High efficiency power amplifiers for modern mobile communications: The load-modulation approach

Modern mobile communication signals require power amplifiers able to maintain very high efficiency in a wide range of output power levels, which is a major issue for classical power amplifier architectures. Following the load-modulation approach, efficiency enhancement is achieved by dynamically changing the amplifier load impedance as a function of the input power. In this paper, a review of the widely-adopted Doherty power amplifier and of the other load-modulation efficiency enhancement techniques is presented. The main theoretical aspects behind each method are introduced, and the most relevant practical implementations available in recent literature are reported and discussed

Bandwidth enhancement of antennas designed by band-pass filter synthesis due to frequency pulling techniques

A novel antenna design technique is proposed, which offers bandwidth enhancement up to the limits defined by element radiation efficiency. The employed technique is referred as frequency pulling (FP) as it mimics the ‘insertion loss design methodology of band-pass filters’. This is essentially a wideband matching approach pushing the antenna efficiency to the limits set up by radiation efficiency. There are three options towards this trend: (i) first to enhance a single element bandwidth (compact element) exploiting its possibly multiple symmetrical feeding points as distinct resonator ports, (ii) frequency pulled array as to design a small antenna array (less than about 10 elements) where each element acts as a resonator and (iii) second order frequency-pulled array as to build a small array using compact elements of category (i). Similar to the band-pass filter design, all antennas or distinct-port circuits resonate at the same resonant frequency when isolated, cascading two or more of them; FP yields to multiple-overlapping successive resonances in their overall response. Although the proposed technique is general within this first effort, it is applied to simple patch antenna elements exhibiting multiple symmetrical feeding points, namely two—for rectangular, four—for square and five—for pentagonal. The third option is applied to an array of three compact 4-feeding point square elements offering triple bandwidth with respect to the already wideband single element. However, this is achieved at the expense of a significant beam squint. Thus, in general, these wideband compact elements should be used within a classical array design. Further bandwidth enhancement using FP to antenna elements with inherent multiple resonances as patches with slots or truncated edges constitutes our next task. Their inherent wider bandwidth in radiation efficiency is expected to allow multiply higher bandwidths when exploited with our FP technique

Performance enhancement in the desing of amplifier and amplifier-less circuits in modern CMOS technologies.

In the context of nowadays CMOS technology downscaling and the increasing demand of high performance electronics by industry and consumers, analog design has become a major challenge. On the one hand, beyond others, amplifiers have traditionally been a key cell for many analog systems whose overall performance strongly depends on those of the amplifier. Consequently, still today, achieving high performance amplifiers is essential. On the other hand, due to the increasing difficulty in achieving high performance amplifiers in downscaled modern technologies, a different research line that replaces the amplifier by other more easily achievable cells appears: the so called amplifier-less techniques. This thesis explores and contributes to both philosophies. Specifically, a lowvoltage differential input pair is proposed, with which three multistage amplifiers in the state of art are designed, analysed and tested. Moreover, a structure for the implementation of differential switched capacitor circuits, specially suitable for comparator-based circuits, that features lower distortion and less noise than the classical differential structures is proposed, an, as a proof of concept, implemented in a ΔΣ modulator

