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2.45GHz RFID模擬射頻接收機前端設計與實現

日期:2020年07月21日 編輯:ad201107111759308692 作者:無憂論文網 點擊次數:488
論文價格:150元 論文編號:lw202007131654055243 論文字數:45588 所屬欄目:電力通信論文
論文地區:中國 論文語種:中文 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis

本文是一篇電力通信論文,本文基于自主研發的國標有源 2.45GHz RFID 收發芯片為基礎,針對 RFID 模擬射頻接收機前端電路進行設計和仿真。本文主要工作如下:介紹了射頻接收前端系統結構及其重要電氣參數,然后根據工藝、成本、項目設計指標等綜合考慮,選擇了零中頻接收機結構進行整體設計,并通過鏈路預算,得到單元模塊的指標。 介紹了低噪聲放大器的工作原理和重要指標,提出了一種工作在 2.45GHz 的低噪聲放大器。電路的核心部分采用帶源極電感負反饋的共源共柵結構,實現了超低噪聲;通過外部控制碼實現了輸入阻抗、輸出負載、增益可控。后仿真顯示,電路的轉換增益最高達到 23.9dB,噪聲系數為 5dB,輸入回波損耗 S11在2.45GHz 時為-27.3dB。電源電壓為 1.8V 時,LNA 工作在放大模式下,靜態電流為1.98mA;工作在直通模式下,不消耗電流。


第一章  緒論


1.1  國內外射頻識別技術的概況

目前,國內外主流射頻識別(RFID)通信方式有兩種:一種是采用電磁耦合方式,工作在低頻 30~300KHz、高頻 3~30MHz 頻段,這種通信的主要特點是閱讀距離短、閱讀天線方式不強,即使是高頻系統的狀態下通訊速度也較慢,主要適用于短距離、低成本的應用中;另一種通信方式是采用電磁發射方式,工作在超高頻 300~968MHz 以及微波 2.45~5.8GHz 頻段,它的主要特點是閱讀距離遠,能適應物體高速運動,具有優良的性能[4]。不同頻段 RFID 性能以及應用比較如表 1-1 所示:

表 1-1  各個頻段的 RFID 性能比較

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1.2  模擬射頻接收機前端在 RFID 技術上的應用與發展

模擬射頻接收機是構成集成 RFID 射頻識別芯片的關鍵電路,它的主要功能是對從天線來的信號進行放大并將放大后的信號下變頻到較低的頻率,實現低頻傳輸。隨著 RFID 技術的迅猛發展,對無線射頻接收機提出了更嚴格的要求,即低功耗,低價格,高可靠性,高集成度、抗強干擾能力,而接收機射頻前端是決定接收機性能的關鍵,是實現這一目標的基礎[5]。  低噪聲放大器和混頻器是射頻接收機前段的核心電路,由于 LNA 與 MIX 電路決定了接收機前端的電性能,其重要性使它們逐漸成為人們研究的重點,近些年來有關低噪聲放大器和混頻器的最新研究成果不斷被提出。

目前共源共柵拓補結構 LNA 廣泛采用電流復用技術,該技術可提高增益,不僅減小了電路的密勒效應,同時提高了 LNA 端口的隔離度。2012 年 Khurram 和Hasan 采用電流復用技術,提出了一款在 3GHz~5GHz 范圍內工作的低功耗 CMOS跨導增壓共柵型的 LNA[6]。該 LNA 采用共柵級作為第一級實現匹配,第二級作為跨導增強級與第一級共享偏置電流,實現了低功耗和高增益。電路采用 130  nm IBM CMOS 工藝設計制作,測試結果表明,該 LNA 工作在電源電壓為 1V 時,功耗僅為 3.4mW,功率增益大于 13dB,噪聲系數介于 3.5~4.5dB。

目前 MIX 通常采用改進傳統吉爾伯特單元結構的方式,以獲得較大增益,較好的線性度和端口隔離度。2016 年 Abdelghany 等人提出了提出一種 2.45GHz 低閃爍噪聲的射頻 CMOS 混頻器[7]。該混頻器采用電荷注入技術和調諧電感的雙平衡吉爾伯特單元結構,具有低閃爍噪聲、高輸入匹配、高線性度、低功耗和低噪聲的特點。仿真結果表明,該混頻器在 1.3V 電源電壓下,功率為 2.8  mW,單邊帶噪聲系數為 7.4 dB,轉換增益 12.8dB,三階交調點 IIP3 為 0 dBm  。

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第二章  接收機的基本原理

2.1  射頻接收機的基本結構

無線接收機是信息源與通信信道(空氣)之間進行信息交換的接口,目前的市場壞境下,要求接收機具備價格低、功耗低、面積小、集成度高等特點。超外差接收機結構降低了原有高頻率射頻信號直接接收的難度,可以根據需求調節信號幅度的大小和頻率的高低。在超外差接收機的基礎上,根據中頻信號的高低分別衍生出了不同的超外差結構,主要有高中頻、低中頻以及零中頻三種結構。除了傳統的結構之外,數字中頻接收機也得到大規模使用,并展現了良好的性能。

