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2.45GHz RFID模拟射频接收机前端设计与实现

日(ri)(ri)期(qi):2020年07月(yue)21日(ri)(ri) 编辑:ad201107111759308692 作者:s11竞猜平台 点击(ji)次数:1022
论(lun)文价(jia)格:150元/篇 论文编号(hao):lw202007131654055243 论文字数:45588 所(suo)属栏目:电力通信论(lun)文
论文地区:中国(guo) 论(lun)文语种:中(zhong)文 论文用(yong)途(tu):硕士(shi)毕业论文 Master Thesis

本文(wen)是一篇电(dian)力通(tong)(tong)信论文(wen),本文(wen)基(ji)(ji)于自主研发的(de)(de)(de)国标有源 2.45GHz RFID 收发芯片为基(ji)(ji)础,针对 RFID 模拟射频接收机前(qian)端电(dian)路(lu)(lu)进行设计和仿真(zhen)。本文(wen)主要工作(zuo)如下(xia)(xia):介(jie)绍了射频接收前(qian)端系统结(jie)(jie)构及其重要电(dian)气参数,然后根据工艺、成(cheng)本、项目(mu)设计指(zhi)标等(deng)综合考虑,选择了零中频接收机结(jie)(jie)构进行整体设计,并通(tong)(tong)过链路(lu)(lu)预算,得到(dao)单元(yuan)模块(kuai)的(de)(de)(de)指(zhi)标。 介(jie)绍了低(di)噪声(sheng)(sheng)放大(da)器的(de)(de)(de)工作(zuo)原理和重要指(zhi)标,提(ti)出了一种工作(zuo)在 2.45GHz 的(de)(de)(de)低(di)噪声(sheng)(sheng)放大(da)器。电(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)(de)核心部分采用带源极电(dian)感(gan)负反馈的(de)(de)(de)共源共栅结(jie)(jie)构,实现(xian)了超低(di)噪声(sheng)(sheng);通(tong)(tong)过外部控制码实现(xian)了输入阻抗、输出负载、增益可控。后仿真(zhen)显示,电(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)(de)转换增益最高达(da)到(dao) 23.9dB,噪声(sheng)(sheng)系数为 5dB,输入回波损耗(hao) S11在2.45GHz 时(shi)为-27.3dB。电(dian)源电(dian)压(ya)为 1.8V 时(shi),LNA 工作(zuo)在放大(da)模式下(xia)(xia),静(jing)态电(dian)流为1.98mA;工作(zuo)在直通(tong)(tong)模式下(xia)(xia),不(bu)消耗(hao)电(dian)流。


第一(yi)章  绪论


1.1  国内外射频识别技(ji)术的概况

目前,国内(nei)外主流射频(pin)(pin)(pin)识别(RFID)通信方式(shi)(shi)有(you)(you)两种(zhong):一(yi)种(zhong)是(shi)采用电(dian)磁(ci)耦(ou)合方式(shi)(shi),工(gong)作在低频(pin)(pin)(pin) 30~300KHz、高频(pin)(pin)(pin) 3~30MHz 频(pin)(pin)(pin)段,这种(zhong)通信的(de)主要特(te)点是(shi)阅(yue)读(du)距(ju)离短、阅(yue)读(du)天(tian)线(xian)方式(shi)(shi)不强,即使是(shi)高频(pin)(pin)(pin)系(xi)统的(de)状态(tai)下(xia)通讯速度(du)也较慢,主要适用于(yu)短距(ju)离、低成(cheng)本的(de)应(ying)用中;另一(yi)种(zhong)通信方式(shi)(shi)是(shi)采用电(dian)磁(ci)发(fa)射方式(shi)(shi),工(gong)作在超(chao)高频(pin)(pin)(pin) 300~968MHz 以(yi)及微波 2.45~5.8GHz 频(pin)(pin)(pin)段,它的(de)主要特(te)点是(shi)阅(yue)读(du)距(ju)离远,能(neng)适应(ying)物体高速运动(dong),具有(you)(you)优良的(de)性能(neng)[4]。不同(tong)频(pin)(pin)(pin)段 RFID 性能(neng)以(yi)及应(ying)用比较如表 1-1 所示:

