微型核_低噪声放大器设计及仿真

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1、-1-第1章绪论1.1课题背景及来源近年来，随着微电子、微机械和高级材料等新技术的迅速发展，小卫星的研究正在向体积小、质量轻、功能密度高的方向发展。星载通信系统是小卫星上最重要最基本的组成部分。它必须满足我国地面测控站的基本要求，以及体积小、重量轻和功耗低等其它要求。“微型核”是卫星技术研究所在航天器设计理论中引入的新概念。在“微型核”的概念中，信息电子系统集成了传统卫星平台设计中的各分系统电子功能部件，一体化设计思想成为其主导的设计原则。其中，SoC(SystemonChip)设计在电子领域的长足进步为“微型核”概念打下了坚

2、实的基础。“微型核”通信系统作为小卫星平台的一部分，是小卫星上转发无线电信号的通信设备。星载计算机、通信控制器等核心单元与RFIC、LNA及PA等组成的射频单元有机组合，可实现星间或星地通信功能，构成一个完整的、微型化的通信电子系统。因此，研究基于SoC技术的“微型核”，减小了卫星的体积并大大提高了小卫星的有效载荷，对我国卫星电子系统的国产化、小型化、低功耗、多功能、高性能和高可靠性具有重要的意义。根据传统的划分原则，通信系统RF前端部分包括RF滤波器、LNA、Mixer、PLL、AGC及HPA等。对于射频部分，如何将这些部件

3、集成到一个芯片内，同时适应空间环境下星间通信以及星地通信正常工作的需求还存在很多设计的难点。鉴于“微型核”空间通信并兼顾星地通信应用，其RFIC的技术指标选择在ISM波段，数据传输速率250Kbps，采用GFSK的调制解调方式，输出功率≥250mW，通信距离在几百公里到几千公里范围内。到目前为止，国内外虽然有对整个单片收发机的研究[1～2]，但还没有此类功能芯片研制成功的相关报道。典型的蓝牙技术应用的RFIC模块发射功率在10mW左右[3]，作为远距离测控通信应用比较困难。本课题来源于973“微型核”新机理、新概念的研究项目，

4、目的是根据航天应用的要求并结合目前微电子的工艺现状，采用硅CMOS技术在2.4～2.5GHz的ISM波段实现“微型核”通信系统的RF低噪声放大器的设计，为“微哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-型核”潜在应用创造必要的条件。1.2系统分析1.2.1“微型核”信息电子系统“微型核”信息电子系统由SoC处理器及射频通信模块（RFIC、LNA和PA）组成，嵌入在信号处理单元机箱中。“微型核”信息电子系统工作原理如图1-1所示。AT91FR40162CAN控制器半球谐振陀螺新型红外地平仪系统总线SoC处理器RFICC8051F0408

5、0C31CAN控制器LNAPA微型太阳敏感器CAN总线图1-1信息电子系统的组成Fig.1-1Informationelectronicsystem在图1-1中，虚框内部分为“微型核”信息电子系统，它由AT91FR40162、C8051F040及80C31等SoC或处理器组成。上述核心单元与RFIC、LNA及PA等组成的射频单元有机组合，可实现星间或星地通信功能，构成完整的、微型化的信息电子系统。1.2.2射频前端结构“微型核”信息电子系统的试验任务需要由星地联合工作完成，构成完整的星地通信系统。信息电子系统具有一个独立的星地

6、通信信道，其主要功能是完成星地通信、进行通信试验及试验数据下行传输等。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-地面设备主要包括地面接收/发射机和天馈系统。地面发射机由计算机控制，将上行数据信息送到天馈系统，发送到卫星；地面接收机接收星上传输下来的信号，经处理后送计算机显示并记录存储。星上设备主要包括RFIC模块、LNA、PA和天馈系统，其主要功能是接收地面发送来的上行数据信息，经解调后送到SoC处理器中；同时SoC将需要传送到地面的数据和信息进行调制后发送到地面站。因此，为了完成通信功能，需要进行射频前端的设计。射频前端的实现方案

7、如图1-2所示。nRF2401LNAPA环形器SoC控制器图1-2射频前端的结构框图Fig.1-2StructureofRFfront-endnRF2401是挪威Nordic公司推出的无线收发一体芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段，采用QFN245mm×5mm引脚封装。它的主要参数如表1-1所示。表1-1nRF2401的主要参数表[4]Table1-1MainparametersofnRF2401最小提供电压1.9V最大输出功率0dBm最大数据速率1Mbps以-5dBm的功率发射时的工作电流10.5mA接收工作电流18

8、mA灵敏度-90dBmnRF2401在上述参数指标下的通信距离为300m，误码率为10-3。如果要求更远的通信距离，则应提高接收机的灵敏度，或提高发射机的输出功率。在nRF2401器件的输入端引入LNA单元可以在一定范围内提高接收灵敏度，在nRF2401器件的输出端增加PA也