可植入式生物医学用超低功耗UWB射频及无线供电集成电路研究

在许多植入式生物医学设备中，除要求小体积、超低功耗以及可持续供电外，还需要很高的传输速率,因此UWB技术在植入式生物医学中的应用正引起广泛重视。本项目拟研究高集成度、超低功耗的UWB无线收发及无线供电关键技术理论，并采用CMOS工艺实现相应的集成电路设计及验证，以满足不同速率要求下的植入式生物医学应用需求：①研究3.1～10.6GHz频段UWB信号在不同深度及不同种类生物体组织内的传播特性并建立相应的信道统计模型，为UWB在植入式生物医学的应用提供理论指导；②分析UWB在植入式生物医学中的通信链路特性，研究更适合该场合应用的超低功耗UWB无线收发结构及电路理论；③研究更高效的能量传输、检测、收集及转换理论方法，设计适用于植入生物医学的无线供电系统；④采用CMOS工艺实现UWB收发机射频前端及无线供电系统的超低功耗集成电路设计并流片测试，考查不同速率下收发机前端及无线供电系统的各项指标。

UWB通信具有相对较高的数据传输速率，其收发机结构相对简单，易于实现小体积和低功耗，因此UWB在植入式生物医学电子方面具有广泛的应用潜力。本项目在探索3.1GHz～10.6GHz频段UWB信号在不同深度及不同种类人体组织内的传播特性的基础上，开展高集成度、超低功耗UWB 无线收发以及无线供电关键技术理论的研究，并采用CMOS工艺设计及验证。首先，采用男性活体CT和MRI剖面图以及VHP图像构建高分辨率三维人体电磁模型，将其嵌入到CST软件进行电磁仿真计算，考察UWB频段信号在人体内的电磁参量，研究采用UWB频段进行人体植入式生物医学电子无线通信及能量传输的安全性、有效性，建立了描绘UWB在人体内外进行无线通信的信道特性的数学模型。在UWB 无线收发机方面主要研究并设计了四种低功耗IR-UWB发射机结构和一种IR-UWB非相干接收机前端；发明了一种多用户跳时脉冲位置调制超宽带(TH-PPM UWB)接收机解调器和一种去多址干扰的跳时脉冲位置调制超宽带数字接收机。在无线供电技术方面主要致力于通过减小或消除MOS管阈值电压的影响以期提高射频整流器的灵敏度和输出电压等性能，以及致力于射频能量接收整流之后的高性能稳压研究；主要分别提出了一种高灵敏度无线射频能量采集器和一种电容分压阈值补偿自偏置型Villard RF-DC整流器，两者均能有效地提高接收灵敏度和输出电压，设计了两种具有较快瞬态响应的低功耗低压差线性稳压器。