7 research outputs found

    Personal area technologies for internetworked services

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    Kokeellinen taajuusmuunnin DVB-T -lähettimeen

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    Kiinnostus digitaalisen televisiolähetteen vastaanottamiseen matkaviestimillä on lisääntynyt viime vuosina. Euroopalaista DVB-T -digitaalitelevisiostandardia viimeistellessä perustettiin ad-hoc ryhmä DVB-X tutkimaan, miten standardia voitaisiin muuttaa, jotta liikkuva vastaanotto olisi mahdollista. Samaan aikaan langattomien lähiverkkojen käyttö on lisääntynyt huomattavasti, joten viestintäviranomaiset ovat varanneet uusia taajuuskaistoja mikroaaltotaajuuksilta näiden käyttöön. Koska uuden sukupolven langattomien lähiverkkojen standardi HiperLAN/2 ja digitaalitelevisiostandardi DVB-T käyttävät samankaltaista OFDM-lähetystekniikkaa, yhdistämällä lähiverkkojen kaupalliset RF osat ja DVB-T lähete on mahdollista toteuttaa mikroaaltotaajuuksilla toimiva digitaalitelevisiolähetin. Diplomityössä esitetään ratkaisu, jossa UHF-taajuuksinen digitaalitelevisiolähete nostetaan taajuusmuuntimella 5,8 GHz ISM-kaistalle. Jotta muuntimen kriittisten osien sekä taajuusmuunnoksen ongelmat voitaisiin ratkoa, työssä esitetään lyhyt kertaus DVB-T -tekniikan tärkeimpiin alueisiin. Läpikäymällä viimeaikaisia radioaaltojen etenemismallien mittauskampanjoita alan kirjallisuudesta sekä vastaanottoalueen kartoistus, todetaan linkkibudjettilaskelmalla, että tarvittava lähetysteho on noin 10 W EIRP. Koska vastaanottoalue on kapea, lähetinantenni vahvistaa signaalia 20 dB. Tällöin DVB-T -lähettimen vaatimuksiin kuuluva lineaarinen vahvistin toteutetaan käyttämällä ylimitoitettua 1 W tehovahvistinta 10 dB alle sen maksimitehon. Työssä käsitellään myös muita tapoja linearisoida tehovahvistin, jotta backoff:n käyttö voidaan perustella. Jotta rakennetun taajuusmuuntimen suorituskykyä voitaisiin arvioida, diplomityön loppupuolella esitellään eri mittausmenetelmiä sekä VTT:n Otadigi-lähettimen signaalin voimakkuuden mittauksen tulokset. Mittaustuloksien avulla voidaan myös arvioida, millainen taajuusmuunnin on järkevä toteuttaa

    A Study on Design and Implementation of Wideband High Power Amplifier for Digital TV Repeater

