《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一种应用于GNSS射频接收机的高增益、低噪声LNA+Mixer
电子技术应用
杨贤成，熊娟
湖北大学 微电子学院
摘要： 提出了一种基于标准0.18 μm 互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor， CMOS）工艺的射频前端集成电路设计方案，针对全球定位系统（Global Positioning System， GPS）L1和北斗B1双模导航系统的应用需求，提升了低噪声放大器（Low-Noise Amplifier， LNA）与下变频混频器的关键性能指标。在电路架构方面，针对低噪声放大器，创新性地采用感应源退化技术，通过外部电容与栅源电容并联有效降低了噪声系数；而对于下变频混频器模块，则选用了具有结构优势的无源单平衡拓扑，在保证转换增益的同时显著改善了线性度指标并降低了1/f噪声干扰。测试结果显示，该方案在1.8 V电压下实现60 dB链路增益和2 dB噪声系数，整体功耗仅22 mW。系统集成测试中，当输入功率为-100 dBm时，输出中频功率达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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