一种带有阻抗映射功能的高灵敏度抗阻塞射频接收机前端

1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种抗阻塞接收机前端电路。


背景技术：

2.在无线通信系统中，射频接收机会接收到很多大功率的阻塞信号，这些阻塞信号会干扰接收机正常工作，降低接收机的灵敏度和动态范围。为了降低阻塞信号对接收机的影响，可以使用声表面滤波器或其他射频带通滤波器，但是这些滤波器一般成本较高，且中心频率难以调节。因此，使用更加简单有效且成本较低的方法来抑制大功率阻塞信号，提高接收系统的灵敏度和动态范围具有重要意义。
3.例如，对于超高频射频识别系统来说，其通过电磁场在阅读器和电子标签之间进行信息交换，应用场景十分广泛，在交通、门禁、安全、军事、防伪、自动化生产和现代物流中都有广泛的使用。读写器和标签是经典射频识别系统中的两大核心组件。其中，读写器里面通常包含高频收发机、控制单元和耦合元件，其主要作用是和射频识别系统中的标签进行通信、对标签的信息进行读取和改写。根据工作频率来划分，常见的射频识别系统可以被划分为四类：低频、高频、超高频和微波。频段为超高频的无源标签系统具有通信数据率高、天线尺寸小、工作距离长等诸多优点，在射频识别研究中受到了广泛的关注。
4.在超高频射频识别系统中，读写器不仅需要发射，也需要接收。在发射阶段，相关指令被读写器调制到高频的载波上，通过天线发射、无源标签接收，从而可以为芯片提供能量，同时也对信号进行解调并得到指令。在接收阶段，读写器仍向无源标签发射没有调制过的连续载波信号，与此同时，标签也会将调制后的连续载波通过反向散射机制散射到读写器中，从而实现信号的返回。由于在背向散射中，接收的信号和反射的信号的载波频率相同，因此，超高频射频识别读写器接收机会一直接收到系统里发射机发出并泄漏到接收通路中的大功率载波信号，这一信号会使得基带电路饱和，严重恶化接收机的灵敏度。因此，提高读写器接收机对载波信号的抑制能力，是超高频射频读写器接收机的一大挑战。
5.此外，对超高频射频识别系统使用的反向散射通信方式来说，通信距离是一个很重要的因素。随着反向散射通信技术的不断发展，对通信距离的要求也越来越高，对于超高频射频识别读写器而言，提高通信距离的一个重要途径就是提高其中接收机的灵敏度和动态范围。但是，受限于传统的读写器接收机结构，载波抑制能力有限，灵敏度也很难提高。因此，提高读写器接收机灵敏度，是超高频射频读写器接收机的另一大挑战。
6.针对上述两个问题，本发明提出了一种带有阻抗映射功能的高灵敏度抗阻塞射频接收机前端电路，对于超高频射频识别系统来说，阻塞信号即为系统接收的大功率的载波信号。利用无源混频器的阻抗映射作用，将在基带形成的带通阻抗特性映射到射频端，从而在射频端形成以载波频率为中心的带阻特性，滤除载波信号，是本发明实现载波抑制的解决方案。区别于大量直接将混频器作为射频接收机第一级的方案，本发明在无源混频器前端引入一个低噪声跨导放大器，利用其提供的射频增益，抑制后级的噪声贡献，从而降低系统的噪声系数，是本发明实现提升灵敏度的解决方案。并且，在低噪声跨导放大器中引入有
源负反馈，可以进一步进行二次阻抗映射，在射频输入端实现良好的带阻滤波，以保证系统良好的载波抑制能力。对于其他存在大功率阻塞信号的系统，只需调整基带电路的结构以得到合适的阻抗特性，就可以在射频输入端得到类似的射频滤波特性，从而可以抑制阻塞的影响。因此，本发明提出的阻抗映射的方法也可以适用于其他抗阻塞接收机中。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提出一种带有阻抗映射功能的高灵敏度抗阻塞接收机前端电路，主要可以应用在射频识别读写器接收机中和其他需要抑制强阻塞干扰的接收机系统中，可以在保证良好的载波抑制度或阻塞抑制能力的前提下，实现良好的灵敏度和较高的动态范围。
