与进展;2013年03期

3 沈珮;张万荣;金冬月;谢红云;;SiGe HBT低噪声放大器的设计与制造[J];电子与信息学报;2010年08期

4 黄韬;袁超伟;窦雯雯;;一种新型UWB接收机的设计[J];无线电工程;2006年09期

本文编号：2849829