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。
中图分类号：TN432 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256643
中文引用格式： 杨贤成，熊娟. 一种应用于GNSS射频接收机的高增益、低噪声LNA+Mixer[J]. 电子技术应用，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.
中文引用格式： 杨贤成，熊娟. 一种应用于GNSS射频接收机的高增益、低噪声LNA+Mixer[J]. 电子技术应用，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
全球导航卫星系统（GNSS）作为现代定位技术的核心，凭借其全天候、高精度的特性，在军民领域均展现出不可替代的价值。其中，GPS L1与北斗B1频段如表1所示，因覆盖范围广、信号稳定性强，成为双模接收机设计的重点。然而，双系统协同工作对射频前端提出了严苛要求：需在相邻频点（仅间隔约14 MHz）实现低噪声、高增益的信号接收，同时兼顾低功耗与高线性度。
表1 GPS L1和BD B1信号特征
现有研究中，多频段接收机常采用宽带低噪声放大器（LNA）或可调谐LNA方案[1-3]，但此类设计易因带宽扩展引入额外噪声，并增加芯片面积与功耗。此外，传统混频器在1/f噪声与线性度间的权衡限制了整体性能提升。针对上述挑战，本文提出一种基于0.18 μm CMOS工艺的窄带集成LNA+混频器方案，如图1所示。LNA采用感应源退化技术，通过优化输入匹配网络与级联结构，显著降低噪声系数（NF）[4]；混频器则选用无源单平衡拓扑，结合占空比优化的本振信号与跨阻放大器（TIA），在抑制1/f噪声的同时提升转换增益。
图1 GNSS接收机
仿真结果表明，所设计电路在GPS L1/北斗B1双频点下实现了60 dB的总增益、2 dB的噪声系数及-24 dBm/-26 dBm的输入三阶交调点（IIP3），整体功耗仅为22 mW。与同类研究相比，本方案在邻近频点兼容性、噪声-功耗均衡性等方面具有显著优势，为高精度双模导航接收机提供了可靠的射频前端解决方案。
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作者信息：
杨贤成，熊娟
（湖北大学 微电子学院，湖北 武汉 430072）
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