面向智慧農業多頻多模無線通信的寬帶射頻接收機前端電路設計

摘" 要：智慧農業作為高度現代化的新型農業模式，是推動農業新質生產力發展的重要支撐。智慧農業通過大量農業生產數據的收集、傳輸、分析和處理，實現信息共享和協同作業。為滿足智慧農業物聯網（IOT）無線通信設備低成本、小型化、兼容多種通信協議、信號高保真度和低功耗的發展需求，針對智慧農業物聯網技術中3G/4G/5G、LoRa、NB-IOT、ZigBee、Wi-Fi、藍牙（Bluetooth）和RFID等通信協議應用，設計一款可以兼容上述多種頻段、多種模式無線通信的寬帶（0.8～5.2 GHz）射頻信號接收機前端電路。基于0.18 μm CMOS設計工藝，電路采用電流模式直接下變頻結構，由寬帶有源巴倫低噪聲跨導放大器（LNTA）、電流模式無源混頻器及低輸入阻抗的跨阻放大器（TIA）組成，具有良好的轉換增益和線性度，提高了對帶外干擾的魯棒性。通過噪聲和失真消除技術提高降噪性能，采用寬帶共柵-共源（CG-CS）LNTA和電流鏡技術來實現更好的輸入阻抗匹配和提高電路增益。采用分別由占空比為50%的I、Q 兩路本振信號驅動的開關管串聯實現的25%占空比開關混頻級，與50%占空比開關混頻級相比，下變頻增益提高3 dB，降低噪聲系數。跨阻放大器采用跨導增強技術實現低輸入阻抗和高跨阻增益，提高電流利用效率和線性度。設計的核心電路（射頻和基帶信號路徑）功耗為24.6 mW，在0.8～5.2 GHz工作頻帶內的電壓轉換增益為33.5～35.1 dB，噪聲系數（NF）為7.9～9.28 dB，輸入三階交調點IIP3為7.82～9.93 dBm。設計的高性能接收機前端電路可廣泛應用于智慧農業物聯網各類需要無線通信的設備電路中，助力農業生產的信息化、集約化、自動化和智能化升級。

關鍵詞：智慧農業物聯網；無線通信；寬帶；電流模式；射頻接收機前端

中圖分類號：TN402 文獻標志碼：A" " " " " "文章編號：2096-9902（2025）06-0001-09

Abstract： Smart agriculture， as a highly modernized novel agricultural model， constitutes a significant support for promoting the development of new-quality productivity in agriculture. Through the collection， transmission， and analysis of a vast amount of agricultural production data， smart agriculture realizes information sharing and collaborative operations. To fulfill the development requirements of low cost， miniaturization， compatibility with multiple communication protocols， high signal fidelity， and low power consumption for wireless communication devices in the Internet of Things （IoT） of smart agriculture， and in view of the application of communication protocols such as 3G/4G/5G， LoRa， NB-IOT， ZigBee， WiFi， Bluetooth， and RFID in the IoT technology of smart agriculture， a front-end circuit of a broadband radio frequency signal receiver that can be compatible with multiple frequency bands and multiple modes of wireless communication mentioned above has been designed. A wideband（0.8～5.2 GHz） CMOS current-mode RF direct downconversion receiver front-end architecture is proposed in this paper， which consists of a low noise transconductance amplifier （LNTA） ， a passive mixing stage and a transimpedance amplifier （TIA）. The low noise transconductance amplifier uses a common gate-common source（CG-CS） parallel structure， noise and distortion cancellation technology and current mirror technology. The passive mixer adopts orthogonal mixing structure and is driven by 25% duty cycle orthogonal local oscillator（LO） signal to avoid the IQ interaction problem and further worsens the linearity and noise of the passive mixer. Compared with the 50% duty cycle switching mixer stage， the down-conversion gain is increased by 3 dB. The gm-boosting technique is adopted in TIA to achieve low input impedance and high gain， which improves the current utilization efficiency and linearity. Simulation results show that the core circuit consumes 24.6 mW， and the prototype receiver achieves approximate 33.5～35.1 dB conversion gain， 7.9～9.28 dB NF， and 7.82～9.93 dBm IIP3 from 0.8 to 5.2 GHz. The designed high-performance receiver front-end circuit can be widely applied in various wireless communication device circuits required for the Internet of Things in smart agriculture， facilitating the informatization， intensification， automation， and intelligent upgrading of agricultural production.

