Design of Fully-Integrated High-Resolution Radars in CMOS and BiCMOS Technologies

Il RADAR, acronimo per RAdio Detection And Ranging, é uno strumento che sfrutta le proprietá elettromagnetiche della materia per rilevare l’eventuale presenza e distanza di oggetti non conosciuti. L’idea di un simile dispositivo fu presentata per la prima volta nei primi anni del 1900 per determinare la presenza di navi in avvicinamento. Solo dopo qualche anno, con l’avvicinarsi della seconda guerra mondiale, cominció la vera e propria ricerca e sperimentazione. Inizialmente, infatti, il radar venne utilizzato prettamente in ambito militare per rilevare la presenza, la distanza e la velocitá di navi, aerei e carri armati nemici. Ai giorni nostri, invece, il concetto di radar viene esteso ben al di fuori dell’ambito militare. Infatti é possibile trovare soluzioni per applicazioni che spaziano dalla mappatura del terreno alla sorveglianza delle condizioni metereologiche e dal controllo del traffico aereo all’individuazione della velocitá dei veicoli. Inoltre, l’introduzione di nuove tecnologie a larga banda (UWB), rende possibile la generazione di immagini radar le quali possono essere sfruttate con successo sia in ambito medico che automotive. L’esistenza di un’infinitá di applicazioni conosciute legata all’estrema versatilitá dei radar é la motivazione che mi ha spinto a focalizzare il mio lavoro sull’analisi e la progettazione di radar integrati ad alta risoluzione. La prima parte di questa tesi dá una breve introduzione circa i radar ad alta risoluzione e ne descrive il principio di funzionamento ricavandone le principali equazioni. Essa mette inoltre a confronto le varie tipologie di radar motivando la scelta di un radar integrato rispetto ad una soluzione a componenti discreti. La seconda parte, invece, tratta l’analisi e la progettazione di due prototipi di radar CMOS ad alta risoluzione destinati alla rilevazione preventiva dei tumori al seno. Dopo una breve spiegazione delle motivazioni che stanno alla base di questo progetto, viene effettuata un’accurata analisi di sistema la quale permette di scegliere l’architettura meno sensibile alle non idealitá del ricevitore. Successivamente viene data una descrizione dettagliata di ogni singolo circuito che constituisce il ricetrasmettitore, con particolare enfasi alla generazione delle frequenze la quale costituisce il blocco piú critico dell’intero sistema. Infine, l’ultima sezione di questa seconda parte, presenta i risultati di misura sia per quanto riguarda la caratterizzazione elettrica che per quanto riguarda gli esperimenti di imaging. In particolare, sará possibile notare che il radar opera su una banda di 3 ottave da 2 a 16GHz, ha un guadagno di conversione di 36 dB, una flicker-noise-corner di 30Hz ed un range dinamico di 107dB. Tali caratteristiche si traducono in una risoluzione di 3mm nel corpo umano, piú che sufficiente per rilevare anche il piú piccolo tumore. La terza ed ultima parte di questa tesi si occupa dell’analisi e progettazione di alcuni blocchi fondamentali per phased-array radar, tra i quali phase shifter (PHS), true time delay (TTD) e power combiner. La prima sezione di questa terza parte introduce esaustivamente i sistemi phased-array, mentre la seconda fornisce una descrizione dettagliata dei blocchi proposti. Le caratteristiche principali sono la bassa perdita di inserzione, la larga banda passante ed il basso consumo di area. Verranno poi presentati i principali effetti introdotti da capacitá ed induttanze parassite, nonché alcuni metodi per limitarne i rispettivi effetti indesiderati. Seguiranno i risultati di simulazione e misura.