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    In this dissertation, a high power amplifier has been implemented and performed evaluation, which is operating at UHF band (470 ~ 806 MHz) for Digital TV repeater. The theoretical consideration of 100 Watt power amplifier at UHF band used in Digital TV repeater is studied. After extracting target specification of each part, amplifier is designed and fabricated. When the driving amplifier stage is flown by bias voltage of 28 V DC and current of 900 mA, it has the gain of more than 53.5 dB, the gain flatness of ±0.5 dB and return loss of less than -12 dB in 470 ~ 806 MHz. Also, when two signals at 2 MHz frequency interval are input port into the driving amplifier stage with 1 Watt output, it resulted in excellent characteristics to design specification with showing intermodulation distortion characteristics of more than 48 dBc. The middle amplifier stage using 85 Watt device is fabricated by RO-4003 electric substrate which is 3.38 in dielectric constant and 32 mil-thickness. When the driving amplifier stage and the middle amplifier stage were flown by bias voltage of 28 V DC and current of 4 A, they revealed the gain of more than 66 dB, the gain flatness of ±0.2 dB and return loss of less than -16 dB. Also, when two signals at 2 MHz frequency interval in using frequency band is input port into the driving amplifier stage with 40 dBm of output power, it showed intermodulation distortion characteristics of more than 38.50 dBc. The 100 Watt unit power amplifier using temperature independent biasing for Digital TV repeater application is designed and fabricated. The DC operation point of this unit power amplifier at temperature variation from 20 ℃ to 100 ℃ is fixed by active bias circuit. The variation of current consumption in the 100 Watt unit power amplifier has an excellent characteristics of less than 0.6 A. The implemented unit power amplifier has the gain over 12 dB, the gain flatness of less than ±0.5 dB and return loss of less than 15 dB over the DTV repeater frequency range. This unit power amplifier yields intermodulation distortion of more than 32 dBc at 2 MHz offset, which satisfies the IMD at output power of 100 Watt (50 dBm). The broadband high power 3-way combiner was designed and fabricated for the digital TV repeater. To achieve increase of bandwidth and high power capability, Wilkinson type power divider was adopted in our research. First of all, Wilkinson type power divider of equal-split and unequal-split were combined, the characteristics variation of the same phase four port power combiner was simulated according to the various thicknesses of dielectric substrates. As the results of simulation, the power combiner fabricated by using dielectric substrate of 120 mil-thickness has the characteristics as follows: insertion loss of less than -6 dB, return loss of less than -13 dB, isolation among the output ports of less than -15 dB, and phase difference among the output ports of smaller than 13°. Therefore, this power combiner was possible to improve the limit of microstrip line width due to high impedance, the problems of power loss due to interaction between strip lines in high power combiner and narrow bandwidth simultaneously. Furthermore, since the fabricated 3-way combiner has good characteristics of insertion loss, the return loss, separation between ports and phase difference, making broadband and high power could be achieved. By using 3-way power divider and power combiner, 100 Watt unit power amplifier stage was designed and fabricated as a type of 3-stage balanced amplifier and to detect the final signal output power with using of 40 dB parallel coupled-line directional coupler. The fabricated 40 dB parallel couled-line directional coupler detects the signal power emitting to the antenna, and then supplies its voltage to the attenuator. In addition, this sets to be changed with a basic attenuation 8 dB, according to the changing of the power amplifier's temperature and 8-VSB modulator's input signal. Besides, in order to measure the fabricated 100 Watt power amplifier, the estimation technique function which makes equivalent mask by Tektronix RFA-300A was used. As a result of the measurement, the existence of pilot signal is confirmed and the signal transmitted at the rated output power 100 Watt is brought out the flat feature through 6 MHz bandwidth. And it resulted that its value was less than -47 dB at the edge of radiation channel and less than -110 dB at more than 6 MHz position from channel edge. Finally a positive results on the equivalent mask has been complied with related regulations.목차 Abbreviations Abstract 제1장 서론 = 12 1.1 연구 배경 = 12 1.2 연구 목적 = 14 제2장 디지털 TV 방송 시스템 = 16 2.1 통신 시스템의 형태 = 16 2.2 DTV 시스템 설계 파라미터 = 17 2.3 지상파 DTV 중계기 시스템 = 25 2.4 지상파 DTV HPA 서브 시스템 = 27 제3장 전력증폭기의 설계 및 구현 = 31 3.1 구동증폭단의 설계 및 구현 = 31 3.2 중간증폭단의 설계 및 구현 = 50 3.3 100 Watt 단위 전력증폭기의 설계 및 구현 = 62 3.4 결과 분석 = 75 제4장 100 Watt 전력증폭기의 구성 및 평가 = 77 4.1 3-Way 동위상 고출력 전력결합기 = 77 4.2 전력검출기 및 감쇠기 = 97 4.3 100 Watt 전력증폭기의 구성 및 특성 평가 = 103 4.4 결과 분석 = 115 제5장 결론 = 116 참고문헌 = 11

    On the design of high-efficiency RF Doherty power amplifiers

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    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

    Evaluación de los nuevos mecanismos de adaptación basados en redes reconfigurables para la mejora de la eficiencia en sistemas de comunicaciones móviles