隨著科技的進步，農業發展正逐步從傳統的機械化生產向智慧化升級。智慧農業是將現代信息技術、物聯網、云計算和大數據等技術深度融合并應用到農業生產中，實現遠程監控、災變預警、可視化遠程診斷和智能決策等，從而助力高效化、自動化、信息化和智能化農業高水平管理。無線通信技術是智慧農業物聯網發展的關鍵，準確、有效的信息傳輸和信號反饋可以確保農業生產的高質高效發展。實現智慧農業物聯網各節點之間無線通信的信號發射和信號接收設備在數字智能化升級中發揮著核心作用（圖1）。針對智慧農業物聯網技術中3G/4G/5G、LoRa、NB-IOT、ZigBee、Wi-Fi、藍牙（Bluetooth）和射頻識別（RFID）等多種不同通信協議應用，射頻（RF）信號接收機前端電路的設計需要滿足兼容上述多種模式、多種頻段的性能要求，覆蓋多個無線通信標準頻段，實現不同通信協議之間真正的多網融合。寬帶射頻接收機前端電路能夠支持多種通信協議，可根據農業生產復雜多變的實際工作環境狀況選擇切換至合適的通信網絡，實現自由、快速、便捷通信，更好地滿足智慧農業無線通信設備低成本、小型化、兼容多種通信協議、信號高保真度、低功耗的發展需求。

在智慧農業無線通信接收設備的集成電路設計中，傳統的電壓模式寬帶射頻（RF）接收機采用低噪聲放大器（LNA） +有源混頻器（Mixer）的結構，射頻信號經過電壓-電流之間的2次相互轉換，線性度較差。此外，電壓模式電路中Gilbert有源混頻器開關管中由偏置電流所產生的噪聲會惡化整個接收機的噪聲性能。電流模式（低噪聲跨導放大器+無源混頻開關級+跨阻放大器）射頻接收機前端電路結構可以在較寬頻帶內實現較高的增益、線性度，較低的噪聲和功耗。國內外關于寬帶電流模式RF接收機前端電路性能優化的研究設計一直在進行中。Das等[1]在2020年研究設計了一款四相無源混頻器輸入射頻接收機，采用共柵跨阻放大器（CG-TIA）代替傳統的并聯反饋放大器TIA，文中提出的TIA使用4個晶體管將電流復用與交叉耦合跨導增強相結合，從而實現在低功耗下降低噪聲系數（NF）。2022年，Razavi等[2]設計的寬帶射頻接收機采用嵌套反饋多環路電路結構來改善噪聲和線性度之間的性能折中平衡，通過在基帶運放電路中加入密勒電容來抑制由晶體管電容引起的帶寬限制。2023年，蔡麗瑩[3]在面向物聯網的Sub-GHz低功耗低噪聲CMOS接收機研究中采用互補型電阻反饋調諧LNA，通過引入電阻陣列來調節跨阻放大器（TIA）的增益，實現在0.1～0.95 GHz頻帶增益可調（-16～90dB），噪聲系數為1.7～4.3 dB。Kejian Shi等[4]對抗阻塞混頻器輸入射頻接收機中的二階跨阻放大器進行研究，采用一個運算放大器消除TIA輸出傳遞函數的低頻零點，利用二階濾波來產生最佳的阻塞容限。在65 nm RF-SOI CMOS工藝下混頻器輸入RF接收機工作頻率為1～7 GHz，帶外IIP3為+31.1 dBm，帶外1 dB壓縮點為+11.8 dBm。2024年，王鑫華等[5]設計了一種0.1～4 GHz寬帶抗干擾射頻接收機，針對直接下變頻接收機電路結構存在的干擾問題，增加了連續可調的電流注入式直流失調校準電路以及無源混頻開關管本振相位調節校準。

