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自适应阻抗调节的低功耗无源标签关键技术

自适应阻抗调节的低功耗无源标签关键技术

作     者:刘东浩 

作者单位:西安电子科技大学 

学位级别:硕士

导师姓名:李小明;柯曾喜

授予年度:2022年

学科分类:080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术(可授工学、理学学位)] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题:无源芯片 能量采集 阻抗 自适应 低功耗 低压 

摘      要:近年来,随着通信技术的快速发展,无源通信终端成为当前和未来主要研究方向。本文针对无源通信系统中自供电物联网节点芯片能量采集问题,基于无源标签天线与射频电路协同设计原理,在高灵敏度能量采集系统的技术基础上,优化并设计了一款自适应阻抗调节的低功耗无源标签芯片,达到了高灵敏度能量获取,提高了射频前端与天线之间射频阻抗的良好匹配,有益于更多的射频能量转换为可用能量。首先,本文针对无源标签阻抗匹配进行了详细阐述,射频阻抗受实际应用环境波动和产品加工离散性影响,当前主流通过阻抗网络或协同匹配的阻抗匹配工程方法难以达到最佳的匹配效果,影响了产品的应用范围以及灵敏度的一致性。本文提出了一种低插损、低复杂度、高适用性、超低功耗的自适应阻抗匹配方案,能够在射频场内自动调整芯片射频阻抗,使得芯片内整流输出电压可接近最佳阻抗匹配时的峰值。其次,本文设计了高灵敏度能量采集系统,其中包括主流协同设计部分以及引入的开关电容阵列,在主流协同设计的基础上,通过引入开关电容阵列,完成对射频前端阻抗自适应调节,既达到高灵敏的能量采集效果,也避免了阻抗失配造成的能量损失。此外,本文根据阻抗反馈调节需求,设计了针对无源标签的自适应阻抗调节算法和具体控制电路。其主要包括n A级低启动电压时钟电路、低功耗钟控采样比较电路以及其他控制电路。并联合射频前端和电容阵列进行系统仿真,结果表明,设计的自适应调节系统可在0.35V低电压下启动,整体系统平均功耗仅3.7n W,完成了针对阻抗失配的自适应调节功能。本文针对无源通信系统中能量采集问题,设计并最终实现了一款具有自适应阻抗调节功能的无源芯片。本文的自适应阻抗匹配调节单元以及引入的开关电容阵列全部在芯片内集成实现,并于射频前端进行协同设计,给出了具体电路实现,最终在TSMC0.18μm CMOS工艺下进行流片生产并完成测试工作。芯片最终测试结果的整体功耗为7.4n W,最低启动电压为320m V,最小调整步长电容阵列容值为2.5f F,最大能量采集灵敏度可优化5d Bm,调整的范围和调整方向可依据整体位数灵活配置而定,降低了载波偏移等环境因素和产品阻抗离散性对芯片灵敏度的一致性影响,尤其是扩大了有益于提升灵敏度的高Q匹配的容差范围,为增强灵敏度的高Q匹配工程实现提供解决方法。

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