面向卫星通信的Ka波段接收机前端电路设计

作     者：于星习 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩良

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：接收机前端 Ka波段 卫星通信 低噪声放大器 混频器 

摘      要：随着无线通信技术的发展，新的无线通信方式为人们生活带来巨大的变化，卫星通信作为无线通信的重要方式在诸多领域得到应用。目前，卫星通信逐渐向更高频段的毫米波领域发展，Ka波段成为当前卫星通信的重要发展方向。接收机前端电路作为卫星通信中重要的一部分，其性能的优劣对整个系统的性能有重要影响，Ka波段卫星通信需要接收机前端有高射频带宽与良好的干扰抑制能力。在接收机前端架构中，滑动中频接收机以其灵活的频率配置、优秀的干扰抑制与良好的宽带应用能力成为高频段卫星通信的研究热点，其中核心模块包括低噪声放大器(LowNoiseAmplifier,LNA)与混频器。论文基于40nmCMOS工艺进行Ka波段滑动中频接收机前端电路设计，主要研究工作如下。 针对CMOS工艺存在高频寄生效应的问题，论文研究了电路中关键组成部分CMOS晶体管、片上电容、电感与变压器的高频特性，给出了高频下CMOS晶体管的版图优化方法与各片上无源器件的设计方法，有效降低了晶体管高频寄生效应的影响与片上无源器件的损耗。 针对高频段宽带LNA电路级数较多、设计复杂度较大的问题，论文提出了两级宽带LNA设计，采用基于松耦合变压器的级间匹配设计用于带宽扩展，研究了级间谐振槽路对变压器的设计需要和对元件误差的敏感性。此外为优化电路的稳定性与增益，在电路中加入了中和电容，并研究了中和电容的不同容值与品质因数对电路性能的影响。完成版图设计与后仿真，仿真结果显示所设计LNA的3dB带宽为10.8GHz，功率增益为20dB，噪声系数低于4dB，带内S11小于-10dB，满足Ka波段宽带应用需要。 针对滑动中频接收机对中频带宽的要求与混频器增益和线性度等指标较难折衷的问题，论文采用有源混频器与无源混频器级联的结构，并使用双调谐变压器进行级间匹配以扩展中频带宽。进行版图设计与后仿真，结果显示所设计的混频器变频增益大于0dB，中频带宽超过3.6GHz，输入1dB压缩点为-6.16dBm，避免了变频损耗并满足了接收机架构的要求。 完成Ka波段接收机前端电路整体版图设计并进行后仿真结果显示接收机变频增益为20.5dB，噪声系数4.18dB，输入三阶截取点为-13.1dBm，满足设计指标的需要。