表 1-1  各个频段的 RFID 性能比较

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1.2  模拟(ni)射(she)频接收机前(qian)端在 RFID 技术上的应用与(yu)发(fa)展

模拟射(she)频(pin)(pin)(pin)(pin)接(jie)(jie)收(shou)机(ji)是(shi)(shi)构成(cheng)集(ji)(ji)成(cheng) RFID 射(she)频(pin)(pin)(pin)(pin)识别(bie)芯片的(de)(de)(de)关(guan)键(jian)电路(lu),它的(de)(de)(de)主要功能(neng)是(shi)(shi)对从天线(xian)来的(de)(de)(de)信号(hao)进行放大并将放大后的(de)(de)(de)信号(hao)下(xia)变(bian)频(pin)(pin)(pin)(pin)到较低(di)(di)的(de)(de)(de)频(pin)(pin)(pin)(pin)率,实现低(di)(di)频(pin)(pin)(pin)(pin)传输。随着 RFID 技术的(de)(de)(de)迅猛发展(zhan),对无线(xian)射(she)频(pin)(pin)(pin)(pin)接(jie)(jie)收(shou)机(ji)提出了更严(yan)格(ge)的(de)(de)(de)要求,即低(di)(di)功耗,低(di)(di)价格(ge),高(gao)可靠性(xing)(xing),高(gao)集(ji)(ji)成(cheng)度、抗强干扰(rao)能(neng)力,而(er)接(jie)(jie)收(shou)机(ji)射(she)频(pin)(pin)(pin)(pin)前(qian)端(duan)是(shi)(shi)决(jue)定(ding)(ding)接(jie)(jie)收(shou)机(ji)性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)关(guan)键(jian),是(shi)(shi)实现这一目标的(de)(de)(de)基(ji)础(chu)[5]。  低(di)(di)噪声放大器(qi)(qi)和混频(pin)(pin)(pin)(pin)器(qi)(qi)是(shi)(shi)射(she)频(pin)(pin)(pin)(pin)接(jie)(jie)收(shou)机(ji)前(qian)段的(de)(de)(de)核心(xin)电路(lu),由于 LNA 与(yu) MIX 电路(lu)决(jue)定(ding)(ding)了接(jie)(jie)收(shou)机(ji)前(qian)端(duan)的(de)(de)(de)电性(xing)(xing)能(neng),其重(zhong)要性(xing)(xing)使它们(men)逐渐成(cheng)为人们(men)研究(jiu)(jiu)的(de)(de)(de)重(zhong)点(dian),近些年来有关(guan)低(di)(di)噪声放大器(qi)(qi)和混频(pin)(pin)(pin)(pin)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)最新研究(jiu)(jiu)成(cheng)果(guo)不断被(bei)提出。

目前共(gong)(gong)源(yuan)共(gong)(gong)栅拓补结(jie)构 LNA 广泛采用(yong)电(dian)(dian)流复用(yong)技术(shu),该(gai)技术(shu)可提(ti)高增(zeng)益(yi),不仅减小了(le)电(dian)(dian)路的(de)密(mi)勒效应,同时提(ti)高了(le) LNA 端(duan)口的(de)隔离度。2012 年 Khurram 和Hasan 采用(yong)电(dian)(dian)流复用(yong)技术(shu),提(ti)出(chu)了(le)一款在(zai) 3GHz~5GHz 范围(wei)内工作(zuo)的(de)低(di)功(gong)耗 CMOS跨导(dao)增(zeng)压共(gong)(gong)栅型(xing)的(de) LNA[6]。该(gai) LNA 采用(yong)共(gong)(gong)栅级(ji)(ji)作(zuo)为(wei)第(di)一级(ji)(ji)实现(xian)匹配(pei),第(di)二级(ji)(ji)作(zuo)为(wei)跨导(dao)增(zeng)强(qiang)级(ji)(ji)与(yu)第(di)一级(ji)(ji)共(gong)(gong)享偏置电(dian)(dian)流,实现(xian)了(le)低(di)功(gong)耗和高增(zeng)益(yi)。电(dian)(dian)路采用(yong) 130  nm IBM CMOS 工艺(yi)设计制作(zuo),测试结(jie)果表明,该(gai) LNA 工作(zuo)在(zai)电(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)压为(wei) 1V 时,功(gong)耗仅为(wei) 3.4mW,功(gong)率(lv)增(zeng)益(yi)大于(yu) 13dB,噪(zao)声系数介于(yu) 3.5~4.5dB。

