关键词： 逆散射通信   可控超材料   物联网系统   近距离隔离  

摘要： 最近基于可控超材料的逆散射通信系统屡见报道,由于其对电磁波有良好的操控能力,该系统被用于多种无线网络应用中。然而目前的逆散射系统在可控超材料表面附近需要部署一个激励源。而激励源的存在使该系统的通信节点功耗剧增,这导致了目前的逆散射系统不适用于物联网等节点低功耗应用场景。本文提出了一种适用于物联网的单站式节点低功耗逆散射通信系统,并分析了该系统下产生的关键问题。该系统虽然具有功耗低、灵活性好、接入性强、适用于物联网等优点。但相对于传统无线通信系统,该系统存在调制信号功率强度变低、近距离隔离需求高、调制效率需求高等问题。另外,由于该系统为单站式构架,其对应的信道模型也与传统点对点通信系统不同。针对上述问题,本文一一进行了分析、提出了解决方案,并进行了实验验证。首先对该系统的电波传播过程进行理论推导。根据理论结果对特定场景进行了仿真并得出了该系统路径损耗远高于点对点通信系统的结论。其次,针对近距离隔离的问题提出了解决方案,并利用频率选择表面结合遗传算法实现了近距离隔离。再次,对高效率调制表面进行了设计,分析、优化、制作与实测,实现了符合该系统特殊要求的低功耗高效率表面。在解决了上述关键问题后,设计、实现了该系统的验证系统,并在真实环境完成了通信实测。本研究实现了一种超低功耗物联网系统,其通信节点的发射功耗仅为微瓦级别。并对这种系统的关键问题进行了较为深入的研究,为该系统的实用与后续研究奠定了理论基础。

关键词： 低功耗   数据可靠传输   物联网云平台   远程升级   人员监测  

摘要： 人员监测系统在我们生活中十分常见,例如道路交通、社区安防、边疆国防等领域都有着广泛的应用。传统的光感传感器监测方式很容易受到烟雾、雨雪等天气的影响,而且大多数设备间采用开放式数据交互,容易造成数据的窃取和篡改。此时,开发一种不受周围环境影响、低功耗且数据安全的人员监测系统,用以满足多场景的需求具有十分重要的实际意义。毫米波的波长较短,具有抗干扰能力强、携带信息量大的特点,而且毫米波雷达具有保护用户隐私的优点,在汽车、安防等领域广为使用。本文采用毫米波雷达传感器作为数据采集设备,数据通过可靠传输方案发送至ESP32主控板,主控板将数据解析、处理后,分别发送给物联网云平台、存储设备和Web前端。同时,用户可以通过主控板对传感器、舵机、存储设备等外设进行控制,物联网云平台又将数据透传给系统服务器,用户登入系统后,可以实时查看监测信息、历史消息、设备日志等数据。该系统适用于全天候、全天时室外安防,比如边疆国防、厂区监测、站台监控等。在本次设计中,作者的主要工作由硬件设计和软件功能设计及实现两个部分组成。主要内容有:人体定位算法流程设计,并对算法进行优化;设备间数据可靠传输方案设计,包括数据加密方案和SPI(Serial Peripheral Interface)可靠传输协议两部分。有效保证用户的数据安全,填补了SPI协议无检错机制的漏洞;设计低功耗方案,通过主控模块自身的模式切换和传感器的电源控制,延长了系统的续航能力;增加多种舵机控制系统,提高了舵机旋转精度,方便设备的安装和调试;设计远程固件升级系统,包括设备端和控制平台的实现,为管理员更好的控制设备固件版本提供便利;云服务器的开发,搭建了物联网平台、建立系统服务器、设计数据库、前端界面等工作,用户可以通过浏览器查阅监测节点信息以及历史记录。最后对系统进行了测试。先是通信功能和传感器性能进行测试,然后对低功耗设计和舵机精度控制方案进行测试,分别从主控端、物联网云平台和云服务器三个部分,对系统的整体性能和功能进行了测试。实验结果表明,低功耗方案可以降低系统能量消耗49%以上;舵机精度控制方案可以将舵机的误差控制在2个步进内,即0.176°,而且有85%的概率达到0误差,有效地提高了舵机的旋转精度,提高了系统的准确度。

