Analysis and Design of Radio Frequency Integrated Circuits for Breast Cancer Radar Imaging in CMOS Technology

Il tumore al seno e' di gran lunga il piu' comune tumore nella popolazione femminile. La mammografia a raggi X e' la tecnica diagnostica piu' utilizzata e copre un ruolo chiave nella prevenzione, elemento fondamentale per assicurare la cura e la sopravvivenza dei pazienti. La mammografia presenta pero' importanti limitazioni, quali la necessita' di comprimere il seno durante l'esame, l'esposizione a radiazioni ionizzanti e l'alta percentuale di falsi negativi. In questo contesto, sembra interessante poter affiancare alla mammografia nuove tecniche diagnostiche, quali le tecnologie di imaging a radar nel range delle microonde, che si basano sull'intrinseco contrasto dielettrico presente tra tessuti benigni e maligni nel range delle microonde. Questo lavoro presenta quindi l'analisi e il progettazione di circuiti integrati in radio frequenza per l'imaging del tumore al seno in tecnologia CMOS. Nella prima parte della tesi vengono analizzati i modelli comportamentali di due diverse architetture di ricetrasmissione per l'imaging del tumore al seno. Vengono sviluppati dei modelli di ricetrasmettitori a conversione diretta e a super eterodina basati su radar SFCW e un modello numerico del seno. Simulazioni FDTD vengono utilizzate per investigare i limiti delle architetture considerate e individuare i punti critici nel design circuitale. Particolare attenzione viene dedicata ai mismatch tra i canali I e Q del ricetrasmettitore e al loro impatto sulla qualita' finale dell'immagine. Il risultato e' che la semplicita' della conversione diretta rende il ricetrasmettitore piu' robusto alle piu' critiche non-idealita' circuitali per questa applicazione. Nella seconda parte viene presentato un ritrasmettitore SFCW operante da 2 a 16GHz per imaging medicale realizzato in tecnologia CMOS 65nm. Il ricevitore ha un guadagno di conversione di 36dB, punto di compressione >29dBm, figura di rumore di 7dB e corner 1/f a 30Hz. Il trasmettitore ha una potenza di uscita di 14dBm, con reiezione delle armoniche di >40dBc e rumore di fase <109dBc/Hz ad un offset di 1MHz. Il sistema completo consuma 204mW. Il radar presentato raggiunge una risoluzione di 3mm dentro al corpo umano con un range dinamico di 107dB. Per dimostrarne l'efficacia, e' stato realizzato un seno sintetico dentro al quale sono stati inclusi due tumori. Il radar ha evidenziato correttamente i due tumori nella giusta posizione, a dimostrazione della sua efficacia come possibile strumento diagnostico.