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

The RADAR, acronym that stands for RAdio Detection And ranging, is a device that uses electromagnetic waves to detect the presence and the distance of an illuminated target. The idea of such a system was presented in the early 1900s to determine the presence of ships. Later on, with the approach of World War II, the radar gained the interest of the army who decided to use it for defense purposes, in order to detect the presence, the distance and the speed of ships, planes and even tanks. Nowadays, the use of similar systems is extended outside the military area. Common applications span from weather surveillance to Earth composition mapping and from flight control to vehicle speed monitoring. Moreover, the introduction of new ultrawideband (UWB) technologies makes it possible to perform radar imaging which can be successfully used in the automotive or medical field. The existence of a plenty of known applications is the reason behind the choice of the topic of this thesis, which is the design of fully-integrated high-resolution radars. The first part of this work gives a brief introduction on high resolution radars and describes its working principle in a mathematical way. Then it gives a comparison between the existing radar types and motivates the choice of an integrated solution instead of a discrete one. The second part concerns the analysis and design of two CMOS high-resolution radar prototypes tailored for the early detection of the breast cancer. This part begins with an explanation of the motivations behind this project. Then it gives a thorough system analysis which indicates the best radar architecture in presence of impairments and dictates all the electrical system specifications. Afterwards, it describes in depth each block of the transceivers with particular emphasis on the local oscillator (LO) generation system which is the most critical block of the designs. Finally, the last section of this part presents the measurement results. In particular, it shows that the designed radar operates over 3 octaves from 2 to 16GHz, has a conversion gain of 36dB, a flicker-noise-corner of 30Hz and a dynamic range of 107dB. These characteristics turn into a resolution of 3mm inside the body, more than enough to detect even the smallest tumor. The third and last part of this thesis focuses on the analysis and design of some important building blocks for phased-array radars, including phase shifter (PHS), true time delay (TTD) and power combiner. This part begins with an exhaustive introduction on phased array systems followed by a detailed description of each proposed lumped-element block. The main features of each block is the very low insertion loss, the wideband characteristic and the low area consumption. Finally, the major effects of circuit parasitics are described followed by simulation and measurement results.

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.