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    En los sistemas de comunicaciones móviles actuales y futuros se está apostando por un proceso de investigación asociado a la obtención de sustanciales mejoras en el uso eficiente de la potencia de los transmisores, en especial a aquellos utilizados en los sistemas portátiles, donde el uso eficiente en el consumo de la batería es fundamental. Los sistemas de primera y segunda generación empleaban modulaciones de envolvente constante (con poca eficiencia espectral), que permitían operar los amplificadores de potencia (PA) en zona de saturación manteniendo buenos valores de eficiencia sin degradar calidad de la señal. Sin embargo, los nuevos sistemas de comunicaciones 3G, 4G, emplean esquemas de modulación más eficientes para proporcionar las tasas de datos y calidad de servicio demandadas. Estas modulaciones, como por ejemplo OFDM, están basadas en señales de envolvente no constante, que no pueden ser amplificadas eficientemente utilizando las arquitecturas clásicas, y por lo tanto requieren grandes back-offs para mantener unos niveles de linealidad en la señal de salida aceptables. A todo esto hay que sumarle el incremento en los anchos de banda de las señales, así como la posibilidad de funcionar en distintas bandas frecuenciales y usando distintos tipos de señales, lo que añade complejidad adicional al diseño de los front-ends de RF. Otro de los factores que afectará a la eficiencia energética en transmisores inalámbricos es el efecto de variación de la impedancia de carga. El diseño de los PAs se realiza habitualmente considerando una carga fija de 50 ohmios. Sin embargo, en determinadas situaciones esta impedancia puede cambiar de valor y fluctuar como consecuencia de la interacción de la antena con el usuario y su entorno, lo que puede conducir a una reducción dramática de la eficiencia del PA. Además de la eficiencia, la linealidad puede verse también seriamente comprometida ante dichas variaciones de la carga. Para solventar, o de alguna manera mejorar estos problemas, hace ya unos cuantos años surgió el concepto de las redes de adaptación reconfigurables. Estos circuitos buscan la transformación de impedancias óptima que permita una transmisión de potencia, con las menores pérdidas posibles, entre la fuente y la carga, pero añadiendo la propiedad de la reconfigurabilidad, esto es, que mediante algún mecanismo de control electrónico y automático, las propiedades de adaptación de la red pueden cambiar, permitiéndole adaptarse a las condiciones del sistema. El objetivo final del uso de las redes de adaptación reconfigurables en sistemas de transmisión y/o recepción es la mejora de la eficiencia. En los últimos años se ha estudiado y verificado su utilidad en diversos contextos que van desde la mejora de la eficiencia en algunas arquitecturas de transmisión, la capacidad para mejorar condiciones de desadaptación en entornos variables, o la contribución a la reducción de componentes y mejora de la eficiencia en sistemas multi-modo y/o multi-banda. En esta tesis doctoral se van a tratar varios aspectos relacionados con el diseño, caracterización y aplicaciones de este tipo de dispositivos. En un principio, se partirá de una revisión del estado del arte en cuanto a tecnologías de radio frecuencia y redes de adaptación reconfigurables. Inicialmente se presentan las tecnologías más habituales para conseguir reconfigurabilidad en circuitos de RF, esencialmente, diodos PIN, varactores, transistores y MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), analizando sus características fundamentales, ventajas, problemas y últimos desarrollos en el mercado. Posteriormente se presenta una revisión del estado del arte centrado en las redes de adaptación reconfigurables en diferentes tecnologías. El estudio y análisis de las figuras de mérito y medida de prestaciones para redes de adaptación reconfigurables constituirá una importante parte en la presente tesis. Utilizando un prototipo de referencia se presentan distintas métricas, discutiendo su viabilidad para medir de manera precisa las prestaciones de este tipo de redes. Una vez definidas las métricas, se presentan diversos diseños y prototipos en diferentes tecnologías, para después presentar un mecanismo de optimización y automatización para redes controladas digitalmente. Por último se estudian diversas aplicaciones de este tipo de redes en sistemas de transmisión y recepción de sistemas móviles. En cuanto a recepción, se presenta un estudio para mejorar la eficiencia general de sistemas basados en el estándar DVB-H. Utilizando redes de adaptación reconfigurables se verificará la mejora en la ganancia realizada en estos sistemas, además de contribuir a la mejora de la relación señal a ruido a la salida del amplificador de bajo ruido. En cuanto a los sistemas de transmisión se presentan diversos mecanismos para mejorar la eficiencia bajo condiciones de carga variable. Se propondrán varias soluciones tanto con el uso de combinadores resistivos como de combinadores no aislados en arquitecturas LINC. Para estos últimos, se presentará un mecanismo basado en un combinador Chireix ajustable que permitirá compensar hasta cierto punto las variaciones en la impedancia de carga. Posteriormente se presentará un sistema de modulación dinámica de carga usando redes de adaptación reconfigurables, y su aplicación para condiciones de carga variable. Finalmente se estudiará el uso de redes de adaptación reconfigurables para la mejora de la sensibilidad en la aplicación de técnicas de predistorsión digital

    GigaHertz Symposium 2010

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