On the design of high-efficiency RF Doherty power amplifiers

Power amplifiers (PAs) are one of the most crucial elements in wireless standards becasue they are the most power hungry subsystems. These elements have to face an important issue, which is the power efficiency, a fact related with the output back-off (OBO). But the OBO depends on the kind of modulated signal, in proportion to the modulated signal peak-to-average power ratio (PAPR). The higuer is the data rate, the higer is the OBO, and consequently the lower is the efficiency. A low efficiency of PAs causes the waste of energy as heat. Furthermore, the trade-off between linearity and efficiency in PAs is another major issue. To cope with the undesired circumstances producing efficiency degradation, the Doherty power amplifier (DPA) is one of the useful techniques which provide high efficiency for high PAPR of modern communication signals. Nevertheless, the limited bandwidth (BW) of this kind of PAs (about 10% of fractional bandwidth) and its importance (in modern wireless systems such as LTE, WiMAX, Wi-Fi and satellite systems) have encouraged the researchers to improve this drawback in recent years. Some typical BW limiting factors effect on the performance of DPAs: i) quarter-wave length transformers, ii) phase compensation networks in/output matching circuits, iii) offset lines and device non-idealities; The quarter-wave length transformers performs as an inverter impedance in the load modulation technique of DPAs. The future objective in designing DPAs is to decrease the impact of these issues. In this context, this PhD-thesis is focused on improving fractional bandwidth of DPAs using the new methods that are related to impedance transformers instead of impedance inverters in the load modulation technique. This study is twofold. First, it is presented a novel DPA where a wideband GaN DPA in the 2.5 GHz band with an asymmetrical Wilkinson splitter. The impedance transformer of the proposed architecture is based on a matching network including a tapered line with multi-section transformer in the main stage. The BW of this DPA has ranged from 1.8 to 2.7 GHz. Plus, the obtained power efficiency (drain) is higher than 33% in the whole BW at both maximum and OBO power levels. Second, based on the benefits of the Klopfenstein taper, a promising DPA design is proposed where a Klopfenstein taper replaces the tapered line. In fact, this substitution results on reducing the reflection coefficient of the transformer. From a practical prototype realization of this novel Doherty-like PA in the 2.25 GHz band, this modification has demonstrated that the resulting DPA BW is increased in comparison to the conventional topology while keeping the efficiency figures. Moreover, this study also shows that the Klopfenstein taper based design allows an easy tuning of the group delay through the output reactance of the taper, resulting in a more straightforward adjustments than other recently published designs where the quarter-wave transformer is replaced by multi-section transmission lines (hybrid or similar). Experimental results have shown 43-54% of drain efficiency at 42 dBm output power, in the range of 1.7 to 2.75 GHz. Concretely, the results presented in this novel Doherty-like PA implies an specific load modulation technique that uses the mixed Klopfenstein tapered line together with a multi-section transformer in order to obtain high bandwidth with the usual efficiency in DPAs.Los amplificadores de potencia (PAs) son uno de los elementos más importantes para los transmisores inalámbricos desde el punto de vista del consumo energético. Un aspecto muy importante es su eficiencia energética, un concepto relacionado con el back-off de salida (OBO), que a su vez viene condicionadpo por el PAPR de la señal modulada a amplificar. Una baja eficiencia de los PA hace que la pérdida de energía se manifieste en forma de calor. De hecho, esta cuestión conduce al incremento de los costes y tamaño, esto último por los radiadores. Además, el compromiso entre la linealidad y la eficiencia en los PA es otro problema importante. Para hacer frente a las circunstancias que producen la degradación de la eficiencia, el amplificador de potencia tipo Doherty (DPA) es una de las técnicas más útiles que proporcionan una buena eficiencia incluso para los altos PAPR comunes en señales de comunicación modernos. Sin embargo, el limitado ancho de banda (BW) de este tipo de PA (alrededor del 10% del ancho de banda fraccional) y su importancia (en los sistemas inalámbricos modernos, tales como LTE, WiMAX, Wi-Fi y sistemas de satélites) han animado a los investigadores para mejorar este inconveniente en los últimos años. Algunos aspectos típicos que limitan el BW en los DPA son: i) transformadores de longitud de cuarto de onda, ii) redes de compensación de fase y circuitos de adaptación de salida, iii) compensación de las líneas y los dispositivos no ideales. Los transformadores de cuarto de onda actuan como un inversor de impedancia en la técnica de modulación de carga de la DPA "("load modulation"). Concretamente, el objetivo futuro de diseño de DPA es disminuir el impacto de estos problemas. En este contexto, esta tesis doctoral se centra en mejorar el ancho de banda fraccional de DPA utilizando los nuevos métodos que están relacionados con el uso de transformadores de impedancias en vez de inversores en el subcircuito de modulación de carga. Este estudio tiene dos niveles. En primer lugar, se presenta una novedosa estructura del DPA de banda ancha usándose dispositivos de GaN en la banda de 2,5 GHz con un divisor Wilkinson asimétrico. El transformador de impedancias de la arquitectura propuesta se basa en una red de adaptación, incluyendo una línea cónica con múltiples secciones del transformador en la etapa principal. El BW de este DPA ha sido de 1,8 a 2,7 GHz. Además, se obtiene una eficiencia de drenador de más del 33% en todo el BW, tanto a nivel de potencia máxima como a nivel del OBO. En segundo lugar, aprovechando los beneficios de un adaptador de Klopfenstein, se propone un nuevo diseño del DPA. Con la sustitución de la lina conica por el Klopfenstein se reduce el