关键词： 低压差线性稳压器   低功耗   低静态电流   快速瞬态响应   采样保持  

摘要： 随着微电子技术以及半导体工艺的迅猛发展,5G、物联网设备(Internet of Things,Io T)和新能源汽车已经从一个新兴概念走进更为全面更为多样化的应用中。电源管理类芯片在各类用电设备的正常运行过程中,起到至关重要的作用。高性能低功耗低压差线性稳压器(Low-Dropout Regulator,LDO)以其性能良好、封装小巧和成本低廉等优点在消费电子以及未来更多的物联网设备上更具有发展空间。 针对目前低功耗物联网设备和可穿戴设备上对长久待机,以及高效利用电池的需求,本文基于0.18μm CMOS集成电路工艺,设计了一种高性能低压差快速瞬态响应线性稳压器。 在系统层设计方面,本文在传统LDO的基础上,引入了数字时钟信号,通过采样保持电路采样基准电压和电流镜栅压,在保持阶段关闭基准电压和基准电流产生电路,使部分电路开启占空比不到1.5%,很大地程度上节约了平均功耗;其次,用10 n A假负载尾电流源代替传统结构中的反馈电阻结构,并通过拆分功率管和引入平滑过渡缓冲级,在保障主环路性能的同时,降低了静态导通电流。 在低功耗模块设计方面,提出了一种新型结构的带隙基准源、欠压锁存电路和低功耗振荡器,巧妙的利用了MOS管的阈值特性进行设计,节约了电阻版图面积,降低了静态电流消耗,并具有一定温度补偿作用;其次,在主环路中引入平滑过渡缓冲级,在保障主环路性能的同时降低静态导通电流减小功耗。 在瞬态响应方面,提出了一种新型的低功耗下环路补偿方法,提高了环路稳定性以及瞬态响应性能;其次,提出了一种瞬态提升自偏置电流源和快速响应回路,能在输出稳定时保持较低的静态电流消耗,并在负载瞬态变化时提高环路的瞬态响应性能。 最终对本设计进行版图设计和后仿真验证,并进行流片测试。结果表明,在2.8 V工作电压时,空载平均静态电流最大为147 n A;输出电压1.8 V,负载电流满载200 m A时,压差电压为205.6 m V,平均静态电流达171.7μA,电源效率约为89.7%;50 m A/μs下空载至满载的负载瞬态响应,过冲电压仅58.47 m V,恢复时长25.78μs,下冲电压为85.47 m V,恢复时长仅为8.53μs;整体芯片版图面积仅为0.55mm×0.65 mm。本文提出的设计架构和电路结构,在有效降低平均功耗的同时,实现了对负载变化的快速瞬态响应,满足设计要求。

摘要： “首款低功耗超宽带频率合成器”项目是成都市金天之微波技术有限公司在第七届“创客中国·创业天府”四川省中小企业创新创业大赛的参赛项目。该项目获得全省总决赛企业组一等奖的优异成绩。而在第七届“创客中国”中小企业创新创业大赛全国总决赛现场，该项目由于填补了国产高端频率合成器芯片的产品空白，解决了国内没有高端频率合成器技术的问题，获得了大赛评委的一致肯定。经过线上路演、专家打分、全程公证等环节，该项目获得了全国总决赛企业组三等奖的优异成绩。

关键词： 振动主动控制   电磁式惯性作动器   磁路设计   参数优化   温升测试  

摘要： 大型机电设备的振动控制具有重要的学术和工程应用价值。传统的振动控制技术主要依靠被动柔性隔振装置,难以隔离低频振动,而振动主动控制技术具有抑制低频振动的优势。电磁式惯性作动器作为一款振动主动控制系统的执行器,其具有响应快、体积小、结构紧凑、线性度好等优点,对20Hz-300Hz的振动控制有良好的效果,可用于大型机电设备的振动主动控制。国内对电磁式惯性作动器的研究较少,缺乏大力值低功耗的成型产品,制约了振动主动控制技术应用的发展。因此,开展大力值低功耗电磁式惯性作动器的研制具有重要的意义。本文针对大力值电磁式惯性作动器的功耗问题,采用两端对称布置双线圈的方案,深入研究了工作频带、输出力、功率、发热等因素,结合振动力学、电磁动力学等理论知识对相关公式进行理论推导,创新设计一款大力值、低功耗的电磁式惯性作动器。主要研究内容如下:(1)考虑质量、尺寸、装配、输出力值等条件,借助Maxwell等仿真软件,计算分析了7种磁路构型方案气隙中心的磁感应强度,确立双线圈磁路方案。对双线圈磁路中的各参数进行优化设计,获得最优尺寸。分析悬挂系统的参数对电磁式惯性作动器工作特性的影响,基于响应面优化法对悬挂系统的结构参数进行优化设计。完成了大力值双线圈电磁式惯性作动器的设计。(2)通过解析方法分析了电磁式惯性作动器的热损耗,推导了涡流损耗的表达式,为降低功耗提供理论分析。借助Maxwell、Icepak等软件对单线圈和双线圈两款电磁式惯性作动器进行电磁热耦合仿真,仿真结果表明双线圈惯性作动器功耗更低,在90 Hz频率下磁路的稳态温度低于永磁体的额定工作稳定,确保了作动器长期工作的可靠性。(3)根据设计,加工了一款电磁式惯性作动器样机。测试表明样机在额定电流下,20-300 Hz频率范围内输出力值达到了200 N,与之前研制单线圈作动器相比,单位电流下能够输出更大力值。对电磁式惯性作动器进行温升测试,90 Hz持续工作3小时,磁路温度小于48.8℃,远低于永磁体的额定工作温度。最终实现一款大力值、低功耗、低频宽带的作动器。

