【摘 要】
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射电望远镜作为人类探索宇宙的“眼睛”,其发展一直吸引着人们的目光。为了在宇宙起源、生命起源等重大前沿问题上取得突破,世界上最大的射电望远镜即平方公里阵列（Square Kilometer Array,SKA）的设想被提出,中频孔径阵列（Mid-Frequency Aperture Array,MFAA）是SKA的重要组成部分。随着无线通信技术的发展,波束合成技术成为提高MFAA性能的重要方法,其通
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射电望远镜作为人类探索宇宙的“眼睛”,其发展一直吸引着人们的目光。为了在宇宙起源、生命起源等重大前沿问题上取得突破,世界上最大的射电望远镜即平方公里阵列（Square Kilometer Array,SKA）的设想被提出,中频孔径阵列（Mid-Frequency Aperture Array,MFAA）是SKA的重要组成部分。随着无线通信技术的发展,波束合成技术成为提高MFAA性能的重要方法,其通过延时网络来弥补不同方向的波束到达天线阵列的延时差,从而在输出端实现波束信号的相干合成。与传统天线系统相比,波束合成技术能够抑制噪声干扰,提高信号质量。本文以SKA项目中的MFAA为基础,基于改进的路径共享架构,提出了差分复用波束合成网络,设计了一种低功耗、低复杂度的模拟波束合成芯片。芯片由低噪声放大器、无源真延时单元、有源真延时单元和缓冲器四种电路模块组成。差分低噪声放大器作为芯片的第一级,采用电流复用结构和噪声抵消结构,实现噪声的抑制和输入信号的放大;无源真延时单元采用新型差分结构,同有源真延时单元相结合,共同构成芯片的延时网络,实现差分复用功能;缓冲器作为芯片的最后一级,采用电感拓展带宽,以弥补前级电路的增益损耗,同时利用源跟随器结构实现良好的输出阻抗匹配。本文设计的芯片基于HHNEC 0.18μm Bi CMOS工艺,能在0.5～1.5GHz带宽内同时实现四个方向的信号输入和输出。仿真结果表明,芯片延时网络的分辨率为80ps,延时最大值为720ps,延时浮动均方根值为29.6ps,整体电路的输出反射系数低于-24d B,输入反射系数低于-11d B,通道增益为18.9～21.6d B,版图面积为2.96mm×3.22mm。在1.8V电源电压下,芯片的总功耗为321.89m W,能在面积适中、低功耗和低复杂度的基础上实现高精度的波束合成。
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