超高频RFID读写器射频发射前端芯片电路设计

论文摘要

本文系统研究了超高频RFID（射频识别）读写器中的射频发射前端芯片电路。首先,对RFID系统、超高频RFID系统和超高频RFID读写器做了详细的介绍。其次,阐述了超高频RFID读写器中射频发射机芯片电路的工作原理、特点和发展状况。然后,在阅读了大量超高频RFID读写器、超高频RFID读写器射频发射前端芯片电路、上混频器和功率放大器文献的基础上,分别设计了射频发射前端芯片中的上混频器和功率放大器这两个单元电路,并提出了一种新型的工作于860MHz-960MHz频段的全集成超高频RFID读写器射频发射前端芯片电路。最后,对提出的射频发射前端芯片电路用Cadence软件进行了版图设计,并进行了前仿真、后仿真。本文的主要创新工作如下：（1）提出了一种工作于860MHz-960MHz频段的新型高增益、高线性度、低噪声上混频器。混频器的主体结构为吉尔伯特双平衡结构,通过采用跨导互补电流注入技术,即将电流注入结构晶体管作为射频跨导的一部分,增大了跨导值,减小了开关管电流,从而使得噪声减小,增益增加,线性度提高；LC并联网络作为电路的输出匹配网络,通过元器件参数调整使得在860MHz-960MHz频段内,混频器性能变化不大；电路工作电压仅为1.2V；最后对电路用Cadence软件进行了版图设计及仿真。（2）提出了一种工作于860MHz-960MHz频段的新型高效率、高线性度、大功率增益的全集成功率放大器。电路设计采用三级放大结构,因为单级放大结构很难得到所需的增益,前两级预放大级采用AB类,为最后功放级提供大信号驱动,从输入级到输出级,晶体管尺寸依次增大；在标准CMOS工艺中实现一个高效率功率放大器的难点是击穿电压低,为了克服这个难点,设计中采用了自偏置共源共栅结构,即通过在共源共栅结构中的共栅管栅极采用自偏置电路来调节栅极电压,使得漏极电压摆幅较大时,栅漏电压不会超过击穿电压；电路中的电感全部采用片上电感,更易于集成；最后对电路用Cadence软件进行了版图设计及仿真。（3）将提出的上混频器和功率放大器直接连接起来,组成工作于860MHz-960MHz频段的全集成射频发射前端芯片电路（两个单元电路采用差分结构,都适用于860MHz-960MHz）。整个发射前端芯片电路使用单一电源供电,工作电压为3V,电路具有大输出功率,高效率和高线性的特点。最后对电路用Cadence软件进行了版图设计及仿真,验证了电路的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 射频识别（RFID）系统
• 1.2.1 RFID系统组成
• 1.2.2 RFID的发展概况
• 1.3 超高频射频识别（RFID）系统
• 1.3.1 超高频RFID系统的工作原理
• 1.3.2 超高频RFID系统采用的标准和协议
• 1.3.3 超高频RFID系统的发展概况
• 1.4 超高频RFID读写器发展概况
• 1.5 超高频RFID读写器射频发射前端芯片电路发展概况
• 1.6 本文研究的目的和意义
• 1.7 本文的主要研究内容
• 1.7.1 上混频器（up-mixer）设计
• 1.7.2 功率放大器（power-amplifier）设计
• 1.7.3 射频发射前端芯片电路设计
• 1.8 本文的结构安排
• 第2章 发射机系统结构及性能参数分析
• 2.1 引言
• 2.2 超外差发射机
• 2.3 低中频发射机
• 2.4 直接变频发射机
• 2.5 带偏移频率合成器发射机
• 2.6 环路发射机
• 2.7 发射机性能指标
• 2.7.1 输出功率和效率
• 2.7.2 互调失真
• 2.7.3 相位噪声
• 2.7.4 通频带宽度
• 2.7.5 杂散抑制
• 2.8 小结
• 第3章 上混频器设计
• 3.1 引言
• 3.2 混频器概述
• 3.2.1 无源混频器
• 3.2.2 有源混频器
• 3.3 混频器性能参数
• 3.3.1 变换增益
• 3.3.2 噪声
• 3.3.3 线性度
• 3.3.4 隔离度
• 3.4 提出的上混频器
• 3.4.1 电流注入技术
• 3.4.2 上混频器整体结构与分析
• 3.4.3 电路仿真
• 3.5 小结
• 第4章 功率放大器设计
• 4.1 引言
• 4.2 功率放大器分类和工作原理
• 4.2.1 线性功率放大器
• 4.2.2 非线性功率放大器
• 4.3 功率放大器性能参数
• 4.3.1 输出功率
• 4.3.2 效率
• 4.3.3 功率增益
• 4.3.4 线性度
• 4.3.5 稳定系数
• 4.4 提出的功率放大器
• 4.4.1 自偏置共源共栅结构
• 4.4.2 功率放大器整体结构与分析
• 4.4.3 电路仿真
• 4.5 小结
• 第5章 射频发射前端芯片电路设计
• 5.1 引言
• 5.2 射频发射前端工作原理
• 5.3 提出的射频发射前端芯片结构
• 5.4 电路仿真
• 5.5 小结
• 第6章 版图设计
• 6.1 引言
• 6.2 器件匹配
• 6.3 布局布线
• 6.4 闩锁效应
• 6.5 耦合效应
• 6.6 射频发射前端芯片电路的版图设计
• 6.7 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录B （攻读硕士学位期间所参与的科研活动）