目(mu)前(qian) MIX 通(tong)常采用(yong)改进传统吉尔伯特单元(yuan)结(jie)构(gou)的(de)方式,以获得(de)较大增益,较好的(de)线性度(du)(du)和(he)(he)端口隔离度(du)(du)。2016 年(nian) Abdelghany 等人提出了(le)提出一种 2.45GHz 低闪烁噪声的(de)射频 CMOS 混频器[7]。该混频器采用(yong)电(dian)(dian)(dian)荷注(zhu)入(ru)技(ji)术和(he)(he)调谐电(dian)(dian)(dian)感的(de)双平衡吉尔伯特单元(yuan)结(jie)构(gou),具(ju)有低闪烁噪声、高(gao)输(shu)入(ru)匹配(pei)、高(gao)线性度(du)(du)、低功(gong)耗和(he)(he)低噪声的(de)特点(dian)(dian)。仿真结(jie)果表明,该混频器在 1.3V 电(dian)(dian)(dian)源电(dian)(dian)(dian)压下(xia),功(gong)率为(wei) 2.8  mW,单边带噪声系数为(wei) 7.4 dB,转换增益 12.8dB,三阶交(jiao)调点(dian)(dian) IIP3 为(wei) 0 dBm  。

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第二章  接收(shou)机的基本原理

2.1  射频接收(shou)机的基本(ben)结(jie)构

无线接(jie)(jie)收机(ji)(ji)是信(xin)息源与通信(xin)信(xin)道(dao)(空气)之间进行信(xin)息交换的(de)(de)(de)接(jie)(jie)口,目前的(de)(de)(de)市场坏境下,要(yao)(yao)求接(jie)(jie)收机(ji)(ji)具(ju)备价(jia)格(ge)低(di)、功耗低(di)、面积小、集成(cheng)度高等特点。超(chao)外差(cha)接(jie)(jie)收机(ji)(ji)结构(gou)(gou)(gou)降低(di)了(le)原有高频(pin)(pin)率射频(pin)(pin)信(xin)号直接(jie)(jie)接(jie)(jie)收的(de)(de)(de)难度,可以根据需求调(diao)节信(xin)号幅度的(de)(de)(de)大(da)小和频(pin)(pin)率的(de)(de)(de)高低(di)。在超(chao)外差(cha)接(jie)(jie)收机(ji)(ji)的(de)(de)(de)基础上,根据中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)频(pin)(pin)信(xin)号的(de)(de)(de)高低(di)分(fen)别衍生出了(le)不同的(de)(de)(de)超(chao)外差(cha)结构(gou)(gou)(gou),主要(yao)(yao)有高中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)频(pin)(pin)、低(di)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)频(pin)(pin)以及零中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)频(pin)(pin)三种结构(gou)(gou)(gou)。除了(le)传(chuan)统的(de)(de)(de)结构(gou)(gou)(gou)之外,数字中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)频(pin)(pin)接(jie)(jie)收机(ji)(ji)也得到(dao)大(da)规(gui)模使用,并(bing)展现(xian)了(le)良好的(de)(de)(de)性(xing)能。

2.1.1  超外差式接收机(ji)

超外差式接收(shou)机(ji)是目前应用最广(guang)泛的一种(zhong)系统结(jie)构,它的基本原理是将天线接收(shou)到(dao)的高频(pin)信(xin)号经放大和下变频(pin)后转换为(wei)一个固定的中(zhong)频(pin)信(xin)号,再(zai)进行下变频(pin)或者(zhe)直接解(jie)调,典型的超外差接收(shou)机(ji)结(jie)构如图 2-1 所示:

图 2-1  典型的超外差接收机结构图

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2.2  射(she)频接收前端(duan)重要(yao)电(dian)气参数