8.本发明提出的带有阻抗映射功能的高灵敏度抗阻塞接收机前端电路，以具有载波抑制功能的高灵敏度超高频射频识别接收机为例，其结构如图1所示，包括：射频输入端口1、低噪声跨导放大器2、有源负反馈电路3、无源混频器4、二分频器5、同向跨阻放大器6、同向低通滤波器7、同向跨导放大器8、正交跨阻放大器9、正交低通滤波器10和正交跨导放大器11。其中射频输入端口1、低噪声跨导放大器2、有源负反馈电路3、无源混频器4、二分频器5形成射频前端电路，其中，低噪声跨导放大器2和有源负反馈电路3并联于射频输入端口1与无源混频器4之间；二分频器5连接于无源混频器4与本振信号之间。其余部分形成基带电路，分为同向电路和正交电路两部分，这两部分仅是本振相位相差90度，电路架构上完全相同。同向跨阻放大器6、同向低通滤波器7、同向跨导放大器8依次相连成回路，即同向电路，输出为基带同向信号；正交跨阻放大器9、正交低通滤波器10和正交跨导放大器11依次相连成回路，即正交电路，输出为基带正交信号。无源混频器4的同向输出端接到同向跨阻放大器6上，无源混频器4的正交输出端接到正交跨阻放大器9上。
9.所述的低噪声跨导放大器2，用于接收射频输入端口1的射频电压信号，并将接收到的射频电压信号转换为射频电流信号，以电流模式工作，从而降低摆幅，提高系统的抗干扰能力。并且，其本身的射频增益也可以抑制系统的噪声。
10.所述的有源负反馈电路3，与后级的无源混频器4相连，通过阻抗的变换，将混频器前端的带阻特性映射到射频输入端，由于所述的低噪声跨导放大器2在不同频率下负载不同，从而其增益也会随着频率发生变化，在载波处增益低，在信号处增益高，从而实现对载波的抑制作用。
11.所述的无源混频器4，用于将低噪声跨导放大器2输出的射频信号下混频器到基带，此解调过程使用正交解调，可以得到同向输出与正交输出，这种方式可以避免本振与射频输入相位不确定带来的下混频信号衰减的问题。并且，在其阻抗映射的作用下，基带的带通阻抗特性可以被映射到射频端形成以本振频率为中心的带阻特性。
12.所述的二分频器5，用于将外部的两倍载波频率的输入时钟信号，进行二分频，产生非交叠的方波信号，来控制无源混频器4的导通和关断，使无源得混频器4具备阻抗映射的功能。
13.所述的同向跨阻放大器6和正交跨阻放大器9，用于将无源得混频器4混频之后的基带电流信号转换为电压信号，并且其具有低通放大功能，滤除带外信号，放大带内信号；这里，同向跨阻放大器6、同向低通滤波器7与同向跨导放大器8构成同向反馈系统。正交跨
阻放大器9、正交低通滤波器10与正交跨导放大器11构成正交负反馈系统，用于抵消没有被反射的载波信号经下混频出来的直流分量，降低载波信号对电路的影响。
14.在无线通信系统中，射频输入端会接收到各种频率的大功率的阻塞信号，这些阻塞信号会严重影响接收系统的正常工作。以超高频射频识别系统为例，读写器和标签是其中的两大核心组件，二者通过电磁远场耦合的方式进行通信。在此系统中，读写器不仅需要发射信号，也需要接收信号。在接收阶段，发射机发射的载波信号以及标签调制返回的信号在经过环形器的隔离后，进入射频输入端口1。射频输入端口1之后连接的低噪声跨导放大器2及与之并联的有源负反馈电路3，可以将接收到的射频电压信号进行低噪声跨导放大，转换为射频电流信号。无源混频器4中的输入端口与低噪声跨导放大器2相连，本振信号通过二分频器5与无源混频器的另外一个端口相连，因而可以将射频信号下混频到基带，无源混频器4的同向输出端接到同向跨阻放大器6上，其将混频出来的基带电流信号低通放大为电压信号，同向跨阻放大器6的输出与同向低通滤波器7相连，而同向低通滤波器7的输出又与同向跨导放大器8的输入相连，同向跨导放大器8的输出与同向跨阻放大器6的输入相连。对于无源混频器4的正交输出端，则连接到正交通路上，正交跨阻放大器9、正交低通滤波器10和正交跨导放大器11组成与同向的结构完全一致。因此，在基带可以构成一个同向反馈回路和一个正交反馈回路，从而实现对信号的放大、对载波的抵消以及保证系统高灵敏度的性能。
15.本发明的核心在于低噪声跨导放大器2的引入，并与无源混频器4的阻抗映射特性的结合，不仅可以起到抑制系统噪声、提高灵敏度的作用，还可以通过两次阻抗映射在射频输入端形成带阻滤波，在载波处增益低、不匹配；信号处增益高、匹配良好，从而有效地抑制载波信号。
16.本发明实现对系统噪声的抑制，是通过在射频输入端引入一个低噪声跨导放大器2来实现的，其基于射频系统级联级的噪声系数的关系，如图2所示，该图为本发明中接收机前端系统的噪声系数分析简化，其中12代表系统的第一级放大器，13代表后级电路。具体而言，在级联系统中，每一级电路产生的噪声会随着其前级总的有用功率增益的增大而减小，也就是说在射频系统中，第一个系统的噪声占主要部分，且第一级的增益会抑制后面几级的噪声。因此，在混频器之前引入一级低噪声跨导放大器，其增益会直接降低后级电路噪声的贡献，有利于降低整个接收机的噪声系数。
