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2.45GHz RFID模拟射频接收机前端设计与实现

日期:2020年07月21日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:78
论文价格:150元 论文编号:lw202007131654055243 论文字数:45588 所属栏目:电力通信论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇电力通信论文,本文基于自主研发的国标有源 2.45GHz RFID 收发芯片为基础,针对 RFID 模拟射频接收机前端电路进行设计和仿真。本文主要工作如下:介绍了射频接收前端系统结构及其重要电气参数,然后根据工艺、成本、项目设计指标等综合考虑,选择了零中频接收机结构进行整体设计,并通过链路预算,得到单元模块的指标。 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。


第一章  绪论


1.1  国内外射频识别技术的概况

目前,国内外主流射频识别(RFID)通信方式有两种:一种是采用电磁耦合方式,工作在低频 30~300KHz、高频 3~30MHz 频段,这种通信的主要特点是阅读距离短、阅读天线方式不强,即使是高频系统的状态下通讯速度也较慢,主要适用于短距离、低成本的应用中;另一种通信方式是采用电磁发射方式,工作在超高频 300~968MHz 以及微波 2.45~5.8GHz 频段,它的主要特点是阅读距离远,能适应物体高速运动,具有优良的性能[4]。不同频段 RFID 性能以及应用比较如表 1-1 所示:

表 1-1  各个频段的 RFID 性能比较

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1.2  模拟射频接收机前端在 RFID 技术上的应用与发展

模拟射频接收机是构成集成 RFID 射频识别芯片的关键电路,它的主要功能是对从天线来的信号进行放大并将放大后的信号下变频到较低的频率,实现低频传输。随着 RFID 技术的迅猛发展,对无线射频接收机提出了更严格的要求,即低功耗,低价格,高可靠性,高集成度、抗强干扰能力,而接收机射频前端是决定接收机性能的关键,是实现这一目标的基础[5]。  低噪声放大器和混频器是射频接收机前段的核心电路,由于 LNA 与 MIX 电路决定了接收机前端的电性能,其重要性使它们逐渐成为人们研究的重点,近些年来有关低噪声放大器和混频器的最新研究成果不断被提出。

目前共源共栅拓补结构 LNA 广泛采用电流复用技术,该技术可提高增益,不仅减小了电路的密勒效应,同时提高了 LNA 端口的隔离度。2012 年 Khurram 和Hasan 采用电流复用技术,提出了一款在 3GHz~5GHz 范围内工作的低功耗 CMOS跨导增压共栅型的 LNA[6]。该 LNA 采用共栅级作为第一级实现匹配,第二级作为跨导增强级与第一级共享偏置电流,实现了低功耗和高增益。电路采用 130  nm IBM CMOS 工艺设计制作,测试结果表明,该 LNA 工作在电源电压为 1V 时,功耗仅为 3.4mW,功率增益大于 13dB,噪声系数介于 3.5~4.5dB。

目前 MIX 通常采用改进传统吉尔伯特单元结构的方式,以获得较大增益,较好的线性度和端口隔离度。2016 年 Abdelghany 等人提出了提出一种 2.45GHz 低闪烁噪声的射频 CMOS 混频器[7]。该混频器采用电荷注入技术和调谐电感的双平衡吉尔伯特单元结构,具有低闪烁噪声、高输入匹配、高线性度、低功耗和低噪声的特点。仿真结果表明,该混频器在 1.3V 电源电压下,功率为 2.8  mW,单边带噪声系数为 7.4 dB,转换增益 12.8dB,三阶交调点 IIP3 为 0 dBm  。

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第二章  接收机的基本原理

2.1  射频接收机的基本结构

无线接收机是信息源与通信信道(空气)之间进行信息交换的接口,目前的市场坏境下,要求接收机具备价格低、功耗低、面积小、集成度高等特点。超外差接收机结构降低了原有高频率射频信号直接接收的难度,可以根据需求调节信号幅度的大小和频率的高低。在超外差接收机的基础上,根据中频信号的高低分别衍生出了不同的超外差结构,主要有高中频、低中频以及零中频三种结构。除了传统的结构之外,数字中频接收机也得到大规模使用,并展现了良好的性能。