為了達到較高的性能要求，本文采用電流模式來設計面向智慧農業多模式多頻段無線通信應用的寬帶射頻接收機前端電路。電路結構如圖2所示。采用低噪聲跨導放大器（LNTA）驅動電流模式無源混頻器，該混頻器的輸出端連接具有低輸入阻抗的跨阻放大器（TIA）。由天線接收到的信號被發送至低噪聲跨導放大器，LNTA的設計需要考慮輸入阻抗、跨導增益、噪聲和負載阻抗之間的性能折中平衡。同時，LNTA將從天線接收的電壓信號轉換為電流信號并發送到電流模式無源混頻開關級。由于電流模式無源混頻開關級沒有靜態電流，該電路結構的閃爍噪聲會顯著降低。經過混頻、濾波后，信號電流進入TIA進行電流-電壓轉換和中頻信號放大。下變頻之后的TIA電路可以通過增加其器件尺寸來減少閃爍噪聲，并通過消耗更多電流來減少熱噪聲，進一步優化噪聲性能。對于電路的線性度，相比于吉爾伯特單元混頻器和電壓模式無源混頻器存在的因大電壓擺幅造成失真問題，本文的電路結構采用TIA虛地設計從而大幅度降低了線性度的失真。

1" 電路設計

1.1" 低噪聲跨導放大級（LNTA）的設計

在面向智慧農業無線通信應用的射頻接收機結構中，低噪聲放大器（LNA）的增益、噪聲系數和線性度將顯著影響整個系統的性能。由于天線和射頻濾波器是單端輸出，LNA的輸入通常是單端的，但LNA之后的電路如混頻器則需要雙端輸入來抑制襯底噪聲、寄生耦合和提高動態范圍，因此本文設計了一種帶有有源巴倫的寬帶低噪聲跨導放大級實現單端信號輸入、全差分輸出（圖3）。

電壓模式LNA中存在的高阻抗節點會導致電路帶寬受到限制，工作電壓升高，且電壓模式LNA由于輸出端的電流-電壓轉換而使噪聲性能惡化并降低了線性度。為了消除輸出端的電流-電壓轉換，本文設計了電流模式LNTA，該電路結構的內部節點阻抗和電壓擺幅較小，因此對電壓裕度的要求較低。所設計的LNTA在帶寬、噪聲、轉換速率和失真等方面相比電壓模式LNA具有更好的性能。

LNTA電路第一級為共柵-共源（CG-CS）并聯結構，在圖3中，共柵晶體管M1作為輸入級提供寬帶匹配。由共柵輸入結構的小信號模型可以得出輸入阻抗Zin為

式中：gm1和Cg s1分別是M1的跨導和柵源寄生電容，ro是晶體管的本征輸出阻抗。通過調整M1的寬長比及其偏置電流，可實現很寬頻帶內的輸入匹配。一個截止頻率為0.8 GHz的簡單高通濾波器由隔直電容C1和電感Ls組成。當工作頻率增加且gm1＞＞ωCgs1時，輸入阻抗Zin的實部近似由1/gm1決定，因此只要1/gm1=50 Ω，就可以實現共柵結構中的寬帶輸入匹配。

1.1.1 噪聲消除技術

寬帶LNTA需要具有盡可能小的噪聲系數，圖4為寬帶LNA的噪聲消除簡化電路原理圖，采用共柵（CG）級M1提供輸入匹配，同時利用共源（CS）級M2來抵消共柵級的噪聲，M1產生的噪聲可以被共源級M2抵消，打破了輸入阻抗匹配和噪聲系數（NF）之間的折中關系，實現獨立的電路噪聲系數優化。

為了分析噪聲消除原理，假設NMOS晶體管M1的主要噪聲來源是其溝道熱噪聲，并將其建模等效為電流源in1。一部分噪聲電流流入信號源內阻Rs，同時流出到M1的負載電阻R1，在共柵晶體管M1的源極和漏極節點處產生2個相位相反、完全相關的噪聲電壓。在共柵級的輸出端，即節點A處，由M1引起的輸出噪聲電壓為Vn，A，在共源級的輸出端，即節點B處，由M1引起的輸出噪聲電壓為Vn，B，如果Vn，A=Vn，B，噪聲電壓在電路差分輸出端變為了共模信號，則共柵晶體管M1的溝道熱噪聲貢獻可以被抵消。噪聲消除條件為R1=Rsgm2R2。

