全集成抗阻塞射频接收系统的设计方法及电路实现研究

物联网的普及使得工作于同一频段的无线通讯终端数目迅速增多，环境中众多无线终端大大增加了信号阻塞的产生几率。强阻塞信号能改变接收系统电路的工作点，对接收系统的增益、噪声、带宽、线性度等性能造成不良影响。传统射频接收系统结构外加声表面波滤波器（SAW）来进滤除阻塞信号，这种方法增加了成本而且对带内阻塞信号无法进行有效抑制。全集成抗阻塞射频接收前端系统作为解决以上问题的一种有效途径成为近期学术研究的热点。项目以全集成抗阻塞射频接收系统的设计方法及电路实现为研究重点，在系统架构、关键电路模块方面开展了深入的研究。在系统层面，提出了一种全集成抗阻塞射频接收系统架构。该架构从射频放大器、下混频器和中频电路三个模块对阻塞信号进行逐级抑制。通过数字基带电路检测当前阻塞信号功率强度，当阻塞信号相对有用信号功率较小，则关闭前馈支路，降低功耗同时减少噪声源。在关键电路模块上，1、提出了一种高阻带抑制比和Q值射频带阻滤波器，该结构基于无源混频器的频谱搬移特性，将跨阻级的中频输入阻抗特性搬移到射频本振；2、提出了一种高相位和增益匹配的主支路和前馈支路，前馈结构射频前端放大器中的信号支路采用与前馈支路相同的结构，使得信号支路输出端的寄生电容和前馈支路相同，以实现两条支路的相位匹配；3、提出了一种利用电容交叉耦合技术设计的低噪声放大器；4、提出了一种抑制阻塞信号下混频器，该结构中跨阻放大器采用源极输入和跨导增强技术，实现了跨导级低阻抗宽带输入,减小了下混频跨导级输出端阻塞信号的摆幅。经仿真验证，整个前端的噪声系数小于5.3dB,带外抑制比大于42dB@20MHZ。

随着无线通讯网络的发展，因频谱资源的有限性，不断增加的通信标准和用户终端使无线信道变得越来越拥挤,进而可能产生阻塞现象，接收系统可能发生提前饱和或产生再生频谱覆盖有用信号，造成接收信号丢失。阻塞信号通常因过于靠近目标信道而无法通过LC滤波器滤除。高Q值SAW滤波器虽可有效抑制阻塞信号，但其缺乏调谐能力并且无法实现全集成。近年来，基于阻塞信号抵消的全集成抗阻塞思路的提出得到了业界关注，然而受结构和电路匹配的限制，其阻塞抑制效果仍有提高的必要。鉴于此，本项目基于无源混频阻抗搬移特性，提出一种高Q值射频带阻滤波电路，并以此构造前馈结构射频前端放大器以实现对阻塞信号的抑制，相比传统结构可提供更好的匹配性和阻塞抑制比。结合抗阻塞下混频器以及高线性度的中频电路等的创新，将抗阻塞功能从射频前端延伸到整个接收链路以提高整个接收系统的阻塞抑制比。本项目研究成果将为抗阻塞射频接收系统及电路设计提供理论指导。

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。 2100433B

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。

内容简介

《CMOS射频集成电路分析与设计》以实现一个完整的无线收发机射频前端为主线，按照“射频电路基础—射频电路元器件—无线收发机系统结构—射频模块电路分析与设计—后端设计与混合信号集成—无线收发机实例”的结构编写。《CMOS射频集成电路分析与设计》力图面向实际应用，在介绍清楚基本概念的基础上，着重讨论在集成射频前端框架下各模块电路的设计方法及提高性能的措施。全书共15章，第1-4章介绍了射频电路基础，第5-6章讨论了射频集成电路常用的元器件，第7章讨论了无线收发机射频前端的系统结构，第8-13章讨论了主要射频电路模块的分析与设计问题，第14章介绍了射频集成电路的后端设计及混合信号集成问题，最后一章给出了一个无线接收机模拟前端实现的实例。

全书共15章，第1-4章介绍了射频电路基础，第5-6章讨论了射频集成电路常用的元器件，第7章讨论了无线收发机射频前端的系统结构，第8-13章讨论了主要射频电路模块的分析与设计问题，第14章介绍了射频集成电路的后端设计及混合信号集成问题，最后一章给出了一个无线接收机模拟前端实现的实例。