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目前,随着超高频(UHF,Ultra High Frequency)射频识别(RFID,RadioFrequency Identification)技术在物流货运、智能交通、食品安全、高档消费晶防伪等领域中大规模、广泛地应用,高集成度、低成本、低功耗、高性能的UHF RFID阅读器芯片成为推动UHF RFID技术发展的关键。混频器作为阅读器芯片射频前端电路中的核心模块,完成射频信号向中频信号的频率转移,它的性能直接决定着阅读器芯片的性能。 本论文的工作主要围绕混频器的研究与设计实现展开。论文深入分析了电压驱动型双平衡无源混频器与电流驱动型双平衡Gilbert有源混频器的性能特点,并根据UHF RFID阅读器与标签功率预算的方法及零中频的接收机架构,确定了面向不同应用的UHF RFID阅读器接收机中的混频器的性能指标。 本论文的主要工作及研究创新如下: 1.提出阅读距离为0.5m的手持应用下的UHF RFID阅读器芯片中的电压驱动型双平衡无源混频器的设计与实现。论文通过分析影响电压驱动型的无源混频器的电压转换增益、噪声系数及线性度性能的因素,得到优化的器件参数设计。采用TSMC0.18 um RFCMOS工艺实现的阅读器芯片,流片后测试得到在40Kbps数据率和存在0dBm发射泄漏情况下的接收机灵敏度达到-85dBm,1.8V电源电压下芯片总电流为90mA。其中无源混频器1dB压缩点测试结果为3dBm,与仿真得到的2.409dBm的结果基本一致。与已公布的阅读器芯片相比,芯片综合性能领先。 2.提出了有源器件作为负载的高性能单芯片双平衡Gilbert有源混频器的设计与实现,可以用于移动应用下阅读距离为3m的UHF RFID阅读器中。 1)提出在有源负载处采用最低噪声的分流电路,大大降低了有源负载产生的1/f噪声;采用垂直寄生NPN双极型器件作为开关,极大地降低了开关器件产生的1/f噪声。利用TSMC0.18 um RFCMOS工艺实现,得到噪声因子为13.24dB、1/f噪声拐角频率为40KHz。 2)提出采用宽带运算放大器控制有源负载栅极电压的技术,实现Gilben有源混频器中频输出电压可调,有效地防止后级电路被饱和。提出利用电容交叉耦合技术将输入共栅放大器的射频信号耦合到共源放大器,将有源混频器的转换增益提高了3dB,同时利用优化跨导级与本振级的偏置电压的方法,达到输入三阶交调点为4.45dBm的较高线性度指标。 3)在双平衡Gilbert有源混频器芯片测试方案中,提出利用4个器件构成的电感、电容匹配网络,既实现了有源混频器与天线50Q阻抗的匹配,又完成了射频信号单端向差分端的转换。不仅避免了片外balun的使用、节约了成本,还减少了片外balun引入的噪声和损耗。芯片测试得到的结果是:转换增益为4.3dB、输入1dB压缩点为-2dBm,功耗为5.4mW,符合长距离移动应用下UHF RFID阅读器接收机对混频器的要求。与近年己发表的有源混频器的研究成果相比,芯片在线性度、功耗等方面的性能领先。 3.提出双平衡Gilbert折叠开关有源混频器的分析与设计。拙利用AC耦合技术和电流复用技术,极大地降低了混频器的功耗和电源电压,同时通过优化共栅放大器和共源放大器的偏置电压使折叠开关混频器在极低的功耗下,得到较高的线性度指标。该混频器在电源电压1.2V下IIP3为0.85dBm,工作电流仅1.2mA,如果将电源电压降至1V时,IIP3为-0.53dBm,工作电流仅1.3mA。