平方公里陣列(The Square Kilometer Array,SKA)是在建的下一代天文望遠鏡。它的靈敏度比目前世界上最好的射電望遠鏡高出兩個數(shù)量級,整個望遠鏡建成后,總的接收面積達到一平方公里,整個望遠鏡需要上千萬個接收單元,因此,高性能、低功耗、低成本的接收前端是平方公里陣列系統(tǒng)的重要應用需求。根據(jù)SKA中頻陣列的系統(tǒng)指標以及其他單元(天線、濾波器等)的指標,本文提出接收前端中低噪聲放大器(LNA)和可變增益放大器(VGA)的設(shè)計目標。同時,考慮芯片的成本、集成度以及技術(shù)成熟度,本文選擇了發(fā)展迅速的SiGe工藝,采用的是華虹180nm SiGe BiCMOS工藝線。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)針對LNA超低噪聲系數(shù)的問題,本文采用高性能的異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)設(shè)計。低噪聲放大器的第1級是在發(fā)射極負反饋電感放大器的基礎(chǔ)上采用串聯(lián)的電容、電阻負載,利用晶體管寄生電容擴展帶寬,第2級為發(fā)射極跟隨器,提供寬帶輸出匹配。利用多LC諧振結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了良好的噪聲性能,經(jīng)過仿真驗證,結(jié)果表明,在500M～1500MHz,噪聲系數(shù)低于1.4dB,最低噪聲系數(shù)0.84dB,輸入輸出反射系數(shù)小于-10dB,增益大于15dB,1dB壓縮點為-25.3dBm,在3.3V工作電壓下,功耗34mW,整個電路面積為1.1mm*0.98mm(含pad)。各項指標滿足設(shè)計要求,可以應用在SKA中頻陣列前端。(2)針對VGA低功耗的問題,本文采用金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOS)設(shè)計。VGA分為三個部分:噪聲消除結(jié)構(gòu)的固定增益部分,3個電流分割型VGA級聯(lián)而成的增益可變部分和源極跟隨器作為輸出電路。經(jīng)過仿真驗證,結(jié)果表明,在500M～1500MHz,VGA的噪聲系數(shù)為9～15dB,輸入輸出反射系數(shù)小于-10dB,數(shù)字控制的增益動態(tài)范圍為20.5dB,增益步進約為3dB,增益平坦度小于1.7dB,在最大的增益狀態(tài)下輸入1dB壓縮點為-5.2dBm,在 1.8V工作電壓下,功耗 18.9mW,整個電路面積為 1.5mm*1.16mm(含pad)。本文設(shè)計的LNA、VGA表現(xiàn)出良好的噪聲系數(shù),指標滿足設(shè)計要求,可以應用于SKA中頻陣列射頻前端。
【學位單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH751
【部分圖文】：

天文學家發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的射電望遠鏡激不能為進一步的科學研究提供有效的觀測數(shù)據(jù)。??因此，新建一個更先進的射電望遠鏡推進天文學的發(fā)展是必要的。當前天文望遠鏡的靈敏??度越來越高，己逐漸接近干涉技術(shù)極限值（如圖１．１所示），增大望遠鏡的接收面積是進一??步增大靈敏度的有效手段。??天文學經(jīng)過多年發(fā)展，天文學家發(fā)現(xiàn)提升觀測設(shè)備的性能可以在５個研究領(lǐng)域做出重??大突破［２１這些研究領(lǐng)域分別如下所示：??１?？探索外星文明——射戈外星生命、星球；??２廣義相對論與脈沖星和黑洞的極端檢驗；??３．

效接收面積撕１平方公里，因此被稱為平方公里陣列。目前的天線設(shè)計方案是在中心區(qū)??密布陣，在延伸到外部區(qū)域的五條螺旋臂上散布天線陣列，天線陣列密度隨著到中??心區(qū)域的距離增大而稀薄３］，望遠鏡的整體效果圖如圖１．２所示。新的射電望遠鏡覆蓋的頻??率范圍從７０ＭＨｚ到２５ＧＨｚ［１］，分為三個頻端：低頻、中頻、高跡二４］：??（１）?ＳＫＡ低頻陣（ＳＫＡ－ｌｏｗ）：該陣列的工作頻率為７０ＭＨｚ到４５０ＭＨｚ，天線陣列采用??對數(shù)周期偶極子天線陣列。這種陣列具有寬視場的能力，能提供宇宙的三維映射成像。ＳＫＡ??低頻陣主要用來研宄宇宙處于電離時期以及更早的高速紅移時期的中性氫的２１ｃｍ起精細??結(jié)構(gòu)線，同時也用來探測銀河系、星際空間的低頻脈沖星，磁化等離子體以及射電復合線。??⑵中頻陣（ＳＫＡ－ｍｉｄ）：中頻陣工作頻帶為３５０ＭＨｚ？１３．８ＧＨｚ，分為５個子頻帶：??０．

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【參考文獻】

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2 黃杏麗;秦希;秦亞杰;黃煜梅;洪志良;;一種具有溫度補償?shù)膶拵MOS可變增益放大器[J];固體電子學研究與進展;2013年03期

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本文編號：2849829