面向生物医疗的新型双带射频收发器架构及关键电路研究

High sensitivity and high efficiency RF energy harvester and ultra-low power RF transceiver are two crucial technologies for wireless body area network sensor nodes. Although some effective solutions have been proposed separately in these two areas by academic and industry community, an optimized integrated system of these two parts are not available yet, thus highly demanding for effective integration techniques in both of system and circuit levels. Based on the analysis of current RF energy harvesters and ultra low power transceivers, this project is planning to propose a high energy efficiency semi-active dual band RF transceiver architecture. The research will be conducted on the level of communication system, optimum integration system and circuit architecture, respectively, aiming for the original contribution in semi-active architecture, low duty cycle communication, high sensitivity energy harvester and low power injection locked frequency divider (ILFD) based carrier recovery technique. The results of this research have significant value for the standardization of wireless communication technology for biomedical applications. Besides, a solid theory and technology basis for the physical system implementations of high efficiency energy harvester and ultra low power RF transceiver can also be established by this project.

高灵敏、高效率射频能量获取器和超低功耗射频收发器是无线体域网传感器节点的两个关键技术。这两个技术领域虽然经过国际学术界和工业界多年的研究，已经各自拥有了一些有效的优化措施，但还不足以达到系统优化集成，迫切需要优化的系统和电路集成措施。本课题在研究分析不同无线通信技术的射频能量获取器和超低功耗收发器的特性基础上，探索研究提出一种高能量效率的半主动双带生物医疗射频收发器架构，从通信链路、系统优化集成、电路结构三个方面系统地展开相关研究工作，拟在半主动双带通信架构、射频通信的低占空比机制、高灵敏度射频能量获取器和低功耗ILFD载波恢复机制等方面取得创新性的研究成果。本课题的顺利实施对生物医疗的新无线技术及其标准研究具有重要的意义，同时为高能量效率射频能量获取器和超低功耗射频收发器集成系统的设计与实现奠定坚实的理论和技术基础。

本项目从生物医疗器件的长使用寿命、长工作距离、高通信速率的发展趋势出发，从通信技术、系统优化集成技术及具体电路结构等多个方面系统研究生物医疗射频收发器及关键电路。研究了不同频段生物医疗射频收发器的系统架构，提出一种以866MHz频段为接收频段和500MHz为发送频段的半主动双带通信架构，并进行理论研究及Matlab系统级仿真验证分析。在系统优化集成方面，将唤醒电路嵌入到能量获取电路中优化了唤醒电路，发送器和主接收器共享注入锁定分频器（ILFD）优化了解调电路；ILFD 除了具体实现发送载波恢复的功能之外，ILFD可以与解调器合二为一，用来解调高速的FSK信号；提出了一种嵌入唤醒电路的高频半有源RFID射频模拟前端芯片的系统架构。在具体电路设计实现方面，设计了一种非对称工作系统及低功耗、高速FSK调制器；提出了一种基于主从电荷泵结构的高灵敏度、高效率的能量获取电路；设计实现了一种低噪声、低功耗的QVCO，该QVCO基于变压器反馈电流复用型结构。部分研究结果，已经达到国际先进水平，相关研究成果发表在在IEEE TCAS I（芯片设计领域国际顶级期刊，IF：2.393）、Sensors（IF：2.033）、RFIC（国际高水平会议）等期刊会议上，申请授权专利1项。本课题的研究成果对促进面向生物医疗的新无线技术及其标准发展具有重要的意义，在集成传感器的射频收发器的应用方面有广泛的前景。