摘要： CEVA,Inc．宣布微控制器（MCU）集成电路设计领域的领导者中颖电子股份有限公司（Sino Wealth Electronic Ltd．）已经获得授权许可，在其主要针对白色家电和更广泛工业物联网（IIoT）市场的最新SH87F881X系列无线连接MCU中部署使用CEVA的RivieraWaves低功耗蓝牙5IP。

关键词： 相变存储器   相变材料   掺杂改性   高热稳定性   低功耗  

摘要： 随着5G、云计算和人工智能的发展,人类社会步入信息爆炸时期。冯·诺依曼体系结构中处理器缓存与动态随机存储器之间速度的不匹配成为限制计算速度和计算效率的重要技术瓶颈之一。相变存储器（Phase change random access memory,简称PCRAM）通过结晶状态和非晶状态之间的显著电阻差存储数据,具有高存储密度、快切换速度和良好可扩展性等优点,被认为是解决“存储壁”困境的最有前途的解决方案。随着研究人员不断地探索研究,发现PCRAM仍存在许多方面需要进一步优化:1)器件低功耗与高操作速度难以同时满足;2)相变材料超过结晶温度达到熔融温度时引发“热扩散”效应,导致器件相邻存储单元材料相变,进而使得信息存储误操作;3)PCRAM在高温条件下无法保持工作良好的稳定性和可靠性;4)相变材料晶化前后产生体积变化,使得PCRAM使用寿命受到严重影响。 本论文针对上述相变存储器中存在的热点难题,通过掺杂手段优化相变存储器的相变材料性能,期望改善和提升相变存储器件电学性能。文中以Sb基材料作为主要研究对象,将稀土金属Y元素掺杂到Sb、Ge10Sb90、Sn15Sb85相变材料,系统地制备了一系列Y掺杂Sb基相变材料,研究了Y掺杂浓度对材料相变性能和相结构、微结构的影响,制备了基于最优组分相变材料的原型器件,评价相变材料的应用可行性,获得了如下主要结论: 1.采用磁控溅射法制备了Y掺杂Sb相变薄膜。随着Y杂质加入,Sb薄膜结晶温度升高,表明其热稳定性和数据保持能力提高。同时,掺杂Y后使得Sb薄膜具有较高的结晶态和非晶态电阻,有利于在电脉冲作用下实现相变。此外,掺杂Y能增加Sb材料光学带隙,意味着材料电导率降低。X射线衍射和X射线光电子能谱结果表明Y掺杂形成了新的Y-Sb键,晶界处的非晶物可以抑制晶粒生长并细化晶粒尺寸,从而提高了Sb材料的热稳定性和晶态的电阻率。Johnson-Mehl-Avrami模型证实了Y掺杂Sb薄膜属于以生长为主的结晶机制具有快速相变的优点。原子力显微镜测试表明Y掺杂Sb材料的表面形貌粗糙度变小,具有良好的界面特性,从而保证了器件的工作可靠性。基于Sb51Y49薄膜的T型相变存储器件功耗为3.5×10-11J,这显示出比常规Ge2Sb2Te5材料更低的功耗。可见,Y掺杂Sb相变存储材料表现出良好的结晶速率和功耗性能。 2.研究了Y掺杂对Ge10Sb90薄膜相变性能和晶体结构的影响。Y0.26(Ge10Sb90)0.74薄膜相较于纯Ge10Sb90薄膜,具有更高的结晶温度（218°C）和十年数据保持能力（141.2°C）,表明Y掺杂提高了非晶态热稳定性。通过分析相关的X射线衍射光谱和X射线光电子能谱,推测可能存在的非晶态的Y和Ge抑制晶粒生长并限制晶粒尺寸。X射线反射率结果表明,Y掺杂导致薄膜相变前后体积变化较小,这代表器件的性能稳定性增强。与传统的Ge2Sb2Te5材料相比,基于Y0.26(Ge10Sb90)0.74膜的T形相变存储器件具有更快的操作速度（100ns）和更低的功耗(2.4×10-10J)。结果表明,Y掺杂Ge10Sb90是一种具有高热稳定性和器件性能的相变存储材料。 3.系统地研究了掺杂Y对Sn15Sb85薄膜的相变行为和微观结构的影响。掺杂Y的Sn15Sb85薄膜具有较高的相变温度、十年的数据保留能力和结晶活化能,这代表了热稳定性和数据保留能力的极大提高。X射线衍射、透射电子显微镜和X射线光电子能谱显示,非晶态的Sn和Y成分限制了晶粒的生长并减小了晶粒尺寸。与Sb相关的拉曼振动模式在该薄膜结晶后被改变。掺杂Y的薄膜的表面形态变得更加光滑,这有利于器件性能的稳定。基于掺杂Y的Sn15Sb85薄膜的T型相变存储器件表现出较低的功耗。结果表明,Sn15Sb85薄膜的结晶特性可以通过掺杂Y的含量来调整和优化,以获得相变存储器的优异性能。

