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超宽带无线通信系统射频前端电路研究与设计

作　者: 杜四春
导　师: 王春华
学　校: 湖南大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 超宽带射频前端低噪声放大器混频器频率合成器 CMOS
分类号: TN925
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)技术是当前无线通信技术领域发展极为迅速的一种新型无线通信技术。超宽带技术以高速率、高容量,低功耗和低成本等特性受到通信学术界和产业界的重视,并将获得日益广泛的应用。因此,研究并提高超宽带射频通信电路性能,对无线通信的发展具有重要的科学意义和现实意义。本论文主要研究多载波正交频分复用(MultiBand OFDM,MB-OFDM)超宽带(3.1-10.6GHz)射频前端,包括低噪声放大器、混频器和频率合成器三大主要部件。本文主要的创新工作可概括如下：(1)本文提出了一种工作在3.1-10.6GHz的超低噪声高线性的超宽带低噪声放大器电路。该低噪声放大器电路主要由两级构成：第一级为输入匹配级,采用共栅结构实现宽带输入匹配；第二级为放大级,采用改进型共源共栅结构组成,这种结构在获得良好增益的同时大大降低了对电源电压的要求。通过采用电感负载峰值技术和极间串联电感峰值技术,在整个频带内获得了良好的增益平坦度。提出的电路采用CHRT0.18μm RF CMOS工艺,在Cadence软件进行仿真,结果表明,在1.5V的电源电压下,该电路在整个带宽内实现了良好的输入输出匹配(S11<-9.5dB,S22<-8dB),增益11.3-15.3dB,最小噪声系数仅为2.75dB,三阶互调截点IIP3为19dB,功耗为17mW。(2)本文提出了一种工作在3.1-10.6GHz频段的低电压低功耗的超宽带低噪声放大器电路。该低噪声放大器电路主要由两级共源放大器和输出缓冲器构成,采用LC滤波网络实现输入匹配,结合电流复用技术,在整个频带内获得了较低的功耗和较高的增益。提出的电路采用CHRT0.18μmCMOS工艺,在Cadence软件进行仿真,仿真结果表明,在1V的电源电压下,该电路在整个带宽内实现了良好的输入输出匹配(S11-10dB, S22<-10.5dB),增益为15.5-17.5dB,最小噪声系数为2.8dB,功耗仅为6mW。(3)本文提出了一种工作在3.1-10.6GHz频段的超低功耗高线性度上混频器电路。在传统吉尔伯特(Gilbert)单元电路的基础上,通过在开关对共源节点插入T型LC网络吸收寄生电容,使得混频器的线性度性能有了大幅的改善；结合使用电流注入技术,使得混频器在低功耗条件下具有较高的增益和线性度。提出的电路采用CHRT0.18μm CMOS工艺,在Cadence软件仿真,仿真结果显示,在3.1-10.6GHz频带内,工作电压为1.2V,功耗仅为2.4mW,混频器的转换增益达到了10±1dB,IIP3为7.19dBm,噪声系数为7.1～7.8dB。(4)本文提出了一种应用于3.1-10.6GHz频段的无电感超宽带频率合成器电路。该电路结构上的特点是：一是只包括一个锁相环和两个宽带单边带混频器,无需在末级单边带混频器增加滤波网络来改善输出信号的纯度,结构上的简化有助于电路功耗、面积和成本的降低。二是在锁相环中采用无电感正交环形振荡器和两路无电感双边带混频器实现单边带混频器,进一步降低了电路的复杂度、版图面积和总功耗。采用TMSC0.18μmRF CMOS工艺,使用ADS工具进行仿真,结果表明,该超宽带频率合成器在1.8V的电压下,产生从3432MHz到10296MHz的频率,载波频率之间的转换时间约为2.5ns,输出信号中的杂散信号功率不超过-30dBc。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
插图索引  12-15
附表索引  15-16
第1章绪论  16-34
  1.1 引言  16
  1.2 选题背景及意义  16-18
    1.2.1 选题背景  16-17
    1.2.2 研究意义  17-18
  1.3 超宽带射频前端研究现状  18-31
    1.3.1 超宽带低噪声放大器的研究现状  18-23
    1.3.2 超宽带混频器研究现状  23-28
    1.3.3 超宽带频率合成器研究现状  28-31
  1.4 研究内容和贡献  31-32
  1.5 论文结构  32-34
第2章超宽带射频前端设计理论与性能指标  34-52
  2.1 超宽带低噪声放大器设计理论与性能指标  34-40
    2.1.1 超宽带LNA设计理论  34-37
    2.1.2 超宽带低噪声放大器性能指标  37-40
  2.2 超宽带混频器设计理论与性能指标  40-45
    2.2.1 超宽带混频器设计理论  40-44
    2.2.2 超宽带混频器性能指标  44-45
  2.3 超宽带频率合成器设计理论与性能指标  45-51
    2.3.1 超宽带频率合成器设计理论  45-49
    2.3.2 锁相环的组成及基本原理  49-51
  2.4 本章小结  51-52
第3章低噪声高线性度超宽带低噪声放大器设计  52-64
  3.1 电路结构  52-53
  3.2 电路分析  53-59
    3.2.1 输入匹配分析  53-54
    3.2.2 增益分析  54-55
    3.2.4 噪声分析  55-56
    3.2.5 输出匹配电路设计  56-57
    3.2.6 偏置电路设计  57-58
    3.2.7 线性度分析  58-59
  3.3 仿真结果  59-61
    3.3.1 S参数仿真  59-60
    3.3.2 噪声仿真  60-61
    3.3.3 三阶互调截点IIP3  61
  3.4 版图设计  61-63
  3.5 与相关论文性能比较  63
  3.6 本章小结  63-64
第4章低电压低功耗超宽带低噪声放大器设计  64-77
  4.1 电路结构  64-65
  4.2 电路分析  65-73
    4.2.0 输入匹配分析  65-66
    4.2.1 低电压低功耗的电流复用结构  66-68
    4.2.2 增益分析  68-69
    4.2.3 噪声分析  69-71
    4.2.4 输出缓冲器分析  71-73
  4.3 仿真结果  73-75
  4.4 版图设计  75
  4.5 与相关论文性能比较  75-76
  4.6 本章小结  76-77
第5章低功耗高线性度超宽带混频器设计  77-88
  5.1 电路结构  77-78
  5.2 电路设计与分析  78-83
    5.2.1 跨导级电路设计  78-79
    5.2.2 开关级电路设计  79-80
    5.2.3 电流注入级  80-81
    5.2.4 T型LC网络电路设计  81-82
    5.2.5 负载电路设计  82
    5.2.6 偏置电路设计  82-83
  5.3 仿真结果分析  83-86
    5.3.1 线性度仿真  83-84
    5.3.2 转换增益仿真  84-85
    5.3.3 噪声系数仿真  85-86
  5.4 版图设计  86-87
  5.5 与相关论文性能比较  87
  5.6 本章小结  87-88
第6章无电感超宽带频率合成器设计  88-107
  6.1 电路结构  88-90
  6.2 电路分析  90-102
    6.2.1 超宽带频率合成器锁相环设计  90-98
    6.2.2 单边带混频器的设计  98-101
    6.2.3 多路选择器设计  101-102
  6.3 仿真结果分析  102-105
  6.4 与相关论文性能比较  105
  6.5 本章小结  105-107
第7章总结与展望  107-109
  7.1 总结  107-108
  7.2 展望  108-109
参考文献  109-118
附录A (攻读博士期间所发表的学术论文及成果)  118-119
附录B (攻读博士学位期间所参与的科研活动)  119-120
致谢  120

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