《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種應(yīng)用于GNSS射頻接收機(jī)的高增益、低噪聲LNA+Mixer
電子技術(shù)應(yīng)用
楊賢成，熊娟
湖北大學(xué) 微電子學(xué)院
摘要： 提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)0.18 μm 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor， CMOS）工藝的射頻前端集成電路設(shè)計(jì)方案，針對(duì)全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）L1和北斗B1雙模導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用需求，提升了低噪聲放大器（Low-Noise Amplifier， LNA）與下變頻混頻器的關(guān)鍵性能指標(biāo)。在電路架構(gòu)方面，針對(duì)低噪聲放大器，創(chuàng)新性地采用感應(yīng)源退化技術(shù)，通過(guò)外部電容與柵源電容并聯(lián)有效降低了噪聲系數(shù)；而對(duì)于下變頻混頻器模塊，則選用了具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的無(wú)源單平衡拓?fù)?，在保證轉(zhuǎn)換增益的同時(shí)顯著改善了線性度指標(biāo)并降低了1/f噪聲干擾。測(cè)試結(jié)果顯示，該方案在1.8 V電壓下實(shí)現(xiàn)60 dB鏈路增益和2 dB噪聲系數(shù)，整體功耗僅22 mW。系統(tǒng)集成測(cè)試中，當(dāng)輸入功率為-100 dBm時(shí)，輸出中頻功率達(dá)3.15 dBm。
中圖分類號(hào)：TN432 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256643
中文引用格式： 楊賢成，熊娟. 一種應(yīng)用于GNSS射頻接收機(jī)的高增益、低噪聲LNA+Mixer[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(11)：59-64.
英文引用格式： Yang Xiancheng，Xiong Juan. A high-gain, low-noise LNA and mixer for GNSS RF receivers[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(11)：59-64.
A high-gain， low-noise LNA and mixer for GNSS RF receivers
Yang Xiancheng，Xiong Juan
School of Microelectronics， Hubei University
Abstract： This paper presents a radio frequency front-end integrated circuit design based on a standard 0.18 μm CMOS process, specifically tailored for dual-mode navigation systems supporting GPS L1 and Beidou B1. The design emphasizes optimized key performance metrics for both the low-noise amplifier (LNA) and down-conversion mixer. For the LNA architecture, this study innovatively employs an inductive source degeneration technique, effectively reducing the noise figure by connecting external capacitors in parallel with gate source capacitors. Regarding the down-conversion mixer module, a structurally advantageous passive single-balanced topology is adopted, significantly improving linearity metrics and suppressing 1/f noise interference while maintaining conversion gain. The test results show that the scheme achieves a 60 dB link gain and a 2 dB noise figure at a voltage of 1.8 V, with an overall power consumption of only 22 mW. In the system integration test, when the input power is -100 dBm, the output intermediate frequency power reaches 3.15 dBm.
Key words : GPS/Beidou；low-noise amplifier；mixer；0.18 μm CMOS process

引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）作為現(xiàn)代定位技術(shù)的核心，憑借其全天候、高精度的特性，在軍民領(lǐng)域均展現(xiàn)出不可替代的價(jià)值。其中，GPS L1與北斗B1頻段如表1所示，因覆蓋范圍廣、信號(hào)穩(wěn)定性強(qiáng)，成為雙模接收機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。然而，雙系統(tǒng)協(xié)同工作對(duì)射頻前端提出了嚴(yán)苛要求：需在相鄰頻點(diǎn)（僅間隔約14 MHz）實(shí)現(xiàn)低噪聲、高增益的信號(hào)接收，同時(shí)兼顧低功耗與高線性度。

表1　GPS L1和BD B1信號(hào)特征

無(wú)標(biāo)題.png

現(xiàn)有研究中，多頻段接收機(jī)常采用寬帶低噪聲放大器（LNA）或可調(diào)諧LNA方案[1-3]，但此類設(shè)計(jì)易因帶寬擴(kuò)展引入額外噪聲，并增加芯片面積與功耗。此外，傳統(tǒng)混頻器在1/f噪聲與線性度間的權(quán)衡限制了整體性能提升。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本文提出一種基于0.18 μm CMOS工藝的窄帶集成LNA+混頻器方案，如圖1所示。LNA采用感應(yīng)源退化技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，顯著降低噪聲系數(shù)（NF）[4]；混頻器則選用無(wú)源單平衡拓?fù)?，結(jié)合占空比優(yōu)化的本振信號(hào)與跨阻放大器（TIA），在抑制1/f噪聲的同時(shí)提升轉(zhuǎn)換增益。

無(wú)標(biāo)題.png

圖1　GNSS接收機(jī)

仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)電路在GPS L1/北斗B1雙頻點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)了60 dB的總增益、2 dB的噪聲系數(shù)及-24 dBm/-26 dBm的輸入三階交調(diào)點(diǎn)（IIP3），整體功耗僅為22 mW。與同類研究相比，本方案在鄰近頻點(diǎn)兼容性、噪聲-功耗均衡性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，為高精度雙模導(dǎo)航接收機(jī)提供了可靠的射頻前端解決方案。


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作者信息：

楊賢成，熊娟

（湖北大學(xué) 微電子學(xué)院，湖北 武漢 430072）


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