应用于卫星导航系统射频前端的频率合成器的研究与设计

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随着北斗三号系统的快速部署,我国的北斗系统已经开始提供全球服务,标志着我国自主导航系统进入大众化应用的时代。高灵敏度、低功耗、集成化的卫星导航接收机将成为卫星导航产业的主要研究方向。锁相环式频率合成器作为射频接收机前端的重要模块,决定着接收机的整体性能。频率合成器的锁定时间直接影响接收机的接收效率,其输出频率范围决定了接收机的最大接收频率范围,其相位噪声与接收信号的信噪比紧密相关。
  首先对频率合成器进行理论分析,通过文献综述对现有的频率合成器进行分类整理,基于线性模型对各个模块建立数学模型,并通过Verilog-A建模对系统方案进行验证;其次,作为一个反馈系统,整个环路的传输特性需要综合考虑,频率合成器的环路带宽与相位噪声、杂散、锁定时间密切相关,需要在保证环路稳定性的条件下进行折中选取,基于频率合成器的整体指标利用MATLAB可以方便计算出环路参数,后续可以根据指标要求进行微调以满足频率合成器整体指标要求;通过分析电荷泵非理想因素以及调谐增益Kvco对参考杂散的影响,改进传统的电荷泵结构,提出了一个低失配电荷泵,并通过拓宽电荷泵的动态输出范围的方法降低了锁相环输出频率范围对Kvco的要求,优化了锁相环的杂散性能;并研究了压控振荡器的相位噪声理论,分析了压控振荡器的噪声模型,设计了一个低相位噪声正交压控振荡器。
  基于以上的分析和研究,根据接收机架构确定了频率合成器的指标,并对频率合成器的子模块进行合理的指标分配,采用TSMC 0.18μm混合CMOS工艺,设计了一个1.1GHz~1.95GHz的频率合成器,利用Cadence Spectre进行电路设计与仿真,并利用Virtuoso Layout工具完成整体电路的版图设计。整个系统基于1.8V电源电压,参考频率为16.368MHz,电荷泵电流为100μA,环路带宽为200kHz。仿真结果表明,本文设计的频率合成器单条频带锁定时间小于 10μs,在 1MHz 频偏处的相位噪声为-122dBc/Hz,功耗约为63mW,芯片面积为1835μm×856μm。
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