同時，信號源電壓？淄in經過放大器輸入電阻的衰減之后，在節點A處實現同相放大，增益為gm1R1，并通過共源級實現反相放大，增益為-gm2R2。因此，當噪聲被完全消除，且輸入阻抗完全匹配時，放大后的信號輸出是平衡穩定的。與單獨的共柵放大器單端輸出相比，此電路的增益增加了約一倍。信號電壓增益如下所示

因此，在CG-CS電路結構中可以同時獲得噪聲消除、穩定輸出和信號放大。

此外，電路阻抗匹配的條件為Zin=1/gm1=Rs。可以得出CG-CS噪聲抵消結構的噪聲系數

1.1.2 PMOS電流鏡

本文采用PMOS電流鏡來實現放大和電流輸出功能，由M5—M12組成，并在PMOS電流鏡中加入串聯電感Lgg以提高電流鏡的高頻性能，擴展LNTA的工作帶寬。由圖5可知，引入電感Lgg不會影響電流鏡的電流傳輸增益，但改善了高頻特性，使電路的寬帶性能更好。

采用0.18 μm CMOS工藝對所設計的有源巴倫電流模式LNTA進行仿真。圖6顯示了S21的仿真結果，在0.8～7.5 GHz頻帶內S21為16.5～18.1 dB，較優的S21可以提高整個接收機的增益性能，且抑制后級的噪聲。從圖7可以看出，S11在整個頻帶內小于-10 dB，有良好的寬帶輸入匹配特性。如圖8所示，該電路在頻帶內的噪聲系數低于3.8 dB，表明該電路具有較好的噪聲性能，可以更好地適應復雜環境下智慧農業無線通信射頻接收機設計要求。

1.2 無源混頻級的設計

面向智慧農業無線通信應用的直接下變頻接收機需解決的一個重要問題是閃爍噪聲。與有源混頻器相比較而言，無源混頻器的開關晶體管因沒有偏置電流可以降低閃爍噪聲。本文中，采用正交采樣混頻器拓撲結構，通過50%占空比的正交LO信號實現25%占空比信號。25%占空比的LO信號設計方案在任意一個時間節點上可以提供I和Q電流路徑之間的隔離，并且25%占空比的增益比50%占空比高3 dB，從而有效防止轉換增益降低以及隨之而來的NF增大，同時節省了功耗。

1.2.1" 25%占空比本振（LO）信號產生電路

本文通過采用無源混頻器開關管邏輯“與”來提供25%占空比的LO信號，代替傳統的LO信號產生電路。具體來說，分別由50%占空比的I、Q 兩路本振信號驅動串聯結構的開關管，實現I、Q脈沖無重疊的開關管切換混頻器。由于前一級與后一級電路分別采用了低噪聲跨導放大器負載阻抗增強技術和寬帶低輸入阻抗跨阻放大器，由正交采樣所導致的導通電阻的增加不會明顯影響接收機的性能。

圖9（a）為采用雙端射頻輸入的25%占空比開關混頻級。雙平衡拓撲具有抑制LO饋通以及降低LO電路生成噪聲的優點。雙平衡結構由于自混頻的減弱改善了IIP2性能。圖9（a）中的開關混頻級拓撲通過分別將具有1/4周期相對延遲的2個50%占空比的I、Q本振信號驅動串聯結構的開關管進行邏輯“與”運算來實現25%的占空比。圖9（b）顯示了正交開關拓撲邏輯“與”運算的時序圖。混頻級選擇PMOS管作為開關晶體管，通過邏輯運算，在本振信號VLO為低電平即邏輯“0”時，PMOS晶體管導通，2個晶體管串聯相當于邏輯“與”，可以得到