2.1.1  超外差式接收机

超外差式接收机是目前应用最广泛的一种系统结构,它的基本原理是将天线接收到的高频信号经放大和下变频后转换为一个固定的中频信号,再进行下变频或者直接解调,典型的超外差接收机结构如图 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  射频接收前端重要电气参数

射频电路与低频电路不同,其电气参数极大的影响电路性能。在射频接收机前端电路中,衡量电路性能优劣的指标主要有灵敏度、增益、噪声系数、线性度、端口隔离度、稳定性等。

2.2.1  灵敏度

线性度是射频接收机前端的又一个重要指标,它描述了射频电路由于非线性而引入的是失真程度,其值决定了射频电路的最大输入信号功率,通常用 1dB 压缩点 IP1dB、三阶交调点 IIP3来衡量线性度的优劣。

1dB 压缩点(1dB  compression  point)描述了系统功率增益由于非线性失真而发生的变化,是衡量线性度的重要指标,压缩点越高意味着输出功率越高。通常把增益下降到比线性增益低 1dB 时的输入/输出功率值定义为 1dB 压缩点,此时的输入功率称为输入 1dB 压缩点 IP1dB,输出功率称为输出 1dB 压缩点 OP1dB,它们可以用来衡量放大器的最大输出功率[17]。典型情况下,当功率超过 IP1dB时,增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率,它通常比 IP1dB大 3-4dB,所以在设计电路时通常要保证此条件。1dB 压缩点可以由图 2-6 表示: 

图 2-6 1dB 压缩点示意图

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第三章  低噪声放大器的设计 .................................... 20

3.1  低噪声放大器的基本原理 ................................ 20

3.2  高频低噪声放大器技术研究 .................................. 20

第四章  下变频混频器的设计 ................................... 34

4.1  混频器的总体结构设计 ....................................... 34

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

第五章  射频前端辅助电路设计 ............................ 44

5.1  射频放大器 ................................... 44

5.2  本振缓冲放大器 ............................ 47


第六章  版图设计与封装测试

6.1  寄生效应

工艺厂商加工的芯片的每一个元器件和导线都会有寄生电容和寄生电阻。寄生参数会影响电路的性能,严重时会造成电路失效。虽然可以根据理论计算与设计经验在电路中加入一定大小的电容电阻来模拟寄生参数,但是实际加工出现的偏差却不能完全消除。因此,版图设计应该尽可能弱化寄生效应。常见的寄生效应主要有寄生电容效应、寄生电阻效应[35]。

6.1.1  寄生电容效应

在射频集成电路的版图设计中,寄生电容效应存在于元器件之间和金属层上。为了减小寄生电容效应的影响,版图设计时应注意以下几个方面:

①:金属层次越高,寄生电容越小,所以在设计中高频信号线尽量采用高层金属以减小寄生电容; 

②:金属层之间相近或相连会形成电容,所以在设计中应该尽量避免相邻的高频信号线平行走线,并保证线与线、线与器件之间有足够距离,这样不仅能减小耦合电容,而且能减小信号之间的串扰;

③:金属层的寄生电容远远小于有源区的寄生电容,因此在绘制差分电路的版图时,应该尽量采用“十字交叉法”,优化漏极输出端的寄生电容。

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第七章  结论


7.1  本文的主要贡献

本文基于自主研发的国标有源 2.45GHz RFID 收发芯片为基础,针对 RFID 模拟射频接收机前端电路进行设计和仿真。

本文主要工作如下:

介绍了射频接收前端系统结构及其重要电气参数,然后根据工艺、成本、项目设计指标等综合考虑,选择了零中频接收机结构进行整体设计,并通过链路预算,得到单元模块的指标。

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。

介绍了下变频器的工作原理和重要指标,在吉尔伯特单元基础上设计了一种输入信号为 2.45GHz,输出中频为 2MHz 的下变频器。电路的核心部分复用两个吉尔伯特单元,采用

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