电磁兼容(EMC)设计与整改
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一个宽带应用的低噪声混频器设计
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GNSS
随着GNSS(Global Naviga
ti
on Satellite System)的不断发展和中国北斗二代卫星导航系统的加快建设,卫星导航定位系统在各领域的应用将更加广泛和深入,更低功耗、更低噪声、更低成本的卫星接收芯片已成为当前研究的热点,而作为射频前端
电路
中实现频谱搬移的混频器,是十分重要的模块。
本文研究的最终目的是得到一个宽带应用的低噪声混频器,适用于GNSS接收机。
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(3)
王杰
2019-7-5 10:36:43
1 设计指标
这个混频器设计的目的是实现一个宽带应用的低噪声混频器,带宽能够覆盖GNSS所有频段(1GHz~1.6GHz)的混频器,所要求的指标如下:1)输入射频频率:1~1.6GHz;2)中频输出频率:46MHz;3)射频功率:-120~-30dBm;4)本振功率:-10dBm;5)工作电压:3.3V;6)转换增益:10dB;7)噪声系数:4dB;8)1dB压缩点:-17dBm。
2 混频器的整体设计
混频器的电路设计图如图1所示。
负载电路由R1、C1、R2、C2组成,分别构成了两个RC一阶低通滤波器,用于滤除泄漏到混频器输出端口的LO和RF等高频信号。
在跨导级,Q8、R9和Q5、R7以及Q8、R9和Q6、R8构成了比例式镜像电流源电路。其中,基极电阻R7和R8必须足够大,保证射频信号功率很好地注入到Q5和Q6,同时防止干扰信号从基极电阻串扰射频信号。但是,基极电阻也不能太大,否则造成跨导管的基极电流太小,从而影响工作点,导致增益的下降。因为输入的是差分信号,要求R7和R8相等,Q5和Q6尺寸一样。
在开关级,Q7连接成二极管的形式,给开关管提供偏置电压,Q1~Q4为完全一样的晶体管,基极电阻R5和R6也完全一样,而且要求阻值足够大,以使本振信号功率有效注入开关管。R4和R3分别用来设置偏置电流的大小和开关级偏置电压的大小,这两者都不能太大,否则支路电流小,从而影响跨导管工作点的设置,灵活调整两者的比例,可以让电压的分配更合理。电路中C1、C2电容值为2pF;偏置晶体管Q7和Q8选择尺寸比较小的管子,目的是节省功耗,它们的型号为N05005011SH。各个电阻的取值如表1所示。
1 设计指标
这个混频器设计的目的是实现一个宽带应用的低噪声混频器,带宽能够覆盖GNSS所有频段(1GHz~1.6GHz)的混频器,所要求的指标如下:1)输入射频频率:1~1.6GHz;2)中频输出频率:46MHz;3)射频功率:-120~-30dBm;4)本振功率:-10dBm;5)工作电压:3.3V;6)转换增益:10dB;7)噪声系数:4dB;8)1dB压缩点:-17dBm。
2 混频器的整体设计
混频器的电路设计图如图1所示。
负载电路由R1、C1、R2、C2组成,分别构成了两个RC一阶低通滤波器,用于滤除泄漏到混频器输出端口的LO和RF等高频信号。
在跨导级,Q8、R9和Q5、R7以及Q8、R9和Q6、R8构成了比例式镜像电流源电路。其中,基极电阻R7和R8必须足够大,保证射频信号功率很好地注入到Q5和Q6,同时防止干扰信号从基极电阻串扰射频信号。但是,基极电阻也不能太大,否则造成跨导管的基极电流太小,从而影响工作点,导致增益的下降。因为输入的是差分信号,要求R7和R8相等,Q5和Q6尺寸一样。
在开关级,Q7连接成二极管的形式,给开关管提供偏置电压,Q1~Q4为完全一样的晶体管,基极电阻R5和R6也完全一样,而且要求阻值足够大,以使本振信号功率有效注入开关管。R4和R3分别用来设置偏置电流的大小和开关级偏置电压的大小,这两者都不能太大,否则支路电流小,从而影响跨导管工作点的设置,灵活调整两者的比例,可以让电压的分配更合理。电路中C1、C2电容值为2pF;偏置晶体管Q7和Q8选择尺寸比较小的管子,目的是节省功耗,它们的型号为N05005011SH。各个电阻的取值如表1所示。
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李富贵
2019-7-5 10:36:48
3 仿真结果
在对增益和噪声进行分析的时候,我们使用了ADS提供的“MixConvGainNF Schematic Template”环境进行仿真。在输入射频信号频率为1.575GHz,功率为-85dBm,输出中频为46MHz,输入本振信号功率为-10dBm的时候,测得的转换增益(conversiongain)为15.79dB,单边带噪声系数为4dB。如图2所示。
本设计混频器应用于GNSS接收机,它要求接收的射频信号频率范围在1~1.6GHz之间,本混频器也要求在这范围内拥有较高的增益和较低的噪声系数。图3为这一变化范围内的增益和噪声,这是经过多点测试,然后用描点法描出来的。
另外,线性度也是混频器需要考虑的一个重要问题。一般从天线接收进来的GNSS射频信号功率在-110~-55dBm之间,经过低噪声放大器放大后,输入到混频器的射频信号功率大约在-100~-40dBm之间。我们知道,当输入信号功率变大,混频器会出现增益压缩的现象。图4为混频器的1dB增益压缩点仿真结果。
3 仿真结果
在对增益和噪声进行分析的时候,我们使用了ADS提供的“MixConvGainNF Schematic Template”环境进行仿真。在输入射频信号频率为1.575GHz,功率为-85dBm,输出中频为46MHz,输入本振信号功率为-10dBm的时候,测得的转换增益(conversiongain)为15.79dB,单边带噪声系数为4dB。如图2所示。
本设计混频器应用于GNSS接收机,它要求接收的射频信号频率范围在1~1.6GHz之间,本混频器也要求在这范围内拥有较高的增益和较低的噪声系数。图3为这一变化范围内的增益和噪声,这是经过多点测试,然后用描点法描出来的。
另外,线性度也是混频器需要考虑的一个重要问题。一般从天线接收进来的GNSS射频信号功率在-110~-55dBm之间,经过低噪声放大器放大后,输入到混频器的射频信号功率大约在-100~-40dBm之间。我们知道,当输入信号功率变大,混频器会出现增益压缩的现象。图4为混频器的1dB增益压缩点仿真结果。
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程家文
2019-7-5 10:36:50
4 结果分析
根据图3仿真结果可以看出,在从1~1.6GHz的600MHz带宽范围内,增益下降不到2dB,均大于15dB,提供了足够的增益,符合增益设计要求。另外,噪声系数也出现了较小范围内的变化,实现了宽带低噪声,符合设计要求。根据图4仿真表明,该混频器的1dB增益压缩点为-17dBm,线性范围满足应用要求,也符合项目设计要求。
4 结果分析
根据图3仿真结果可以看出,在从1~1.6GHz的600MHz带宽范围内,增益下降不到2dB,均大于15dB,提供了足够的增益,符合增益设计要求。另外,噪声系数也出现了较小范围内的变化,实现了宽带低噪声,符合设计要求。根据图4仿真表明,该混频器的1dB增益压缩点为-17dBm,线性范围满足应用要求,也符合项目设计要求。
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