CMOS毫米波多普勒雷达及其在非接触式生命体征检测中的应用研究

With more and more awareness of individual health condition and the acceleration of aging population, home healthcare applications are becoming more and more popular, and a variety of home-healthcare oriented appliances are emerging. As a potential candidate for monitoring home healthcare data, microwave Doppler radars can detect heart and respiration rates through clothing and bedding in a non-contact manner, with its performance hardly affected by environmental factors, such as weather, temperature and lighting condition, which makes it very promising for long-term continuous monitoring. However, the size, cost, power consumption, accuracy and reliability of the microwave Doppler radar system prevent this technique from being widely deployed for practical scenarios. To address these problems, this project will investigate the design and implementation of millimeter-wave (MMW) high-accuracy and fully-integrated Doppler radar transceiver in a low-cost CMOS technology for practical non-contact vital signs detection. In order to reduce the total power consumption, high-Q passive devices need to be designed and low-power design techniques for the building blocks in the transceiver need to be explored. By using low-cost wire-bonding packaging techniques, a compact, low-cost, low-power and high-accuracy MMW packaged Doppler radar system can be realized. In addition, radar arrays will be used for random body movement cancellation, which improves the reliability of the radar system for non-contact vital signs detection.

随着人们健康意识的增强和人口老龄化的加剧，家庭医疗保健场景变得越来越普及，多样化的家庭医疗健康设备不断涌现。作为一种潜在的检测类家庭医疗健康设备，微波多普勒雷达可以穿透衣服、被褥等障碍物对人们的心率和呼吸率等心肺活动参数进行非接触测量，且不易受天气、温度、光照等环境因素影响，适于长时间连续监测。目前，用于非接触式生命体征检测的微波多普勒雷达系统的体积、成本、功耗、精度和可靠性等方面限制了其在消费者市场中的应用。本项目针对非接触式生命体征传感在个人和家庭健康监测领域的应用需求，研究采用低成本的CMOS工艺在毫米波频段设计和制作高精度、全集成的多普勒雷达收发芯片，并通过高品质因数无源器件和新型低功耗有源组件的设计来降低系统功耗，结合低成本的芯片键合封装技术，实现小型化、低成本、低功耗、高精度的CMOS毫米波雷达封装系统，此外通过采用雷达阵列消除人体随机晃动对检测结果的影响，提高了系统的可靠性。

随着人口老龄化的加剧，人们对健康监测的重视程度不断提高，便携式健康监测设备的市场需求巨大。作为一种潜在的便携式健康监测设备，生命体征检测雷达由于其非接触性、穿透性（能够穿透衣服、被褥等）和适于长时间连续监测等独特优势，受到了越来越多的关注。然而，目前该类雷达的体积、成本和功耗等方面制约了其在民用市场中的应用。采用毫米波频段的硅基全集成雷达方案能够有效解决体积和成本的问题，但仍面临着高性能、低功耗和可靠性等方面的挑战。本项目首先对毫米波频段CMOS无源结构的电磁特性和损耗机理进行了研究，提出了硅基毫米波高Q值无源器件的设计理论和设计方法，并通过实物测试进行了验证；其次，提出了毫米波有源器件的版图优化方法以减小或抵消部分版图寄生参数的影响，从版图层面了提升毫米波晶体管的射频性能，测试和分析了毫米波频段不同尺寸的硅基晶体管在不同偏置条件下的特性，提出了一些新型、低功耗的毫米波电路结构，结合有源和无源的一体化设计思想，实现了硅基毫米波低功耗电路的设计；然后，采用低中频架构对CMOS毫米波雷达收发系统进行了单片集成，并对该架构中存在的镜像抑制问题进行了深入地分析，提出了提高低中频接收机镜像抑制度的方法，设计了集成化的毫米波雷达芯片，并通过键合方式与片外天线进行封装，获得小型化、低成本、低功耗、高性能的CMOS毫米波多普勒雷达封装系统；最后，使用毫米波雷达阵列同时接收来自人体不同部位及不同方向的回波，并通过先进的信号处理算法抵消了被测者身体晃动噪声的方法，在被测者身体存在随机晃动的条件下准确提取出人体的心率和呼吸率等生理信息，提高了非接触式生命体征传感系统的可靠性。