【摘 要】
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近年来,微波多普勒雷达作为传感器用途越来越广泛,其收发机电路设计追求小型化、低成本、低功耗、高灵敏度等性能,其中频率综合器和混频器结构的设计对以上性能有着重大影响。频率综合器决定了发射机的输出频谱纯度,同时也影响着接收机解调噪声。混频器影响着接收机的噪声、线性度等,决定了接收端的信噪比。本文面向X波段雷达传感器应用,对多普勒雷达系统中的关键电路进行研究,基于130nm CMOS工艺对上述电路进行集
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近年来,微波多普勒雷达作为传感器用途越来越广泛,其收发机电路设计追求小型化、低成本、低功耗、高灵敏度等性能,其中频率综合器和混频器结构的设计对以上性能有着重大影响。频率综合器决定了发射机的输出频谱纯度,同时也影响着接收机解调噪声。混频器影响着接收机的噪声、线性度等,决定了接收端的信噪比。本文面向X波段雷达传感器应用,对多普勒雷达系统中的关键电路进行研究,基于130nm CMOS工艺对上述电路进行集成化设计。本文首先介绍了频率综合器中常用的锁相环结构,针对实际应用的指标需求,设计了一款电荷泵锁相环。其中对分频器电路进行了抗工艺和温度变化的优化,保证锁相环电路能够稳定工作。该芯片进行了版图设计和加工测试,在13.05mW的功耗下,实现了 10.3GHz-11.3GHz的频率锁定范围,频率步进12.5MHz,相位噪声-55.4 dBc/Hz@10kHz,-95.2 dBc/Hz@1MHz,杂散功率-35.5dBc。其次,基于电荷泵锁相环固有的问题和测试的结果,为了进一步降低功耗并优化相位噪声,本文设计了一款带内噪声优化的亚采样锁相环与倍频器级联的结构,其中实现了低功耗的堆叠式压控振荡器;为了提高性能的一致性和稳定性,本文利用环路反馈设计方法,设计了稳幅电路、占空比控制电路、恒跨导电路,从而稳定环路参数。最终仿真实现的性能为功耗5.7mW,输出频率范围9.6GHz-11.4GHz,最优相位噪声-126dBc/Hz@10kHz,-110dBc/Hz@1MHz,积分有效值抖动为188fs。接着,本文针对零中频接收机中使用的混频器结构进行研究,结合文献中的时变小信号模型分析方法,改进单平衡有源混频器的增益和闪烁噪声模型,设计了一款负阻谐振结构电流注入型低闪烁噪声有源混频器,并通过增加共栅管和可调元件、调整匹配电路,增强了电路的稳定性。该混频器仿真实现的性能为功耗3mW,电压转换增益30dB,低频噪声系数9.1dB@10kHz,高频噪声系数6.1dB@100MHz。
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