coeficiente de reflexión de transformador de impedancias. Sobre un prototipo práctico de esta nueva estructura del Doherty, en la banda de 2,25 GHz, se ha demostrado que el BW resultante se incrementa en comparación con la topología convencional mientras se mantienen las cifras de eficiencia. Por otra parte, en este estudio se demuestra que el diseño basado en el Klopfenstein permite una afinación fácil del retardo de grupo a través de la reactancia de salida del taper, lo que resulta en un ajuste más sencillo que otros diseños publicados recientemente en el que el transformador de cuarto de onda se sustituye por multi-líneas de transmisión de la sección (híbridos o similar). Los resultados experimentales han mostrado un 43-54% de eficiencia de drenador sobre 42 dBm de potencia de salida, en el intervalo de 1,7 a 2,75 GHz. Concretamente, los resultados presentados en esta nueva estructura tipo-Doherty implican una técnica de modulación de carga que utiliza una combinación de un Klopfenstein junto con un transformador de múltiples secciones con el fin de obtener un alto ancho de banda con la eficiencia habitual en DPAs.Els amplificadors de potència (PA) són un dels elements més importants per els sistemes ràdio ja que sone ls principals consumidors d'energía. Un aspecte molt important és l'eficiència de l'amplificador, aspecte relacionat amb el back-off de sortida (OBO) que a la seva vegada ve condicionat pel PAPR del senyal modulat. Una baixa eficiència dels PA fa que la pèrdua d'energia en manifesti en forma de calor. De fet, aquesta qüestió porta a l'increment dels costos i grandària, degut als dissipadors de calor. A més, el compromís entre la linealitat i l'eficiència en els PA es un altre problema important. Per fer front a les circumstàncies que porten a la degradació de l'eficiència, l'amplificador de potència Doherty (DPA) és una de les tècniques més útils i que proporcionen una bona eficiència per als alts PAPR comuns en senyals de comunicació moderns. No obstant això, l'ample de banda limitat (BW) d'aquest tipus de PA (al voltant del 10% de l'ample de banda fraccional) i la seva importància (en els sistemes moderns, com ara LTE, WiMAX, Wi-Fi i sistemes de satèl·lits) han animat els investigadors per millorar aquest inconvenient en els últims anys. Alguns aspectes tipicament limitadors del BW en els DPA son: i) transformadors de longitud d'quart d'ona, ii) xarxes de compensació de fase en circuits / adaptacions de sortida, iii) compensació de les línies i els dispositius no ideals. Els transformadors de quart d'ona s'utilitzen com a inversors d'impedàncies en la tècnica de modulació de càrrega del DPA ("load modulation"). Concretament, l'objectiu futur de disseny d'DPA és disminuir l'impacte d'aquests problemes. En aquest context, aquesta tesi doctoral es centra en millorar l'ample de banda fraccional dels DPA utilitzant nous mètodes que estan relacionats amb l'ús de transformadors d'impedàncies, en comptes d'inversors, en el subcircuit de modulació de càrrega. Aquest treball té dos nivells. En primer lloc, es presenta un DPA novedós que fa servir dispositus GaN DPA a la banda de 2,5 GHz amb un divisor Wilkinson asimètric. El transformador d'impedàncies de l'arquitectura proposada es basa en una xarxa d'adaptació, incloent una línia cònica amb múltiples seccions del transformador en l'etapa principal. El BW d'aquest DPA ha mostrat ser d'1,8 a a 2,7 GHz. A més, s'obté una eficiència de drenador de més del 33% en tot el BW, tant a nivell de potència màxima com de OBO. En segon lloc, sobre la base dels beneficis del adaptador de Klopfenstein, un proposa un nou disseny on un Klopfenstein substitueix la anterior línia cònica. Aquesta substitució repercuteix en la reducció del coeficient de reflexió de transformador d'impedàncies.Des d'una realització pràctica (prototipus) d'aquest nou amplificador tipus Doherty a la banda de 2,25 GHz, s'ha demostrat que el BW resultant s'incrementa en comparació amb la topologia convencional mentre es mantenen les xifres d'eficiència. D'altra banda, en aquest estudi es demostra que el disseny basat en el Klopfenstein permet una afinació fàcil del retard de grup a través de la reactància de sortida de la forma cònica, el que resulta en un ajust més senzill que altres dissenys publicats recentment en què el transformador de quart d'ona es substitueix per multi-línies de transmissió de la secció (híbrids o similar). Els resultats experimentals han mostrat un 43-54% d'eficiència de drenador en 42 dBm de potència de sortida, en l'interval de 1,7-2,75 GHz. Concretament, els resultats presentats en aquest nou amplificador tipus Doherty impliquen una tècnica de modulació de càrrega específic que utilitza una combinació del Klopfenstein juntament amb un transformador de múltiples seccions per tal d'obtenir un alt ample de banda amb la usual eficiència en DPAs.Postprint (published version

Printed analogue filter structures

The authors report progress in conductive lithographic film (CLF) technology, which uses the offset lithographic printing process to form electrically conductive patterns on flexible substrates. Networks of planar passive components and interconnects fabricated simultaneously via the CLF process form notch filter networks at 85 kHz

Tuneable quantum interference in a 3D integrated circuit

Integrated photonics promises solutions to questions of stability, complexity, and size in quantum optics. Advances in tunable and non-planar integrated platforms, such laser-inscribed photonics, continue to bring the realisation of quantum advantages in computation and metrology ever closer, perhaps most easily seen in multi-path interferometry. Here we demonstrate control of two-photon interference in a chip-scale 3D multi-path interferometer, showing a reduced periodicity and enhanced visibility compared to single photon measurements. Observed non-classical visibilities are widely tunable, and explained well by theoretical predictions based on classical measurements. With these predictions we extract a Fisher information approaching a theoretical maximum, demonstrating the capability of the device for quantum enhanced phase measurements.Comment: 11 pages, 24 figure