射频(pin)电路(lu)与低频(pin)电路(lu)不同,其电气参(can)数(shu)极大的(de)影(ying)响电路(lu)性(xing)能。在(zai)射频(pin)接(jie)收机前端(duan)电路(lu)中,衡量电路(lu)性(xing)能优劣的(de)指标主要有(you)灵敏(min)度(du)、增益、噪(zao)声系数(shu)、线性(xing)度(du)、端(duan)口(kou)隔离度(du)、稳定性(xing)等。

2.2.1  灵敏度

线性度(du)是(shi)(shi)射频接收机前(qian)端的(de)又(you)一(yi)个(ge)重要指标,它描述了射频电(dian)路由于非线性而引入的(de)是(shi)(shi)失真程度(du),其(qi)值决(jue)定了射频电(dian)路的(de)最大输入信号(hao)功率,通常(chang)用(yong) 1dB 压缩点 IP1dB、三阶交调点 IIP3来衡量线性度(du)的(de)优(you)劣。

1dB 压缩(suo)点(dian)(dian)(1dB  compression  point)描述了系统功率(lv)(lv)增(zeng)(zeng)益由(you)于(yu)非线性(xing)失真而发生的(de)(de)变(bian)化,是衡量线性(xing)度(du)的(de)(de)重要(yao)指标(biao),压缩(suo)点(dian)(dian)越高(gao)意味着输(shu)(shu)出功率(lv)(lv)越高(gao)。通(tong)常(chang)把增(zeng)(zeng)益下(xia)降(jiang)到(dao)比线性(xing)增(zeng)(zeng)益低 1dB 时(shi)的(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)(ru)/输(shu)(shu)出功率(lv)(lv)值定(ding)义为(wei)(wei) 1dB 压缩(suo)点(dian)(dian),此时(shi)的(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)(ru)功率(lv)(lv)称为(wei)(wei)输(shu)(shu)入(ru)(ru) 1dB 压缩(suo)点(dian)(dian) IP1dB,输(shu)(shu)出功率(lv)(lv)称为(wei)(wei)输(shu)(shu)出 1dB 压缩(suo)点(dian)(dian) OP1dB,它们(men)可以(yi)用(yong)来衡量放大器的(de)(de)最大输(shu)(shu)出功率(lv)(lv)[17]。典型情况下(xia),当功率(lv)(lv)超(chao)过 IP1dB时(shi),增(zeng)(zeng)益将迅速(su)下(xia)降(jiang)并达到(dao)一个最大的(de)(de)或完全(quan)饱和(he)的(de)(de)输(shu)(shu)出功率(lv)(lv),它通(tong)常(chang)比 IP1dB大 3-4dB,所以(yi)在设计电路(lu)时(shi)通(tong)常(chang)要(yao)保(bao)证此条件(jian)。1dB 压缩(suo)点(dian)(dian)可以(yi)由(you)图 2-6 表示: 

图 2-6 1dB 压缩点示意图

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第(di)三(san)章  低噪声放大(da)器的设计 .................................... 20

3.1  低噪(zao)声放大器(qi)的基(ji)本原理 ................................ 20

3.2  高(gao)频(pin)低噪声放大器技术研究 .................................. 20

第四(si)章  下变(bian)频混(hun)频器的设计 ................................... 34

4.1  混频器的总(zong)体(ti)结构设计 ....................................... 34

4.2  有源混频器的技术研究 ........................... 35

第(di)五章  射频前端(duan)辅助电(dian)路设(she)计 ............................ 44

5.1  射频放大器(qi) ................................... 44

5.2  本振(zhen)缓冲放(fang)大器(qi) ............................ 47


第六章  版图设计与封装测试

6.1  寄(ji)生效应(ying)