2.1.1  超外差式接收機

超外差式接收機是目前應用最廣泛的一種系統結構,它的基本原理是將天線接收到的高頻信號經放大和下變頻后轉換為一個固定的中頻信號,再進行下變頻或者直接解調,典型的超外差接收機結構如圖 2-1 所示:

圖 2-1  典型的超外差接收機結構圖

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2.2  射頻接收前端重要電氣參數

射頻電路與低頻電路不同,其電氣參數極大的影響電路性能。在射頻接收機前端電路中,衡量電路性能優劣的指標主要有靈敏度、增益、噪聲系數、線性度、端口隔離度、穩定性等。

2.2.1  靈敏度

線性度是射頻接收機前端的又一個重要指標,它描述了射頻電路由于非線性而引入的是失真程度,其值決定了射頻電路的最大輸入信號功率,通常用 1dB 壓縮點 IP1dB、三階交調點 IIP3來衡量線性度的優劣。

1dB 壓縮點(1dB  compression  point)描述了系統功率增益由于非線性失真而發生的變化,是衡量線性度的重要指標,壓縮點越高意味著輸出功率越高。通常把增益下降到比線性增益低 1dB 時的輸入/輸出功率值定義為 1dB 壓縮點,此時的輸入功率稱為輸入 1dB 壓縮點 IP1dB,輸出功率稱為輸出 1dB 壓縮點 OP1dB,它們可以用來衡量放大器的最大輸出功率[17]。典型情況下,當功率超過 IP1dB時,增益將迅速下降并達到一個最大的或完全飽和的輸出功率,它通常比 IP1dB大 3-4dB,所以在設計電路時通常要保證此條件。1dB 壓縮點可以由圖 2-6 表示: 

圖 2-6 1dB 壓縮點示意圖

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第三章  低噪聲放大器的設計 .................................... 20

3.1  低噪聲放大器的基本原理 ................................ 20

3.2  高頻低噪聲放大器技術研究 .................................. 20

第四章  下變頻混頻器的設計 ................................... 34

4.1  混頻器的總體結構設計 ....................................... 34

4.2  有源混頻器的技術研究 ........................... 35

第五章  射頻前端輔助電路設計 ............................ 44

5.1  射頻放大器 ................................... 44

5.2  本振緩沖放大器 ............................ 47


第六章  版圖設計與封裝測試

6.1  寄生效應

工藝廠商加工的芯片的每一個元器件和導線都會有寄生電容和寄生電阻。寄生參數會影響電路的性能,嚴重時會造成電路失效。雖然可以根據理論計算與設計經驗在電路中加入一定大小的電容電阻來模擬寄生參數,但是實際加工出現的偏差卻不能完全消除。因此,版圖設計應該盡可能弱化寄生效應。常見的寄生效應主要有寄生電容效應、寄生電阻效應[35]。

6.1.1  寄生電容效應

在射頻集成電路的版圖設計中,寄生電容效應存在于元器件之間和金屬層上。為了減小寄生電容效應的影響,版圖設計時應注意以下幾個方面:

①:金屬層次越高,寄生電容越小,所以在設計中高頻信號線盡量采用高層金屬以減小寄生電容; 

②:金屬層之間相近或相連會形成電容,所以在設計中應該盡量避免相鄰的高頻信號線平行走線,并保證線與線、線與器件之間有足夠距離,這樣不僅能減小耦合電容,而且能減小信號之間的串擾;

③:金屬層的寄生電容遠遠小于有源區的寄生電容,因此在繪制差分電路的版圖時,應該盡量采用“十字交叉法”,優化漏極輸出端的寄生電容。

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第七章  結論


7.1  本文的主要貢獻

本文基于自主研發的國標有源 2.45GHz RFID 收發芯片為基礎,針對 RFID 模擬射頻接收機前端電路進行設計和仿真。

本文主要工作如下:

介紹了射頻接收前端系統結構及其重要電氣參數,然后根據工藝、成本、項目設計指標等綜合考慮,選擇了零中頻接收機結構進行整體設計,并通過鏈路預算,得到單元模塊的指標。

介紹了低噪聲放大器的工作原理和重要指標,提出了一種工作在 2.45GHz 的低噪聲放大器。電路的核心部分采用帶源極電感負反饋的共源共柵結構,實現了超低噪聲;通過外部控制碼實現了輸入阻抗、輸出負載、增益可控。后仿真顯示,電路的轉換增益最高達到 23.9dB,噪聲系數為 5dB,輸入回波損耗 S11在2.45GHz 時為-27.3dB。電源電壓為 1.8V 時,
LNA 工作在放大模式下,靜態電流為1.98mA;工作在直通模式下,不消耗電流。

介紹了下變頻器的工作原理和重要指標,在吉爾伯特單元基礎上設計了一種輸入信號為 2.45GHz,輸出中頻為 2MHz 的下變頻器。電路的核心部分復用兩個吉爾伯特單元,采用

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