無線傳感網(wǎng)低功耗射頻發(fā)射關鍵技術研究與芯片設計.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetwork，WSN)是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡所有者。無線傳感器網(wǎng)絡可以應用到軍事、精準農(nóng)業(yè)、健康護理、環(huán)境監(jiān)測和預報、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、智能家居、城市智能交通、復雜機械監(jiān)控、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機場、火車站的安全監(jiān)測等領域，被認為是對21世紀產(chǎn)生巨

2、大影響的技術之一。隨著無線通信和微電子技術的高速發(fā)展，高集成度、低成本、低功耗的CMOS無線射頻收發(fā)機芯片已經(jīng)越來越多的應用于人們?nèi)粘Ｉ罴肮I(yè)生產(chǎn)的電子設備中，市場潛力巨大。其中，低功耗研究一直是無線傳感器網(wǎng)絡研究中的熱點和難點。因此，本文對射頻發(fā)射鏈路的低功耗關鍵技術進行了深入研究與分析，基于ZigBee和IEEE802.15.4標準，采用0.18μmRFCMOS工藝設計了應用于2.4-2.4835GHz無線傳感器網(wǎng)絡的射頻關鍵模塊

3、和射頻發(fā)射機芯片。
　　本文首先討論了應用于無線傳感器網(wǎng)絡ZigBee和802.15.4標準的射頻發(fā)射芯片系統(tǒng)級的設計，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計和系統(tǒng)的鏈路預算。確定了發(fā)射機所需要的模塊及其性能指標，為后續(xù)的設計提供依據(jù)。
　　本文對無線傳感器網(wǎng)絡射頻發(fā)射系統(tǒng)中的關鍵模塊進行了研究、設計與實現(xiàn)，包括工作在1.8V電源電壓下的低通濾波器(LowPassFilter,LPF)、上混頻器(Up-conversionMixer)、功率放大

4、器芯片(PowerAmplifier,PA)，和工作在1V電源電壓下的低通濾波器、上混頻器、功率放大器芯片。
　　在低通濾波器部分，在1.8V電源電壓下采用共模反饋運算放大器設計了一款低通濾波器芯片，測試結(jié)果表明低通濾波器的截止頻率為1.6MHz，功率增益為-3.7dB，通帶紋波為0.16dB，在4MHz處的阻帶抑制為31dB，工作電流為2mA，功耗為3.6mW;在1V電源電壓下設計了一款低通濾波器芯片，設計了一款低功耗的前饋式運

5、算放大器應用在低通濾波器中，使低通濾波器在達到與上款芯片接近性能的前提下，大大降低了其功耗，測試結(jié)果表明截止頻率為1.5MHz，功率增益為-4.7dB，通帶紋波為0.4dB，在4MHz處的阻帶抑制為34dB，工作電流為1mA，功耗為1mW。
　　在上混頻器部分，在1.8V電源電壓下設計了一款低電流上混頻器芯片，采用運算放大器提高了上混頻器的等效跨導，從而提高了混頻器的增益，測試結(jié)果表明該上混頻器的轉(zhuǎn)換功率增益為-4.5dB，輸入1

6、dB壓縮點為-11.5dBm，工作電流為1.77mA，功耗約為3.2mW;在1.8V電源電壓下提出了一種超低電流上混頻器，采用跨導正反饋技術提高了其等效跨導，采用負載增強技術提高了上混頻器輸出負載，從而提高了上混頻器的增益，大大降低了上混頻器的功耗，仿真結(jié)果表明上混頻器的轉(zhuǎn)換電壓增益為10dB，輸入1dB壓縮點為-18dBm，工作電流為0.5mA，功耗為0.9mW;設計了一款1V低電壓上混頻器芯片，采用2層MOS管堆疊結(jié)構(gòu)解決了低電壓下

7、電路工作狀態(tài)問題，采用電流復用技術和交叉正反饋技術提高了上混頻器的等效跨導，從而提高了上混頻器的增益，測試結(jié)果表明該上混頻器的轉(zhuǎn)換功率增益為-3.43dB，輸入1dB壓縮點為-11dBm，工作電流為1mA，功耗為1mW;
　　在功率放大器部分，在1V電源電壓下設計了一款AB類功率放大器，改善了其在低功率輸出下的功率附加效率，從而降低了其功耗，測試結(jié)果表明功率放大器的1dB壓縮點輸出功率為6.24dBm，其功率附加效率為26.73％

8、，工作電流為15.3mA，功耗為15.3mW。
　　本文使用已測試驗證的系統(tǒng)模塊集成了一個單獨的發(fā)射機，研究了發(fā)射機模塊之間的接口，給出了連接的方法和輔助電路，分析比較了前后仿真結(jié)果，芯片測試結(jié)果顯示發(fā)射機1dB壓縮點處輸出功率為0.5dBm，工作電流為14.2mA，功耗為25.56mW。測試結(jié)果表明，此款發(fā)射機芯片可用于ZigBee和802.15.4標準的無線傳感器網(wǎng)絡中。
　　本文使用已測試驗證的發(fā)射機集成了一個收發(fā)芯片

9、，分析設計了收發(fā)芯片所必需的模塊，其中包括帶隙基準、穩(wěn)壓電源、ESD保護電路，還考慮了收發(fā)芯片的休眠，然后研究分析了收發(fā)芯片主要電路模塊的布局、電源與地的布局、焊盤引腳的布局，并且對這款收發(fā)芯片進行了流片測試，測試結(jié)果顯示收發(fā)芯片中發(fā)射機功率1dB壓縮點處輸出功率為0.5dBm，工作電流為14.3mA，功耗為25.74mW。此款收發(fā)芯片的發(fā)射機可用于ZigBee和802.15.4標準的無線傳感器網(wǎng)絡中。
　　本文對應用于無線傳感器

10、網(wǎng)絡ZigBee和802.15.4標準的射頻發(fā)射芯片低功耗關鍵技術進行了深入地研究，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)指標預算、具體電路模塊設計與測試、系統(tǒng)集成與測試等方面。在該過程中，圍繞著低功耗，對電路設計提出了多種新技術。運用這些技術在TSMC0.18μmRFCMOS工藝下設計了發(fā)射機的主要模塊芯片、發(fā)射機芯片以及收發(fā)芯片。雖然設計的芯片是應用于無線傳感器網(wǎng)絡ZigBee和802.15.4標準的射頻發(fā)射芯片，但文中對射頻發(fā)射低功耗關鍵技術的研究與