微波雷达生命体征感知技术将新兴的生命科学与飞速发展的微波无线通信技术相结合,极具前沿创新价值,由于具有穿透性强、探测精度高和环境适应能力极强等突出优点,是新一代生物探测及其智能分析领域的重要支撑技术,对于未来智能医疗、生物雷达、安全防护和救援等尖端技术的发展具有极其重要的作用。伴随着相控阵、微电子和片上系统技术的飞速发展,微波生命体征感知系统及芯片研究逐渐成为国内外关注的热点问题之一。因此,本文主要面向非接触式生命体征监测,对其射频前端架构与关键电路模块进行了研究与设计。首先,本文依据非接触式生命体征监测的应用场景和特定需求设计了射频前端架构,通过双边带架构来解决零点检测问题,采取低中频架构从中频域而不是从接近直流的基带中提取运动信号可以实现低直流偏移和完美的I/Q平衡来得到更好的解调精度,利用片上移相阵列来克服随机身体运动对生命体征信号的干扰和多人检测相位冲突问题。其次,本文通过理论计算加系统仿真验证的方式设计了系统的指标,并将其合理地分配至每个模块。然后依此对各个模块的电路结构进行了设计验证,通过对关键性能参数的分析,采用合适的优化技术来提升电路性能,从而达到了系统整体指标的设计要求。其中,压控振荡器采用了模拟调谐单元和数字调谐单元相结合的方法提高调谐范围,并通过互补差分结构和噪声滤波技术降低相位噪声。混频器通过外部电路产生一个低频二阶交调分量与输入信号混频,在辅助路径中产生与其幅度相同和相位相反的信号并在跨导阶段馈入主路径来消除主路径中固有的三阶交调分量和二阶互调分量,从而极大地提高混频器的线性度性能。功率放大器通过二极管补偿结构解决输出级放大电路中的功率管的栅源电容随输入信号变化的问题来降低电路中的非线性效应,进而提高电路的线性度。低噪声放大器采用了噪声消除技术降低了噪声系数,并利用导数相消技术提高了线性度。巴伦通过相位矫正技术降低了增益误差和相位误差。中频压控振荡器采用四级差分环形振荡器的结构,用CMOS锁存器代替互耦对,解决了输出节点的电压波形变化不同步的问题。中频放大器采用两级差分放大器的结构,利用负反馈技术提高线性度。移相器利用巴伦和正交信号发生器产生四路正交信号,再通过模拟加法器进行矢量合成,最终实现了信号360度的均匀移相。本文所有电路的设计均基于Tower Jazz 0.18μm Bi CMOS工艺实现,仿真结果显示,系统整体以及各个电路模块的性能均满足设计要求。在5.2～6.2GHz的工作频段内,接收机系统的输入回波损耗小于-17d B,噪声系数低于5d B,增益达到63d B;发射机系统的最大输出功率为24d Bm,整个链路增益为33d B,输出1d B压缩点为25d Bm,功耗为213m W。瞬态仿真显示,接收机的中频输出信号和发射机的射频发射信号在时域的波形精确且稳定,证明了系统性能良好。