工(gong)(gong)艺(yi)厂商加工(gong)(gong)的芯片(pian)的每一个(ge)元器件和导(dao)线(xian)都会有(you)寄(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)生(sheng)电(dian)(dian)容和寄(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)生(sheng)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)。寄(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)生(sheng)参(can)数会影响电(dian)(dian)路的性能(neng)(neng),严重时会造成电(dian)(dian)路失(shi)效(xiao)。虽(sui)然可以根据理论计(ji)算与设(she)计(ji)经验(yan)在电(dian)(dian)路中加入一定大小(xiao)的电(dian)(dian)容电(dian)(dian)阻(zu)(zu)来(lai)模拟(ni)寄(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)生(sheng)参(can)数,但是(shi)实际加工(gong)(gong)出现的偏(pian)差却不能(neng)(neng)完全(quan)消除(chu)。因(yin)此,版(ban)图设(she)计(ji)应(ying)(ying)该尽可能(neng)(neng)弱化寄(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)生(sheng)效(xiao)应(ying)(ying)。常见的寄(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)生(sheng)效(xiao)应(ying)(ying)主要有(you)寄(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)生(sheng)电(dian)(dian)容效(xiao)应(ying)(ying)、寄(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)生(sheng)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)效(xiao)应(ying)(ying)[35]。

6.1.1  寄生电容效应

在射频集(ji)成电路(lu)的版图设(she)计中,寄生电容效应(ying)存(cun)在于(yu)元(yuan)器件之间(jian)和金属层上(shang)。为了减小寄生电容效应(ying)的影响,版图设(she)计时(shi)应(ying)注意以下几(ji)个方面:

①:金(jin)属层次越高,寄生(sheng)电容越小,所以(yi)在设计中高频信号线尽量采用高层金(jin)属以(yi)减小寄生(sheng)电容; 

②:金属层(ceng)之(zhi)间(jian)(jian)(jian)相近或(huo)相连会形(xing)成电容(rong),所以在设计中应该尽量避免相邻(lin)的高频信(xin)号线平行走(zou)线,并(bing)保证线与线、线与器件之(zhi)间(jian)(jian)(jian)有足够距离,这样不仅能减(jian)(jian)小(xiao)耦(ou)合电容(rong),而(er)且能减(jian)(jian)小(xiao)信(xin)号之(zhi)间(jian)(jian)(jian)的串扰(rao);

③:金属层的寄生(sheng)电(dian)容(rong)远(yuan)(yuan)远(yuan)(yuan)小于有源区的寄生(sheng)电(dian)容(rong),因此在绘制差(cha)分电(dian)路的版图时,应该尽(jin)量采用“十(shi)字交(jiao)叉法(fa)”,优化(hua)漏极输出端的寄生(sheng)电(dian)容(rong)。

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第七章  结论


7.1  本(ben)文的主要贡献

本文基(ji)于自(zi)主(zhu)研发的国标有源(yuan) 2.45GHz RFID 收发芯片为基(ji)础,针(zhen)对 RFID 模拟射(she)频接收机前(qian)端电路进(jin)行(xing)设计和仿真。

本(ben)文主要工(gong)作如下:

介绍了(le)射(she)频接收(shou)前端系(xi)统结(jie)构及(ji)其重要电气参(can)数,然后根据工艺、成本(ben)、项目设(she)计指标等综(zong)合(he)考虑,选择了(le)零中频接收(shou)机结(jie)构进行整体(ti)设(she)计,并通过(guo)链路预算,得到单元模(mo)块(kuai)的指标。

介绍了低噪声放大器的工作原理和重要指标,提出了一种工作在 2.45GHz 的低噪声放大器。电路的核心部分采用带源极电感负反馈的共源共栅结构,实现了超低噪声;通过外部控制码实现了输入阻抗、输出负载、增益可控。后仿真显示,电路的转换增益最高达到 23.9dB,噪声系数为 5dB,输入回波损耗 S11在2.45GHz 时为-27.3dB。电源电压为 1.8V 时,
LNA 工作在放大模式下,静态电流为1.98mA;工作在直通模式下,不消耗电流。

介绍了下变频器(qi)(qi)的工(gong)作原理和(he)重(zhong)要指标,在吉尔(er)伯特单元基础上设计了一种输入(ru)信(xin)号为 2.45GHz,输出(chu)中(zhong)频为 2MHz 的下变频器(qi)(qi)。电路的核心部(bu)分复用(yong)(yong)两个吉尔(er)伯特单元,采用(yong)(yong)

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