由式（4）可知，由LOIP和LOQP控制的串聯結構開關晶體管，只有在LOIP和LOQP均為低電壓時通路才導通，即僅在25%的本振周期內導通，從而消除了50%占空比無源混頻級的I-Q串擾問題。此外，25%占空比開關混頻級的輸出端接有濾波電容C，使來自LNTA的射頻信號近似交流接地，也有利于向跨阻放大器注入中頻（IF）電流。

1.3 基帶跨阻放大級（TIA）的設計

智慧農業無線通信射頻接收機中的跨阻放大級（TIA）將下變頻電流轉換為電壓，通過設置非常小的輸入阻抗使得電流型無源混頻器正常工作。TIA設計的關鍵是在不消耗過多功耗的情況下實現高增益、寬帶寬以及保持低輸入阻抗。傳統的解決方案采用具有密勒補償和調零電阻的兩級運算跨導放大器（OTA），為了獲得TIA低輸入阻抗，OTA需要消耗大量的功耗來實現大的增益帶寬積（GBW），同時保持閉環穩定性。此外，Miller補償方法會降低TIA的單位增益頻率，TIA輸入阻抗表現出電感特性，使得由帶外干擾導致的信號擺幅增加。

本文采用共柵結構跨阻放大器（CG-TIA）。典型的CG-TIA如圖10所示，混頻后的電流流入共柵CMOS晶體管M1、M2的源極，然后通過負載電阻R1、R2轉換成中頻（IF）電壓輸出。但是圖10所示的常規CG-TIA電路結構的輸入阻抗較大，由于其輸入阻抗是由CMOS晶體管的跨導提供的，其表達式為1/gm1，如果想要較小的輸入阻抗，需要設計很大的跨導gm1，這在實際設計過程中很難實現。另外，利用共柵電路將電流轉換為中頻電壓，跨阻增益為負載電阻阻值RL。由于RL的引入會對電壓裕度消耗很大，電路線性度變差，因此負載電阻RL無法選擇較大的值，而過小的RL會導致跨阻增益大幅下降。

1.3.1 跨導增強技術的共柵跨阻放大級

基于以上問題分析，本文設計了一種具有跨導增強（gm-boosting）結構的CG-TIA，由主運算放大器、輔助運算放大器DP、DN和共模反饋電路A1組成，如圖11所示。引入輔助放大器形成跨導增強（gm-boosting）結構，提高輸入晶體管的等效跨導，從而降低輸入阻抗，進一步提高了電流利用效率和端口隔離度。同時，共柵跨阻放大器的負載采用跨導增強（gm-boosting） PMOS晶體管以提高線性度和電壓裕度，且較大的輸出阻抗有助于提高跨阻增益。DP、DN為電流復用折疊式共源共柵輔助運算放大器，A1可以保持電路靜態工作點穩定。

gm-boosting的原理如圖12所示，輔助放大器的輸入信號為晶體管M1的源極電壓，輔助放大器的增益為Av，放大器的輸出信號控制M1的柵極。假設M1源極的交流電壓變化為vin，通過輔助運算放大器將其放大為A？淄？淄in，則M1柵極、源極之間的電壓表示為

因此，gm-boosting技術可以降低等效輸入阻抗，提高從混頻級到TIA級的電流利用效率。同時還可以增大PMOS共源共柵級聯結構的中頻輸出阻抗，從而提高跨阻放大級的增益。對于TIA電路，需要分別為NMOS晶體管M1、M2和PMOS晶體管M5、M6設計輔助放大器。PMOS模式輔助放大器DP的增益為Ap， NMOS模式輔助放大器DN的增益為An。在圖11中，無輔助放大器的跨阻放大級的輸出阻抗可以表示為

式中：Ap為（1+N）gmdp1a[gmdp7ro7dp（ro１adp||ro３adp）||gmdp９ro９dpro11dp]，gmdp1a為DPM1a的跨導，gmdp7，gmdp9分別為DPM7、DPM9的跨導，ro1adp，ro３adp，ro７dp，ro９dp，ro11dp分別為DPM1a、DPM3a、DPM7、DPM9、DPM11的輸出電阻；An為（1+N）gmdn1a[gmdn７ro７dn（ro１adn||ro3adn）||gmdn9ro9dnro11dn]，其中gmdn1a為DNM1a的跨導，gmdn7，gmdn9分別為DNM7、DNM9的跨導，ro1adn，ro3adn，ro7dn，ro9dn，ro11dn分別為DNM1a、DNM3a、DNM7、DNM9、DNM11的輸出電阻。Gm，LNTA為低噪聲跨導放大器的跨導增益。

