2.4GHz射频接收机中低功耗射频前端的设计

摘要

目前，无线传感网已被广泛应用于环境污染监测、智能交通和工业监控等领域，而组成无线传感网的分布式节点通常由电池供电，长达数年的使用寿命使得降低系统功耗成为设计者亟需解决的问题。射频收发机作为无线传感网的核心单元，其功耗在整个无线传感网总功耗中占有相当大的比重。因此，实现射频收发机的主要耗能单元----射频接收前端的低功耗，对降低整个无线传感网的功耗具有重要意义。
　　本文设计了一款应用于2.4GHz射频接收机中的低功耗射频接收前端。论文阐述了射频接收机的基本理论，包括射频接收机的主要性能指标和三种主要拓扑结构，并根据ZigBee协议和无线传感网的应用需求，确定了低功耗射频接收前端的性能指标。通过比较分析射频接收前端的低功耗技术，论文采用模块融合技术实现低功耗射频接收前端，即把I、Q两路混频器的跨导放大级与低噪声放大器进行融合。整个低功耗射频前端由低噪声跨导放大级、开关混频级和跨阻放大级组成。其中，低噪声跨导放大级采用电容交叉耦合跨导增强技术和电流复用技术，以较低的功耗获得较高的跨导和较好的噪声性能，弥补了模块融合技术对电路增益和噪声性能的影响;开关混频级采用25％占空比的无源混频结构，相比于50％占空比无源混频级，既避免了IQ串扰问题又提高了转换增益;跨阻放大级采用交叉耦合结构，利用电路自身的差分特性，以较低功耗实现低输入阻抗。基于TSMC0.13μm CMOS工艺进行了原理图设计和版图设计，并进行了前后仿真验证。后仿真数据表明，在1.2V电源电压下，论文所设计的2.4GHz低功耗射频接收前端以1mW的低消耗实现了30.2dB的转换增益、7.8dB的单边带噪声系数和-16.2dBm的线性度，达到了设计要求，并具有低功耗的特点。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 论文背景

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要工作

1．4 论文内容概述

第二章 无线传感网中的射频接收机

2．1 射频接收机的主要性能参数

2．1．1 噪声系数和灵敏度

2．1．2 线性度和动态范围

2．2 射频接收机的主要结构

2．2．1 超外差结构

2．2．2 零中频结构

2．2．3 低中频结构

2．2．4 三种结构的比较与选择

2．3 无线传感网中射频接收机的系统设计

2．3．1 ZigBee协议简介

2．3．2 射频接收机的主要系统指标

2．3．3 射频接收机各电路模块的指标分配

2．4 本章小结

第三章 2．4GHz低功耗射频接收前端的设计

3．1 2．4GHz低功耗射频接收前端的整体方案设计

3．1．1 射频接收前端的低功耗方案比较

3．1．2 混频结构的噪声性能比较

3．1．3 低功耗低噪声射频接收前端的整体方案

3．2 2．4GHz低功耗射频接收前端的电路设计

3．2．1 低噪声跨导放大级的设计

3．2．2 开关混频级的设计

3．2．3 跨阻放大级的设计

3．3 2．4GHz低功耗射频接收前端的前仿真验证

3．3．1 阻抗匹配电路的设计验证

3．3．2 射频接收前端的前仿真结果

3．4 本章小结

第四章 射频接收前端的版图设计与后仿验证

4．1 射频接收前端的版图设计

4．1．1 布局与走线

4．1．2 匹配与噪声

4．1．3 射频接收前端的版图

4．2 射频接收前端的后仿真验证

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

作者简介