面向非接触式生命体征探测的射频前端电路关键模块的研究与设计

• 作 者: 王卓逸
• 出 处: 西安电子科技大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 非接触 生命体征探测 射频前端 BiCMOS

近年来,随着集成电路工艺特征尺寸的缩小和设计水平的迭代,非接触式生命体征探测雷达也冲破了波导器件、天线性能的桎梏,以其穿透强、精度高、体积小、长期实时监测等优点在生命体征探测领域异军突起,其应用不仅限于通常的救援、安保等领域,在家庭健康监护和医疗领域也发挥着不可替代的作用。雷达生命体征探测脱胎于飞速发展的射频微波无线通信技术,结合生物领域的精准需求和模式特点,极具前沿创新价值,这一核心技术将不断地融合生物医疗、无线通信、雷达定位等相关技术,走出一条多功能、跨领域的研发路线。因此,本文面向非接触式生命体征探测进行射频前端关键模块的研究与设计。本文以系统功能为导向,按照顶层规划,底层设计的方法来一步一步实现面向非接触式生命体征探测的射频前端关键模块的研究与设计。论文首先针对非接触式生命体征探测这一特定应用,介绍相应的双边带接收机架构。然后结合实际探测条件和通用性能评估准则,对关键模块的指标进行系统规划。接下来针对各个指标的优化做出详细的分析,建立起完整的电路关键技术的研究体系。最后本文以针对性的电路结构展开低噪声放大器、双平衡有源/无源混频器、LC差分负阻压控振荡器、中频放大器等具体模块的设计和验证。其中,低噪声放大器通过电阻负反馈实现可配置的输入阻抗,结合π型无源网络实现良好的输入匹配和带宽要求。有源巴伦应用并联峰值电感技术拓展带宽,节省面积。LC差分负阻振荡器设计数字和模拟调谐单元实现低K_vco下的高调谐范围,并通过调整晶体管工作状态优化相噪和功耗性能。双平衡有源混频器采用固定中频的工作模式,增加源级退化电感提升线性度,采用电流源辅助的方法,缓解增益和电压裕度之间的矛盾。中频放大器采用单级伪差分结构,利用反馈电阻稳定共模电压,提升线性度。中频环形振荡器由四级交互式差分耦合延迟单元组成,通过偏压对漏电流的控制,调节振荡器的频率。中频无源混频器使用交叉耦合的两对MOS管作为开关,牺牲增益换取极高的线性度,完成信号在射频前端的最后处理。本文所有电路的设计均基于Tower Jazz 0.18μm BiCMOS工艺实现,通过仿真验证,各个关键模块的指标均达到要求。其中接收机射频前端系统的后仿真结果显示,在所需的5.3⁶.3GHz频带内,输入回波损耗小于-15dB,最低-30dB;中频f_IF（28）200MHz时,在本振区间4.5⁶.5GHz内,系统总噪声系数低于6dB;总增益达到52dB。瞬态仿真显示中频输出信号在时域的波形稳定且精确,证明了系统性能良好。