1.3.2" 輔助運算放大器電路分析

如圖13所示，輔助運算放大器DP和DN可以采用電流復用折疊式共源共柵運放電路結構。輔助運算放大器DP的輸入晶體管DPM1a、DPM1b、DPM2a、DPM2b與TIA主放大器中的輸入晶體管M1、M2的源極相連，TIA主放大器的信號被輔助運算放大器DP放大，然后流入M1和M2的柵極。DP為工作在飽和區域的M1和M2提供偏置電壓，因此不需要太大的輸出擺幅。如圖13所示，DN的電路結構與DP的電路結構相似。

以DP為例，其中輸入晶體管DPM1a、DPM1b（或DPM2a、DPM2b）尺寸相等，N為電流鏡DPM3a（或DPM4a）和DPM3b（或DPM4b）的尺寸比例，與傳統的折疊式共源共柵運放相比，通過引入電流復用技術，電路跨導增大了（1+N）/2倍。經過仿真分析，考慮電路系統穩定性，N取較優值為3。

圖14為輔助運算放大器DP中由晶體管DPM4a、DPM4b組成的電流復用電流鏡電路的小信號等效電路圖，由圖14分析可得

由上面3個公式，可得出電流復用電流鏡的電流傳輸表達式為

系統零點為ωz=-1/RCgsdp4b，當滿足ωz=ω′p2時，可得出合適的R值R=（N+1）/gmdp4b，使得系統的零點取消新的第一非主極點，此時電路的非主極點仍然是傳統的折疊式共源共柵運放結構中DPM8（DPM10）源極處所產生的極點。因此為了實現在不增加功耗的情況下提高輔助運放的工作帶寬，取合適的電阻R值，可以取消因引入電流復用電流鏡所產生的新增第一非主極點，提高了輔助運放的相位裕度和帶寬。

1.3.3" 跨阻放大級零極點分析

為了便于分析，將跨阻放大級（圖11）的主電路視為包含2個極點的傳輸系統，傳輸函數為

跨導增強技術中引入的輔助運算放大器電路視為包含一個極點的傳輸系統，傳輸函數為

加入跨導增強技術輔助運放的共柵跨阻放大級總電路的傳輸函數可表示為

式中：Am0為共柵跨阻放大級（圖11）主電路的低頻直流增益，Ab0為跨導增強技術輔助運放的低頻直流增益，ω1是共柵跨阻放大級主電路的主極點，由TIA電路的輸出電阻與輸出負載電容決定，ω2是TIA主電路的非主極點，由晶體管M1（M2）的源端所產生的寄生電容決定。ω3是由輔助運算放大器的輸出電阻與輸出負載電容決定。

共柵跨阻放大級主電路的單位增益帶寬附近由于引入跨導增強技術輔助運放會產生零極點對，為了提高TIA在高頻處的穩定性，在輔助運放輸出端加入補償電容C1、C2，如圖11所示，使得輔助運放產生的零點抵消極點，從而降低由輔助運放產生的零極點對TIA相位頻率特性的影響。零點抵消極點之后的跨阻放大級總電路的傳輸函數可表示為

式（20）和式（15）對比可知，加入輔助運放后，增益增大了Ab0倍，跨阻放大級電路的非主極點未變，不會影響整個電路的相位頻率特性。

根據以上分析，設計的基于gm-boosting技術的TIA增大了輸入晶體管的等效跨導，從而實現低輸入阻抗，TIA可以盡可能多地吸收來自混頻級的中頻（IF）電流，電流利用率大大提升。同時，使得TIA輸入端的電壓波動小，減少了中頻信號向LNTA輸出端的饋通，電路線性度和端口隔離度得到改善。此外，gm-boosting結構增加了跨阻放大級的輸出阻抗，提高了TIA的轉換增益。

