卫星导航射频接收芯片单片集成关键技术研究

摘要

以全球定位系统、格洛纳斯系统、伽利略系统和北斗系统为代表的全球卫星定位导航系统是航天、空间技术和通信、信息技术的结合，具有重要的军用和民用应用价值，现在已深刻的影响着人们的生活。单芯片化的地面接收机具有低功耗、小体积、低成本的优点，是卫星导航接收机发展的主要方向，其中的射频前端电路会很大程度上影响接收机功能和性能。随着工艺的发展，CMOS工艺已经逐步取代化合物半导体工艺成为射频集成电路的主流工艺，有利于射频前端和基带进一步集成形成片上系统。因此，基于CMOS工艺的单片高集成度卫星导航接收机射频前端芯片技术具有很高的研究价值和应用价值。
　　本论文基于多项实际课题，针对单片卫星导航接收机对射频前端的功能和性能要求，研究了射频前端单芯片系统设计、频率可配置低噪声放大技术，镜像抑制混频和滤波技术、数字自动增益控制技术和锁相环型频率合成技术等多项关键技术，并最终研制了卫星导航接收机射频前端样片进行测试和验证。
　　首先，对于单芯片化的射频前端系统，本文基于集成电路的特点选择低中频结构作为具体实现方式；研究了不同于分立式导航接收机而适用于射频芯片的整体指标参数计算方法，给出增益、噪声系数、线性度、相位噪声等主要参数指标的计算过程；在此基础上研究了接收机芯片参数指标的模块化分解方法，并给出了一种指标分解方案；还提出了单通道双模和双通道多模这两种多模兼容接收机射频芯片结构。
　　由于卫星导航信号到达地面接收端时强度非常微弱，本文首先研究了位于单片化接收机最前端的低噪声放大器的噪声特性及分析方法；然后基于源极负反馈电感型低噪声放大器结构，设计了两种针对多模兼容需求的频率可配置低噪声放大器电路，利用开关电容调谐的方法改变工作频点，实现模式可配置；在此基础上设计了版图，并进行了投片。样片测试结果为：双频点和三频点可配置低噪声放大器在1.2GHz和1.5GHz两个主要频段的三个频点上，噪声系数为1.6~1.8dB，增益达到16~20dB，输出1dB压缩点大于-21dBm，功耗7~10mW，测试结果验证了研究方法的正确性和有效性。
　　其次，针对低中频接收机结构中的镜像抑制问题进行了研究。在正交混频器方面，改进经典结构得到了一种有源双平衡混频器电路，并提出了旁路电流注入结构来调整性能；仿真结果显示，该混频器可以完成正交下变频的功能，并提供14dB的增益，噪声系数为11dB，模块功耗小于10mW。在镜像抑制滤波器方面，研究并设计了一种四级无源多相滤波器的电路，针对无源器件的失配问题进行了版图优化和后仿真。另外，还研究了复数带通滤波器的镜像抑制方法，基于频率搬移方法设计了五阶 Gm-C复数带通滤波器电路和版图并进行了后仿真；正交混频器结合滤波器的镜像抑制比超过30dB。
　　然后，本文还研究了数字自动增益控制环路。提出了一种针对卫星导航信号高斯白噪声统计特性的自动增益控制算法。该算法采用数字电路实现，能提高芯片集成度；而且通过优化功率估计方法，能够将增益调整过程控制在两步以内，大大缩短了环路稳定时间；还建立模型对环路的功能和稳定性进行了讨论。本文还基于典型结构改进设计了一种可编程增益放大器，能够提供62dB的动态范围和2dB增益步进。
　　为了获得稳定有效的本地振荡信号，本论文还研究了锁相环频率合成器。通过改进鉴频鉴相器和电荷泵电路，解决了“死区”问题；还设计了一种振荡频率在2~3GHz的电感电容压控振荡器，配合基于源极耦合逻辑的高速分频器以及片外环路滤波器等其他功能单元，构成了锁相环频率合成器。频率合成器子系统进行了单独投片和测试，样片测试结果为：频率合成器可以在1.2GHz正常锁定，VCO振荡频率范围为2.23GHz到2.69GHz，调谐特性良好；相位噪声为-101dBc/Hz@100kHz、-123dBc/Hz1MHz，可以满足卫星导航接收机的要求。
　　最后，基于TSMC0.18μm CMOS工艺，试制了针对北斗导航系统的单芯片射频前端样片。在完成芯片结构规划、版图规划、管脚定义后进行了投片；样片封装为QFN形式，在此基础上设计测试板对样片进行了测试。测试项目包括直流、频率合成器子系统、射频通道和中频四个部分，涉及到所有主要参数。针对北斗 B2/B3频点的测试如下：直流测试无漏电，整体功耗54mW；在匹配良好的情况下，射频通道总体增益最大为105dB、噪声系数为3.2~3.7dB、输入1dB压缩点为-43dBm；频率合成子系统输出频率调谐范围从1.056GHz到1.294GHz，相位噪声为-79.69dBc/Hz@1kHz、-86.81dBc/Hz@10kHz、-99.10dBc/Hz@100kHz、-123.48dBc/Hz@1MHz；受参考频率影响，在10MHz偏移处存在72dBc的杂散；中频滤波器中心频率46MHz，3dB带宽为34MHz~59MHz，带内波动为1dB，镜像抑制比32dB；AGC环路动态范围62dB，增益步进2dB，增益误差小于±0.3dB，稳定时间小于32μs。测试结果显示样片能够满足卫星导航接收机的要求，同时也验证了本文的研究方法和所提出的结构、电路和算法的正确性和有效性。