关键词： 低功耗   小型化   毫米波   通信系统   介质振荡器  

摘要： 随着新型通信应用场景的出现,对通信系统提出了越来越高的要求,并且往往要求其具备低功耗、小型化、便携性高的特点。由于毫米波通信具有元件尺寸小、宽带宽、安全保密性好、波束窄、全天候通信等特性,使得工作在毫米波频段的通信系统具有小型化、便携性高、分辨率高、通信安全性高的优点。毫米波通信具有广泛的应用价值,是未来无线通信的发展方向之一。因此,本文研究实现了一个工作在36～38GHz频段的低功耗小型化毫米波终端通信系统。 首先,介绍了几种通信系统中常用收发机的结构以及原理,分析了设计要点以及其中各个器件的功能作用。通过分析对比每种收发结构的优缺点,确定整体收发机结构为宽中频超外差和镜像抑制式宽中频收发机的组合结构。超外差式收发机灵敏度高,动态范围宽。镜像抑制式结构可以避免采用宽带电调滤波器,以减小尺寸。为了降低功耗,设计方案不再采用高频锁相环芯片,而采用介质振荡器加倍频器的方式产生射频本振信号,并通过自动频率控制来纠正介质振荡器的频率,使得稳定频率的工作由模拟方式转向数字方式,大大降低功耗。 接着,设计了系统整体方案,并进行收发链路仿真验证系统方案的可实施性。随后根据系统方案进行芯片选型、关键电路设计、变频方案设计、关键器件设计。其中设计实现了36～38GHz的基片集成波导带通滤波器,对信号进行频段选择,并对系统产生的杂散进行抑制。设计实现了中心频率为8.35GHz的介质振荡器,其电调谐范围为20MHz,机械调谐范围为350MHz,功率平坦度小于0.5d Bm,平均相位噪声结果为:-90d Bc/Hz@10k Hz,-110d Bc/Hz@100k Hz。 最后,对设计的低功耗小型化毫米波终端通信系统进行了实现,电路板尺寸为68mm*118mm,系统在接收状态下工作时长可达8.17h。对系统进行测试,测试结果显示发射机在36.16GHz处,输出三阶截点为28.979d Bm,带宽为20MHz的BPSK信号的调制EVM为2.932%,相邻信道功率比为27.3d Bc。接收机在36.16GHz处,带宽为20MHz的BPSK信号的解调EVM为1.083%,灵敏度为-85.753d Bm,噪声系数为5.247d B。测试结果表明,设计的低功耗小型化毫米波终端通信系统能满足设计要求。