2" 仿真與分析

本文采用TSMC 0.18 μm射頻工藝設計了應用于智慧農業無線通信的電流模式直接下變頻射頻接收機前端電路，并在Spectre射頻仿真器上驗證了其性能。在1.8 V電源電壓下，電路能夠穩定工作在0.8～5.2 GHz頻率范圍內。當本振頻率為0.8、1.1、2.5、4和5 GHz時，接收機前端電路的轉換增益在33.5～35.1 dB之間，達到較高的轉換增益，如圖15所示。根據圖16仿真曲線可知在較寬的工作頻帶內增益波動小于2 dB，RF接收機前端電路實現平穩放大。圖17和圖18顯示了噪聲系數（NF）的仿真結果，0.8～5.2 GHz頻帶內噪聲系數約為7.9～9.28 dB，NF最小值是在本振頻率為1.5 GHz時獲得。RF接收機前端電路的IIP3在本振頻率為2.53 GHz時其值為8.74 dBm，仿真結果如圖19所示，在工作頻帶內IIP3為7.82～9.93 dBm，如圖20所示，表現出較優的線性度。設計的前端電路功耗為24.6 mW。由于整個電流模式射頻接收機前端電路由三級電路結構組成，其較高的電路增益會有利于減弱增益、噪聲系數的波動。

在表1中，a標注表示文獻[6]中仿真的是輸出三階交調OIP3性能參數；b標注表示文獻[7]中的增益仿真結果除了低噪聲放大器和混頻器，也包含了低通濾波器和可編程增益放大器產生的增益；c標注表示文獻[9]中電路工作在本振諧波抑制的fLO轉換模式（DBMamp;HR）下的仿真結果；d標注表示文獻[9]中電路工作在本振諧波抑制的2fLO轉換模式（SHM）下的仿真結果。

由表1可知，本文與其他已發表的相關研究相比，在較低的功耗下，電路的帶寬、增益和線性度性能有較大提升。可以兼容智慧農業中3G/4G/5G、LoRa、NB-IOT、ZigBee、Wi-Fi、藍牙（Bluetooth）和RFID等多種通信協議應用，滿足設備集約化、低成本的需求。在復雜多變的農業生產環境中，面對不同的地域、氣候、作物種類等因素差異，較優的增益和線性度可以更好地接收、處理微弱信號，提高信號的保真度和穩定性。

3" 結束語

本文設計了一種面向智慧農業無線通信的寬帶（0.8～5.2 GHz） CMOS電流模式直接下變頻射頻接收機前端電路，由低噪聲跨導放大器（LNTA）、無源混頻器和跨阻放大器（TIA）組成。共柵-共源（CG-CS）并聯結構的LNTA采用了噪聲失真消除技術和電流鏡技術。無源混頻器是一種正交混頻器結構，采用25%占空比的正交本振（LO）信號來避免IQ相互串擾問題，從而避免線性度和噪聲性能的惡化。跨阻放大器（TIA）通過跨導增強（gm-boosting）技術實現低輸入阻抗和較高增益。仿真結果表明，當電源電壓為1.8V時，在0.8～5.2 GHz工作頻帶內，射頻接收機前端電路實現了約33.5 dB～35.1 dB的增益。輸入三階交調IIP3為7.82～9.93 dBm，噪聲系數NF為7.9～9.28 dB，功耗為24.6 mW。所設計的高性能接收機前端電路可廣泛應用于智慧農業物聯網各類多模多頻無線通信的設備電路中，助力農業生產的信息化、集約化、自動化、智能化升級，有利于提高生產效率、優化資源利用、提升農產品品質、降低人力成本、增強環境可持續性，推動農業新質生產力加快發展。

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基金項目：廣西高校中青年教師（科研）基礎能力提升項目“CMOS電流模式射頻接收機前端電路的設計與研究”（2022KY1012）

第一作者簡介：陳新菡（1990-），女，碩士，講師。研究方向為模擬集成電路設計，電子與通信工程。