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随着物联网、人工智能和半导体制造技术的快速发展,人类正逐步进入信息化与智能化的社会,数以十亿计的无线设备正在不间断地发送和接收数据。射频收发机是无线通信设备的基础性零部件,是电子设备间无线通信的必要媒介,其性能直接决定了无线设备间的通信质量、通信模式、稳定性与待机时间。本文从使用经济高效的CMOS技术节点的角度,回顾了超低功耗射频收发机和集成电路设计的发展历程,结合射频收发机前端的基础理论,以降低系统功耗和提高全局效率为目标,对射频收发机及其关键模块设计进行了广泛和深入的研究。得益于近年来机器学习技术的发展,本文首次将神经网络集成到射频收发机中,研究并实现了基于机器学习技术的自动功率调节与信道切换。主要研究成果如下:1.超低功耗接收机的设计:植入设备的电池往往是不可能或者极难更换的,这严重限制了无线收发器的功耗。超低功耗射频接收机通常采用极端的低功耗工作模式来节省电力,在这种情况下,本振的锁定时间决定了占空比的下限,本文首先分析了接收机设计的关键制约因素,进而提出了一种基于噪声消除技术的低功耗LNA,将差分信号中同相位的噪声相互抵消,实现噪声优化;接下来,提出了一种具有倍频功能的低功耗频率综合器,这使得振荡器可以工作于载波频率的1/9,相对于常规振荡器,其起振时间短,工作频率低,功耗更低;本超低功耗接收机采用180 nm CMOS工艺流片,测试结果显示,本接收机的增益为61.2 dB,噪声系数为16.8 dB,IIP3为-15.8 dBm,消耗功率为73W。2.低压工艺下发射机的设计:高集成度的射频发射机可以降低无线通信系统的制造成本,但是,功率放大器大多仍需采用高压工艺实现。低击穿电压和高拐点电压是现代纳米及深亚微米CMOS工艺主要缺陷,限制了负载端的可用电压摆幅,也限制了输出功率。本文首先研究和分析了发射机设计中的非线性问题和效率问题;在此基础上,提出了在低压工艺中通过使用功率合成器来提升发射机的输出功率的方法,研究并对比了威尔金森功率合成器和变压器结构功率合成器,设计了一个高转换效率的变压器结构的功率合成器;最后,使用变压器结构的功率合成器设计并实现了一个低压工艺下高集成度的,高效率高输出功率射频发射机。仿真结果显示,本发射机在5.2-5.8 GHz范围内输出功率大于23.3 dBm,PA的漏极效率为25.7%。3.基于机器学习技术的低功耗射频发射机设计:全球有不计其数的无线设备被使用,每小时的功耗约为61万亿瓦特。传统的发射机“不知道”发射距离和目标,所以PA通常需要使用全功率以确保接收端可以接收到信号。人工神经网络也可用于RF电路设计,在本文将前馈多层感知机集成到发射机中,实现了数据传输智能化。本文首先介绍了机器学习算法的关键问题以及解决方法;然后,研究并设计了一个具有数据识别能力,能自动切换发射机发射信道和发射功率的多层感知机;设计并实现了一个可编程控制输出频率的压控振荡器和一个可变输出功率的高效率的功率放大器;最后,对本文提出的智能发射机进行了整体仿真和流片验证。测试结果表明,该发射机的MLP网络能识别数据并自动调整发射机的发射功率和传输信道,识别准确率为95.1%。该发射机的峰值输出功率为14.9dBm,工作电压为1.5 V,功耗为34.3 mW。