平方公里陣列(The Square Kilometer Array,SKA)是在建的下一代天文望遠(yuǎn)鏡。它的靈敏度比目前世界上最好的射電望遠(yuǎn)鏡高出兩個(gè)數(shù)量級(jí),整個(gè)望遠(yuǎn)鏡建成后,總的接收面積達(dá)到一平方公里,整個(gè)望遠(yuǎn)鏡需要上千萬個(gè)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(yīng)用需求。根據(jù)SKA中頻陣列的系統(tǒng)指標(biāo)以及其他單元(天線、濾波器等)的指標(biāo),本文提出接收前端中低噪聲放大器(LNA)和可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí),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?jī)?nèi)容和成果如下:(1)針對(duì)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(jì)。低噪聲放大器的第1級(jí)是在發(fā)射極負(fù)反饋電感放大器的基礎(chǔ)上采用串聯(lián)的電容、電阻負(fù)載,利用晶體管寄生電容擴(kuò)展帶寬,第2級(jí)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(shí)現(xiàn)了良好的噪聲性能,經(jīng)過仿真驗(yàn)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(diǎn)為-25.3dBm,在3.3V工作電壓下,功耗34mW,整個(gè)電路面積為1.1mm*0.98mm(含pad)。各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,可以應(yīng)用在SKA中頻陣列前端。(2)針對(duì)VGA低功耗的問題,本文采用金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOS)設(shè)計(jì)。VGA分為三個(gè)部分:噪聲消除結(jié)構(gòu)的固定增益部分,3個(gè)電流分割型VGA級(jí)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(yàn)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(dòng)態(tài)范圍為20.5dB,增益步進(jìn)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(diǎn)為-5.2dBm,在 1.8V工作電壓下,功耗 18.9mW,整個(gè)電路面積為 1.5mm*1.16mm(含pad)。本文設(shè)計(jì)的LNA、VGA表現(xiàn)出良好的噪聲系數(shù),指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,可以應(yīng)用于SKA中頻陣列射頻前端。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH751
【部分圖文】：

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的射電望遠(yuǎn)鏡激不能為進(jìn)一步的科學(xué)研究提供有效的觀測(cè)數(shù)據(jù)。??因此，新建一個(gè)更先進(jìn)的射電望遠(yuǎn)鏡推進(jìn)天文學(xué)的發(fā)展是必要的。當(dāng)前天文望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的接收面積是進(jìn)一??步增大靈敏度的有效手段。??天文學(xué)經(jīng)過多年發(fā)展，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)提升觀測(cè)設(shè)備的性能可以在５個(gè)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(duì)論與脈沖星和黑洞的極端檢驗(yàn)；??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(jì)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�。常�，望遠(yuǎn)鏡的整體效果圖如圖１．２所示。新的射電望遠(yuǎn)鏡覆蓋的頻??率范圍從７０ＭＨｚ到２５ＧＨｚ［１］，分為三個(gè)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(duì)數(shù)周期偶極子天線陣列。這種陣列具有寬視場(chǎng)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(shí)期以及更早的高速紅移時(shí)期的中性氫的２１ｃｍ起精細(xì)??結(jié)構(gòu)線，同時(shí)也用來探測(cè)銀河系、星際空間的低頻脈沖星，磁化等離子體以及射電復(fù)合線。??⑵中頻陣（ＳＫＡ－ｍｉｄ）：中頻陣工作頻帶為３５０ＭＨｚ？１３．８ＧＨｚ，分為５個(gè)子頻帶：??０．

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【參考文獻(xiàn)】

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1 楊開拓;方毅;黃魯;;采用噪聲抵消技術(shù)的無電感寬帶低噪聲放大器[J];微電子學(xué);2015年03期

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本文編號(hào)：2849829