超高频射频识别读写器接收机载波消除射频前端的研究与设计

论文摘要

本文基于EPC Global Class-1 Gen-2协议对UHF RFID读写器接收机进行了研究,提出了载波消除射频前端的系统架构,并在SMIC 0.18um RF 1P6M标准CMOS工艺下实现了完整的射频和载波消除检测链路。论文首先分析了UHF RFID系统协议接收链路的数据特征和系统信道,计算出了读写器接收机的性能指标;然后对读写器接收机前端特有的载波泄漏进行了定量分析,给出了接收机的系统架构;接着提出了载波消除射频前端的系统架构,并进行了系统分析和计算,为各模块制定了设计目标。其次,设计了带载波消除功能的低噪声放大器。分析了载波消除LNA的设计难点并给出了解决方案,接着为射频电路的版图设计提供了一些设计规则。同时讨论了带中心抽头的差分电感的设计、仿真、建模及拟合。再次,对Gilbert混频器进行了详细的性能分析,为基于Gilbert单元的有源混频器的设计提供了准则。分析了正交下变频混频器共用跨导级结构较传统结构的性能优势,并讨论了多栅晶体管（MGTR）技术提高混频器的线性度和寄生垂直NPN Bipolar管降低混频器闪烁噪声的原理及电路实现。最后给出了详细的混频器的测试和结果分析。论文还设计了载波消除检测电路的各模块。先介绍了亚阈值MOS管峰值检测器的工作原理,并进行了电路实现。其次利用自较零技术、预放大器和锁存器级联结构实现了低失调比较器,并对非交叠时钟发生器进行了讨论与设计。最后,论文对载波消除射频前端链路存在5dBm载波泄漏的情况下进行了系统仿真。仿真结果表明,射频前端具有11dB的双边带噪声系数、5.3dBm的ⅡP3和40dBm的ⅡP2,可以达到-80dBm的灵敏度和较好的抗邻道干扰能力,达到和超过了系统指标,能有效地解决载波泄漏问题,实现高性能的单芯片读写器。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 UHF RFID读写器的研究进展
• 1.2.1 UHF RFID系统的协议及频率规范
• 1.2.2 UHF RFID读写器的研究现状及技术难点
• 1.3 论文的主要工作及组织结构
• 第二章 UHF RFID读写器接收机载波消除射频前端系统架构
• 2.1 UHF RFID系统分析及读写器接收机系统指标
• 2.1.1 UHF RFID系统协议分析
• 2.1.2 UHF RFID系统信道分析
• 2.1.3 UHF RFID读写器接收机系统指标
• 2.2 UHF RFID读写器接收机系统架构
• 2.2.1 UHF RFID读写器接收机前端载波泄漏分析
• 2.2.2 UHF RFID读写器接收机系统架构
• 2.3 UHF RFID读写器接收机载波消除射频前端系统架构
• 2.3.1 UHF RFID读写器接收机载波消除射频前端系统架构
• 2.3.2 UHF RFID读写器接收机载波消除射频前端系统指标
• 第三章 载波消除低噪声放大器的设计与实现
• 3.1 LNA的原理及应用
• 3.2 载波消除LNA的设计与实现
• 3.2.1 载波消除LNA的设计难点
• 3.2.2 载波消除LNA的电路结构
• 3.2.3 带中心抽头的差分叠层电感的设计
• 3.2.4 载波消除LNA性能分析
• 3.3 载波消除LNA的测试考虑和版图后仿
• 3.3.1 测试考虑
• 3.3.2 版图设计
• 3.3.3 版图后仿
• 第四章 正交下变频混频器的设计与实现
• 4.1 Gilbert混频器的性能分析
• 4.1.1 Gilbert混频器结构
• 4.1.2 Gilbert混频器性能分析
• 4.1.3 Gilbert混频器设计准则
• 4.2 正交下变频混频器的设计
• 4.2.1 正交下变频共用跨导级的性能分析
• 4.2.2 MGTR技术提高混频器线性度的原理分析与电路实现
• 4.2.3 寄生垂直NPN BJT在混频器中的应用
• 4.2.4 正交下变频混频器的设计及优化
• 4.2.5 版图设计
• 4.3 正交下变频混频器的测试与分析
• 4.3.1 PCB设计
• 4.3.2 芯片测试与分析
• 第五章 载波消除检测电路的设计与射频前端的系统仿真
• 5.1 阈值MOS管峰值检测器
• 5.1.1 工作原理
• 5.1.2 电路设计
• 5.1.3 版图后仿
• 5.2 低失调比较器
• 5.2.1 性能指标及电路结构
• 5.2.2 比较器电路设计
• 5.2.3 非交叠时钟发生器设计
• 5.2.4 版图设计及后仿
• 5.3 射频前端的系统仿真
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 附录A 标签天线散射能量与入射能量的比值
• 参考文献
• 致谢