本文阐述了临近空间的研究背景,给出了锁相环在临近空间飞行器的应用,并且介绍了锁相环的历史和相关知识。在整体上从基本原理分析、性能优化和电路设计三个方面对临近空间飞行器的Ka波段锁相环进行了研究和设计。首先,本文系统的分析了锁相环的原理,并且对锁相环各个模块性能对整体性能的影响做出了分析,同时讨论了优化方法。在整体设计的部分,给出了具体的设计流程,并且设计了具有最优相位裕度的锁相环。其次,本文完成了从整体分析到具体电路设计和实现的工作。本文采用了带复位端D触发器组成的鉴频鉴相器,在输出端采用两路反相器产生电荷泵所需的相反信号,为了使控制信号具有良好的对称性,在反相器链上采用了锁存器结构,并达到了预期效果；设计了一种基于电流转向原理的电荷泵,并采用了单位增益放大器固定输出电位,满足了电荷泵对充放电流的高匹配性要求：设计了一种高频可重构的压控振荡器,满足了输出两个频段的要求。另外为了减小相位噪声的影响,采用滤波技术进行优化；分频器采用基于真单一结构的D触发器作为基本单元,真单一结构有助于降低功耗,另外真单一结构用到的MOS管较少,减小了版图面积：最后,本文完成了锁相环的物理版图设计。在版图设计中,对压控振荡器、分频器、鉴频鉴相器和电荷泵模块采用对称布局,以达到其高对称性的要求；由于压控振荡器工作频率较高,单独对其加入保护环,以减少噪声干扰。本文使用SMIC 180m Mixed-Signal 1P6M CMOS工艺进行电路原理图仿真、版图设计和提取寄生参数及后仿真,版图面积约为73mm2,最大功耗为45.12mW,输出相位噪声小于90.1dBc/Hz@1kHz,-101.01dBc/Hz@10kHz,-115.7dBc/Hz @100kHz,后仿真锁定时间小于5us,整体设计达到了设计要求。