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随着移动通信技术的高速发展,从移动蜂窝到数字蜂窝,再到近期的CDMA、LTE技术,经过四代演进,第四代移动通信(4G)已经商用,而今第五代移动通信(5G)的研究也在全速进行,无线通信发展的一个重要趋势是单个终端可以适用于多种通信标准,例如目前已经商用的手机终端已经支持4G与短距无线通信标准包括蓝牙以及无线局域网(Wireless Local Area Networks,WLAN)等无线通信系统的集成。随着人们对多种通信标准兼容性以及功能多样性的需求,能够工作在多种模式和多种频段的射频收发机系统就成为了关键问题。目前的射频收发机系统方案是针对每一个通信模式均包含一整套收发机芯片,且在同一模式下,每一个频段都需要一个低噪声放大器芯片,这种射频收发机系统方案的特点是可以有效利用已有的芯片技术,降低开发周期和成本,但存在的问题是随着通信模式以及频段的增加,特别是多通道技术的需要,收发机的复杂度和芯片面积都大大增加,从而增加了通信系统的面积和成本。因此,在多模多频射频收发机的设计中,为了实现更多模式和频段,尽可能提高集成度和复用程度,可重构射频芯片技术就成为了解决该问题的重要技术手段。本论文在国家科技重大专项的支持下,以应用于LTE-Advanced等宽带无线通信系统的可重构射频芯片为研究对象,研究可重构架构的多模多频段射频芯片方案,利用CMOS工艺,重点针对无线通信模式较为集中的0.7~6GHz频段,完成了低成本、高性能、高集成度、以及工作带宽和信道带宽宽范围可重构的射频接收前端芯片的设计与实现。本文的主要工作和创新性成果可以概括为:1.通过研究目前多模宽带无线通信并存的应用场景对多模多频段射频收发机的技术要求,结合射频前端芯片的结构与特性,通过研究将多个收发通道简并,或部分射频芯片复用的可行性,如针对在电路设计中较易实现宽带性能的低噪声放大器和混频器,形成了多模多频段可重构射频芯片的研究思路,在此基础上,给出了两种多模多频段射频可重构架构方案:双频段方案以及全频段方案。两种方案均实现了宽带覆盖,兼容多种模式,同时避免了目前收发射频前端不同模式采用一套独立收发机的复杂性,满足多模通信系统应用场景下宽带接入的灵活需求,为实现射频收发系统的可重构提供了低复杂度、低成本的芯片技术支持。2.针对双频段可重构射频芯片架构,研究双频段可重构宽带射频芯片设计与实现技术,特别是利用基于可调谐负载网络的可重构单元,实现可重构射频前端芯片的技术。其中双频段可重构低噪声放大器芯片中,设计了双调谐负载网络,具有性能调谐灵活、面积小等优点,设计的数控双频段切换输入的电路结构,降低了双频段切换时,由开关导致的非理想因素对电路的整体性能的影响,提高了双频段的隔离度和匹配性能。双频段可重构混频器芯片中,采用基于宽带的吉尔伯特双平衡折叠结构,设计了双调谐负载网络,实现了良好的双频段可重构性能。双频段可重构宽带射频芯片的可重构单元主要采用面积小、精度高、噪声小的电容器件,实现了芯片面积和性能的折中优化。采用0.13um CMOS工艺,实现双频段可重构宽带射频前端芯片,重点针对移动通信标准IMT-2020以及短距通信标准超宽带(Ultra Wide Band,UWB)的应用,频段覆盖3.4~3.6GHz和4.2~4.8GHz,射频带宽最大支持100MHz。测试结果表明,实现的双频段可重构射频芯片在双频段可重构的同时,实现了关键性能如增益、线性度、噪声等之间的平衡折中,在两个相隔较远的工作频段间实现了硬件可重构并达到较好的性能。3.针对全频段可重构宽带射频芯片架构,研究全频段可重构射频芯片设计与实现技术,特别是针对宽带射频前端芯片的主流架构和性能特点,综合分析多种宽带设计技术,包括负反馈以及并联峰化等。其中全频段可重构低噪声放大器中,设计了三级拓扑结构并结合宽带芯片技术,实现增益、宽带匹配和噪声等性能的综合优化。全频段可重构混频器芯片中,基于宽带的吉尔伯特双平衡折叠结构,采用电流源并联退化电容技术,通过优化核心器件特别是本振开关级的晶体管参数,实现了宽带和线性度、噪声等性能的综合优化。采用0.13um CMOS工艺,针对6GHz以下无线通信应用,实现了全频段可重构射频前端芯片,工作频段覆盖700MHz~6GHz,射频带宽最大支持100MHz。测试结果表明,实现的全频段可重构射频芯片在700MHz~6GHz频段内实现了工作频段和信道带宽的宽范围可重构并达到较好的性能。4.利用实现的宽带可重构射频芯片完成了模块和系统验证。针对无线通信典型模式如LTE-Advanced、IMT-2020的典型频点:2.3、2.4、2.5GHz,3.4、3.6GHz,UWB的典型频点;4.2、4.5、4.8GHz等,完成模块验证,并利用符合LTE-Advanced规范的基带信号,完成了4通道系统传输实验验证。通过传输信号的频谱、星座图和信噪比等测试结果,表明本论文实现的宽带可重构射频芯片可以在700MHz~6GHz频段内,带宽最大支持100MHz,能够满足宽带系统所需的多天线配置。