超低功耗射频收发系统理论及电路实现研究

低功耗是现代便携式无线通信系统所追求的重要目标之一，而射频收发系统的低功耗是实现无线通信系统低功耗的关键。近几年，低功耗乃至超低功耗射频收发电路理论和方法逐渐成为业界的研究热点。本课题创新性地提出一种集射频放大、混频与中频放大于一体，并具有动态功耗调节功能的电路结构（简称为返回式混频器）：该结构只需使用混频器的跨导级同时实现射频和中频的放大，节约了硬件开支，显著降低了功耗；采用高通和低通网络进行信号隔离保证了电路的稳定性。同时结合射频模块电流复用、模块整合与可重构滤波器技术，提出了一种射频收发结构，以实现系统的超低功耗。本课题的核心研究内容是建立一套超低功耗射频收发设计理论和方案，主要包括：建立和完善超低功耗射频收发系统结构和相关理论，指导具体电路设计，进行流片验证，以进一步完善超低功耗收发系统的理论和相关技术。

手持无线设备在人们生活中起到越来越重要的作用，其电池续航力成为急需解决的重要问题。在手持设备中射频接收模块的功耗占据了较高的比例，因此实现超低功耗射频接收电路对降低总体功耗起到了关键作用。本项目在融合现有低功耗射频电路设计方法的基础上，提出基于返回式结构的超低功耗射频接收机架构，该结构放大射频信号并将该信号混频至中频，经滤波后重新馈通至射频放大器进行放大后输出。为保证电路稳定性，对混频输入和中频输出端分别使用高通和低通网络进行信号隔离。该方法使用单个电路同时实现射频和中频的放大，节约了硬件开支和功耗。鉴于传统电流复用结构所面临的电压裕度问题，本项目提出一种横向电流复用射频前端，在有效降低电流的同时避免了对电压裕度的消耗，并且保证了模块间隔离度和电路性能。在项目实施过程中，针对第一版返回式混频器对中频信号线性度不足的问题，提出了一种自重构跨导返回式混频器，该结构对射频信号和中频信号分别呈现开环特性和闭环特性，有效保证了中频线性度。此外，基于对无源变频开关的行为建模，本项目提出了跨导增强射频前端技术，该技术利用无源变频方式在跨导级输出端构造交流地，并在跨导级构造输入频率附近的正反馈环路，对等效跨导起到了倍增的效果。基于上述技术本项目设计了超低功耗射频接收机系统原型，并以流片的方式验证和完善了超低功耗收发系统的理论和方法。本项目共发表SCI论文16篇，其中IEEE期刊论文5篇，授权发明专利10项。