基于130nmCMOS的X波段雷达接收机关键电路的研究与设计

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雷达接收机在通信系统中承担着信息接收与处理的重要功能。低噪声放大器与混频器位于接收机的第一级与第二级,对接收机整体的增益,噪声乃至线性度等指标有着很大影响。本文基于130nmCMOS工艺,对这两类关键电路的匹配,噪声,线性度和增益等性能展开研究,主要工作内容及创新点如下:1.针对低噪声放大器中的宽带匹配网络和噪声进行了研究分析,设计了 一种基于噪声消除结构的负载实现与负载双谐振方法。两支路在输出端对噪声进行反向消除。共源极漏端电感与寄生电容形成高阻,在消除电路噪声的同时,减少了负载的噪声贡献。而第二级LC双谐振负载实现了增益带宽的扩展。基于该结构的低噪声放大器仿真结果表明,噪声系数由4.6dB降低至3.36dB,在7.8-11.3GHz增益带宽内最高增益达到15.1dB。共栅极的输入网络实现了 7.7-11.4GHz输入匹配带宽,S11小于-10dB。2.对共源极低噪声放大器的线性度较差和匹配带宽窄的问题,提出了一种亚阈值后失真结构低功耗宽带线性度提升技术,并基于该技术设计了一款X波段低功耗增强的低噪声放大器。在X波段内,只引入了亚阈值辅助电路0.075mW的额外功耗,通过电流叠加作用将输入三阶交调点从-13~-4dBm提升至-5.2-4dBm,提升范围5~16dBm。此外,针对共源极匹配带宽窄的问题,设计了一种负载优化的共源极宽带匹配方法。仿真结果表明,在简化输入网络的同时,该电路在X波段内有着S11小于-8dB的宽带匹配。通过负载谐振网络,实现了8-12GHz的增益带宽,最大增益为14dB。并根据级联噪声特性,使该X波段的低噪声放大器实现了 1.86dB的噪声系数。3.对混频器的噪声贡献和线性度分析,针对传统的吉尔伯特结构进行噪声抑制和线性度优化。设计了一款X波段内的线性提升噪声降低的双平衡混频器。采用亚阈值后失真低功耗线性提升结构通过非线性叠加消除了跨导级的非线性,并利用电感虚拟地效应,在减小面积的同时,谐振消除开关对寄生电容所引入的三阶交调项。此外采用了结合自偏置电流注入结构和共源结点电感的结构,降低开关对电流和寄生效应,共同减少了混频器噪声系数。结果表明,该结构混频器实现了各端口较好的隔离度,其输入三阶交调点从0.5dBm提升至5.5dBm。在10MHz中频,混频器的噪声系数由17.2dB降低至10.9dB。本振信号幅度为4dBm时,实现了 19dB的转换增益。
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