● 摘要
随着社会进步和科技发展，卫星导航系统已经成为人们生活中不可或缺的一部分。目前，全球导航卫星系统已经在陆地、航空、航海和空间等各个领域得到广泛的应用，还为大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体力学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度和全天候的测量技术。卫星导航接收机也随之有着越来越大的发展需求。
GPS系统发展最早，而我国自主知识产权的北斗卫星导航系统（BDS）也已经覆盖亚太地区，并即将覆盖全球。为了兼容GPS，同时摆脱对GPS的依赖、并推广我国自主知识产权的BDS系统，我国提出了BDS/GPS兼容接收机的研制。BDS/GPS双系统兼容接收机可以保证在单一系统被干扰或人为关闭的情况下，依然能接收导航信号，保证接收机系统的可靠性。接收机包括射频前端、数字基带和导航软件三个部分，其中射频前端位于系统的最前级，对整个系统的灵敏度、信噪比都起着决定性的作用，并随着集成电路产业的发展逐步走向了集成化和芯片化。因此，射频前端的芯片设计至关重要。
本文针对BDS/GPS双系统兼容接收机射频前端芯片展开研究，具体完成的工作和创新点如下：
1、提出了一种双系统兼容导航接收机射频前端的总体设计方法。该方法基于系统总体要求，完成了接收机射频前端的电路架构选择；以兼容双系统和简化电路结构为目标，实现了射频前端的频率规划；同时，研究了系统总体指标的分解问题，提出了关键指标的分解方法，并给出了具体的方案。该方法明确了射频前端的设计流程，完成的射频前端电路可以满足系统总体要求。
2、提出了一种基于带精英策略并行遗传算法的单频段CMOS低噪声放大器（LNA）的优化方法。该方法以LNA电路参数作为变量，以LNA的阻抗匹配和晶体管的电流方程作为约束条件，以基于方程的电路性能评估技术作为电路性能评估方法，以带精英策略的并行遗传算法作为全局搜索算法，对LNA的增益、噪声系数和功耗同时进行优化。这种优化方法可以快速得到电路的优化结果，十分适用于特定约束、性能和功能的电路设计。经过流片测试，最终完成的LNA具有合适的增益、较低的噪声系数、良好的输入匹配和线性度性能。
3、提出了一种低功耗、小尺寸、无需切换的并行双频段CMOS LNA的设计方法。该方法通过改进输入匹配网络，对LNA在两个频段同时进行输入阻抗匹配，实现了双频段信号的并行接收而无需切换，同时不带来LNA功耗的增加；之后应用功耗约束下的优化技术，对LNA在两个频段同时进行噪声优化；此外，给LNA选取了两种电路负载：电阻负载和LC并联谐振网络负载，可以进一步减小芯片的尺寸。这种设计方法简化了电路结构，并减低了参数选取的难度。经过流片验证，两种负载的LNA均可在双频段并行工作，在两个频段同时具有良好的输入阻抗匹配特性和噪声性能，且是一种低功耗的设计。相比较而言，电阻负载的LNA拥有更小的芯片尺寸，而LC负载的LNA提供了更大的电路增益，它们都可应用于双系统双频卫星导航接收机。
4、提出了一种噪声性能良好的宽带CMOS LNA的设计方法。采用带有源级电感负反馈的共源共栅结构，该方法通过在射频输入端口加入LC-Ladder切比雪夫滤波器来展宽LNA的频带。然后，在整个带宽内同时对LNA进行输入阻抗匹配和噪声性能优化，并完成了单端输入转差分输出的功能。经验证，LNA带宽为1.1GHz-1.7GHz，在整个频带内显示出了良好的输入匹配，噪声特性以及高线性度，可被应用于双系统双频卫星导航接收机。
5、提出了一种针对低电压低功耗的CMOS混频器的优化设计方法。首先提出了一种互补跨导混频器设计方法，采用电流复用技术，加入一对PMOS管来进行电流注入，同时和原本跨导级NMOS对管形成互补的跨导级，增加了跨导级的跨导，优化了转换增益；然后改进跨导结构，完成了分别偏置的互补跨导混频器，实现了低电压的设计；之后，进一步优化电路，设计了一种自偏置的互补跨导混频器，进一步降低了允许的电源电压；最后，引入衬底偏置技术，给电路中所有MOS管衬底加入了固定偏置电压，减小了MOS管的阈值电压，实现了超低电压超低功耗的设计。该优化设计方法通过逐步优化改进电路结构，依次降低了电源电压和电路功耗，并提高了混频器的增益功耗比。经验证，这几种混频器都具有合适的变频增益、良好的线性度和噪声性能，可广泛用于航空航天领域中的射频接收机及相关电子系统。
6、提出了一种双系统兼容导航接收机射频芯片的设计方法。该方法对芯片中各个模块电路进行分析改进和联合设计，并优化了AGC电路的结构。同时考虑到芯片封装，对芯片布局进行优化设计，减小模块间的干扰，增加了系统的稳定性。芯片流片后封装测试表明：芯片各项指标符合要求，和基带处理器联合调试，可以完成定位解算，定位结果准确。