17.本发明提出的带有阻抗映射功能的射频识别读写器接收机前端电路，首先是通过跨阻放大器、低通滤波器及跨导放大器构成的一个反馈环路，在基带形成一个带通特性的阻抗；紧接着，这个带通特性的阻抗，在无源混频器的阻抗映射的作用下，被映射到混频器之前，形成以本振信号为中心的带阻特性的输入阻抗；最后，低噪声跨导放大器自身的有源反馈特性进一步将此带阻特性映射到射频输入端。带内信号频率处为高阻，匹配良好，因此会被放大，而载波信号处阻抗低，匹配不好，因而会被衰减。依照这一原理，可以实现对大功率载波信号的抑制作用。
18.当读写器接收机工作的时候，整个接收机是将基带低频的阻抗特性，映射到射频端。通过无源混频器4的阻抗映射作用，将基带的低通特性的阻抗，映射到以本振频率为中心的射频端，形成对称的带阻特性的阻抗。在低噪声跨导放大器2的有源负反馈电路3的作用下，此带阻特性会被映射到射频输入端，整个过程完成了从基带到射频输入端的阻抗映
射。射频前端引入低噪声跨导放大器的结构，与传统的用在超高频射频识别读写器中的接收机有很大的区别。当大功率载波信号和带内信号同时进入系统的第一级低噪声跨导放大器时，由于载波频率处和有用信号频率处的阻抗不同，有用信号频率处阻抗匹配信号大部分进入系统，而载波频率处阻抗不匹配，大部分被反射。在经过低噪声跨导放大器2进行跨导放大之后，电压信号转换为电流信号。此时在射频输入端，有用信号频率处为高阻，与源阻抗匹配，信号被放大；载波信号频率处为低阻，与源阻抗不匹配，从而被抑制。
附图说明
19.图1为本发明带有阻抗映射功能的高灵敏度抗阻塞接收机前端电路的结构示意图。
20.图2为本发明中接收机前端系统的噪声系数分析简化图。
21.图3为本发明的接收机前端的阻抗映射示意图。
具体实施方式
22.下面结合本发明中的接收机前端电路的结构示意图，对本发明的具体实例作进一步说明。
23.如图3所示，以具有载波抑制功能的高灵敏度超高频射频识别接收机为例，当整个接收机前端正常工作时，其中的基带部分的跨阻放大器6、9为低通特性，而从其输出端到输入端引入了一个低通滤波器7、10和一个跨导放大器8、11形成了一个负反馈回路。其中低通滤波器7、10的截止频率远低于跨阻放大器6、9的截止频率，主要是让靠近直流部分的载波下混频信号通过，之后经跨导放大后抵消。在这三部分的共同作用下，基带形成了一个带通特性的阻抗，在带内信号频率处阻抗高，而在带外阻抗低。二分频器5正常工作时，可以提供给无源混频器4非交叠时钟，控制混频器的导通和关断，因而输入信号就可以对基带信号进行充放电，从而使得基带的带通特性阻抗被映射到混频器之前形成射频带阻特性阻抗，其中心频率为本振频率。之后，此射频带阻特性阻抗在带有源负反馈电路3的低噪声跨导放大器2的阻抗映射下，被进一步映射到射频输入端。
24.当大功率的载波和有用信号同时进入接收机系统时，由于载波频率处和有用信号频率处的阻抗不同，有用信号频率处阻抗匹配大部分进入系统，而载波频率处阻抗不匹配，大部分被反射。进入低噪声跨导放大器2进行跨导放大时，电压信号转换为电流信号。此时有用信号频率处负载为高阻，信号被放大，载波信号频率处负载为低阻，从而被抑制。有用信号在经过下混频之后进入基带，被跨阻放大器6、9再次放大，而载波信号下混频出的直流分量，经过跨阻放大器6、9，低通滤波器7、10和跨导放大器8、11构成的反馈网络之后，在基带中被抵消掉，因而可以让接收机保持实现良好的载波抑制特性。最重要的是，由于在射频的第一级引入了低噪声跨导放大器2，其提供的射频增益可以实现对后级噪声的抑制，从而可以降低系统的噪声系数，进而提高接收机的灵敏度和动态范围。
25.本发明利用无源混频器的阻抗映射功能以及低噪声跨导放大器的有源负反馈功能，将基带处的阻抗特性映射到以本振频率为中心的射频端，从而在射频输入端等效形成一个射频滤波器，使得阻塞信号频率处不匹配而被反射。另外一方面，剩余的没有被反射的阻塞信号进入系统后，由于从混频器输入端看进去的阻塞频率信号的阻抗远低于带内信号
频率阻抗，低噪声跨导放大器在带内信号频率处相比于阻塞频率处有更大的增益，从而可以进一步提高对阻塞信号的抑制能力。并且，位于接收机第一级的低噪声跨导放大器可以提供一定的射频增益来有效地抑制后级电路的噪声，因此，可以保证在具备良好的阻塞抑制能力的前提下，进一步提高整个系统的灵敏度和动态范围。