低功耗射频收发技术研究

Recently,low power consumption is increasingly becomeing one of the big trends in wireless communication system. As the key to reducing power dissipation, low power radio frequency transceiver technology has come up and drawn significant research. In this project, a new RF transceiver architecture which is based on the current reuse technique between the same modules in IQ-branch is proposed. System power consumption is significantly reduced by stacking multiple circuits in a single bias stack thus reusing bias current. Moreover,Gain-enhancing technique for LNA and Mixer design and the optimized design method for filter are put forward to further lower the power consumptionin in this project. Based on the above research content, the design theories and methods of RF system will be advanced. The proposed techniques and methods can be used to guide the design of the RF circuits and the whole transceiver, and the testing results of the tape-out will help perfect the theories and methods.

近年来，低功耗成为无线通信系统发展的重要趋势之一，而低功耗射频是实现低功耗无线通信系统的关键所在。正是在这样的应用背景下，低功耗射频收发技术被人们提出并逐渐成为业界的研究热点。本课题提出了一种在IQ支路相同功能模块之间复用偏置电流的射频收发机结构，实现了收发链路中多个模块的电流复用，可显著降低系统功耗；创新性地提出了适用于低噪声放大器和混频器的增益提升技术，同时结合改进的滤波器设计方法来降低各功能模块的功耗，从而进一步降低射频收发系统的功耗。本课题将根据以上研究内容建立低功耗射频收发系统的设计理论和方法；运用提出的相关技术和设计方法指导射频收发系统和各电路模块的低功耗设计并进行流片验证；根据验证结果进一步完善低功耗射频收发系统的设计理论和方法。

本项目针对无线传感网射频收发机，在系统结构和电路模块两个层面上研究低功耗射频收发技术，在研究低功耗射频收发机系统结构的同时，结合单个电路模块的低功耗设计思路和方法，开展相关技术研究，改进和完善低功耗射频收发机系统的设计理论和方法，设计低功耗射频收发机，并通过电路仿真和流片测试进行验证。主要研究内容包括低功耗射频收发机结构的研究、射频收发系统中低功耗电路模块的研究、增益提升技术的研究以及低功耗滤波器设计方法的研究。研究并设计了一种基于有源跨导增强技术的低功耗射频接收前端电路，相比传统射频前端电路，在相同功耗条件下，本设计具有更高的增益和更低的噪声系数，性能提升明显。研究了低电压低功耗条件下宽带射频接收前端电路的设计方法和电路优化步骤，设计了一种同时运用有源跨导增强技术和偏置电流复用技术的低功耗射频接收前端电路，进一步降低功耗。提出了一种基于极点构造的复数带通滤波器设计方法，进一步简化了电路结构，降低了功耗。研究了低功耗射频收发机的系统架构，针对IEEE 802.15.4协议标准，提出了适用于无线传感网的宽带低电压低功耗射频收发机结构，可覆盖协议标准中的780/868/915/2400MHz频段，将宽带射频接收前端、四阶复数带通滤波器、限幅放大器、小数分频频率综合器、功率放大器、SPI数字接口等电路在单芯片上集成，完成了整个低电压低功耗无线传感网射频收发芯片的设计并投片。测试结果表明：在1.0V电源电压下，接收状态下芯片的整体功耗小于1.6+4.2mW（其中1.6mW为接收链路功耗，4.2mW为频率综合器模块功耗），发射状态下芯片的整体功耗小于4.2+1.0mW（不含功率放大器，其中1.0mW为信号调制模块功耗，4.2mW为频率综合器模块功耗），达到了申请书中给出的所有指标要求，设计的低电压低功耗射频收发芯片可广泛应用于无线传感网系统中。项目期间共发表论文12篇，其中SCI收录论文6篇，申请和授权发明专利8项，完成了项目申请书提出的成果要求。