关键词： 生理电信号   模拟前端   低功耗   低噪声   便捷式设备  

摘要： 便捷式医疗电子设备的快速发展,提高了患者对突发疾病的监控能力,遏制了亚健康人群发病率的年轻化趋势。随着CMOS工艺的快速发展,集成电路的性能不断提高,功耗进一步下降,低功耗便携式的长期监护设备有望落地,成为现实。生物信号采集模拟前端作为便捷式医疗电子设备的首要组成部分,其性能对电路应用场景、电路性能、电路抗干扰能力等方面都起到决定性作用。根据电极采集方式以及采集信号完整性,人体生理信号具有多种分类,幅度最大在m V级别,频率普遍低于千赫兹。由于低幅值、低频率的特性,在实际环境中面临着众多干扰。本论文在便捷式场景的约束下,面向低频低幅信号,研究和设计了两款低功耗低噪声模拟前端集成电路,主要的研究成果有:1、提出并实现应用于心率检测系统的交流耦合型ECG模拟前端电路。在整体架构中设计了微分器作为二次放大电路,配合心率识别后端的同时,增大ECG信号的放大倍数,实现了QRS波形识别效果和基础放大功能;在低噪放大器中结合了跨导自举和源极退化技术,通过改变输入管和负载管的跨导,降低主要噪声源占比,实现了3.18μVrms的等效输入噪声值;在交流耦合架构中采用了一种新型伪电阻,额外为寄生电流提供直流通路,提高架构的稳定性和抗干扰能力,最高达到了96d B的共模抑制比,以及GΩ级别的输入阻抗,满足生物电信号采集系统的需求。2、提出并实现双模式采集功能的斩波型Ex G模拟前端。在整体架构上设计了有源开关电容低通滤波器作为二次放大电路,通过开关控制电阻之比,实现多模式放大滤波,整体仅消耗了1.2μW的功耗;基于斩波型仪表放大器提出了自适应偏置电路,替换传统的电流管偏置,缓解电压裕度问题,并为斩波技术扩宽带宽,同时配合电流复用结构进一步提升跨导,将模拟前端电路的等效输入噪声降至4.5μVrms;在辅助模块中添加了预充电结构和直流失调反馈环路,增强电路的输入阻抗以及直流失调抑制能力,最高达到了118d B的共模抑制比,以及135M级别的输入阻抗,增大了原始模拟前端的抗干扰性。

关键词： 唤醒接收机   两级包络检波   直接序列扩频   干扰抑制   低功耗  

摘要： 近年来,随着各种无线通信组网技术融合创新应用,智慧物联网技术产业得到了快速发展,如何进一步延长物联网节点的值守工作时间和降低系统功耗成为了物联网感知层新的研究热点和难点。本文采用系统休眠与无线唤醒机制降低物联网节点平均功耗,对射频唤醒系统与接收机架构进行了深入研究,重点研究射频唤醒接收机抗干扰与低功耗关键技术,提出了基于两级包络检波的唤醒接收机结构,通过频率偏移、检波接收、平方解扩、信道滤波等技术方法有效提升射频唤醒接收机的抗干扰能力并降低能量消耗,为实现低功耗抗干扰物联网节点提供了新的思路。本论文的主要工作如下:1.调研分析了频率变化式、射频调谐式两类结构的射频唤醒接收机方案,系统研究了接收机系统休眠与射频唤醒工作模式、理论基础和主要指标,进一步研究了频域变换、硬件解扩、信道滤波等增强低功耗射频唤醒接收机抗干扰性能的技术方法,并对射频包络检波、匹配滤波等技术原理进行了理论分析。2.研究设计了基于两级包络检波的低功耗抗干扰射频唤醒系统总体方案和接收机结构,发送端采用曼彻斯特编码、频率预偏移和扩频等方法构建唤醒信号源,接收端通过融合应用射频检波解扩、信道选择滤波和低频检波解调等检测接收唤醒信号,在提升抗干扰能力的同时实现系统低功耗,理论推导与仿真验证对带内干扰的抑制能力可达到8 dB。3.完成了射频唤醒接收机硬件电路与软件算法设计实现,硬件电路设计主要包括低噪声放大、阻抗匹配、射频检波、带通滤波、低频检波、比较整形、基带处理等功能模块,信号处理采用轻量级低功耗FPGA设计实现信号同步、匹配滤波、抽样判决、曼彻斯特解码等基带处理模块。4.搭建了低功耗抗干扰唤醒接收机测试平台,对接收机的功能和性能进行了测试分析,结果表明接收机可正确检测接收并解调信干扰比2.8 dB的唤醒信号,验证了唤醒接收机的抗干扰能力。本文研究设计的射频唤醒系统接收机,具有低功耗、抗干扰、小型化、低成本等优点,可广泛集成应用于无线传感器、多功能传感标签、环境监测节点等终端,助力于低功耗广域物联网技术产业发展。