0.5-15GHz超宽带射频可重构接收机关键技术研究

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随着超宽带技术于可重构技术的提出与不断发展,CMOS的硅基工艺技术的特征频率不断提高,以及在军事、反恐等特殊应用场景的需求促使基于硅基CMOS工艺在射频收发机领域得以发展,并成为广大学者与研究机构的研究热点和研究重点。本文将超宽带技术与可重构技术结合实现了基于硅基UMC 28nm CMOS工艺的0.5-15GHz超宽带射频可重构接收机芯片设计。与传统消费级专用射频集成电路(RFIC)相比,本文提出的可重构接收机可以支持更广的应用范围。在军事、反恐等用户基础小,前期研发成本高,小型化的应用场景,本文提出0.5-15GHz超宽带射频可重构接收机芯片更加具有应用前景,可有效的减小前期开发成本与版本迭代成本,同时具有高集成度、便携式、以及通信探测一体化等优势。本文结合超宽带和可重构技术,实现不改变硬件的条件下,通过配置实现0.5-15GHz全频段覆盖,减小在特殊应用场景下射频端前期开发的时间与成本;通过引入0.5-8GHz超宽带低噪声放大器和8-15GHz超宽带低噪声放大器两路通路,实现0.5-15GHz全频段可重构;在通信或雷达接收机中引入时间域ADC作为量化器,利用其功耗低,速度快的特点,实现16Gs/s的等效时间采样率;利用等效时间采样和亚采样原理将该芯片应用于通信和雷达,实现通信探测一体化。等创新点。本文提出的0.5-15GHz超宽带射频可重构接收机芯片主要有0.5-8GHz超宽带低噪声放大器(UWB LNA)、8-15GHz UWB LNA、超宽带增益可编程放大器(UWB PGA)、混频器(Mixer)、高速时间域模数转换器(TD-ADC)等模块。其中0.5-8GHz UWB LNA采用RC负反馈方式实现超宽带阻抗匹配,并采用有源balun(平衡到不平衡)方式实现单端差分变换,在0.5-8GHz带宽内S11小于-10d B,噪声系数(NF)小于4d B,增益大于21d B,K值大于1,输入三阶交调点(IIP3)约-10.8307d Bm。8-15GHz UWB LNA结构类似,在8-15GHz带宽内S11小于-10d B,噪声系数(NF)小于4d B,增益大于25d B,K值大于1,输入三阶交调点(IIP3)约-12.865d Bm。UWB PGA采用两级级联R-2R电阻负载结构实现增益可编程,-3d B带宽大于8GHz,具有0-24d B的增益可调范围,且调节步长为6d B。Mixer采用基于吉尔伯特乘法单元结构实现8-15GHz射频通路的下混频,减小对ADC设计要求,下混频后工作带宽大于2GHz,转换增益约5.8d B,噪声系数(NF)小于7d B,输入三阶交调点(IIP3)约-7d Bm。射频前端电路0.5-8GHz射频通路最大噪声系数随增益21~42.5变化而从5.8d B变化到4d B;射频前端电路8-15GHz射频通路最大噪声系数随增益26~50d B变化而基本稳定在11d B;片上集成TD-ADC实现最高采样率500MHz,测试信噪比(SNDR)约40d B,无杂散动态范围(SFDR)约55d B。本文基于UMC 28nm CMOS工艺完成可重构接收机芯片电路和版图的设计。消耗面积1.01mm~2,功耗约217.9m W。完成流片与射频测试,并将其应用到QPSK、16QAM等通信应用场景,利用Keysight 89600 VSA实现解调得到其各自清晰的星座图。最后对接收机芯片功能与性能进行总结并与现有参考文献对比,本文0.5-15GHz超宽带射频可重构具有较好的综合性能,能够满足在军事,反恐等特殊场景中的应用,满足便携式,小成本的要求。
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