Microwave resonant sensors

Microwave resonant sensors use the spectral characterisation of a resonator to make high sensitivity measurements of material electromagnetic properties at GHz frequencies. They have been applied to a wide range of industrial and scientific measurements, and used to study a diversity of physical phenomena. Recently, a number of challenging dynamic applications have been developed that require very high speed and high performance, such as kinetic inductance detectors and scanning microwave microscopes. Others, such as sensors for miniaturised fluidic systems and non-invasive blood glucose sensors, also require low system cost and small footprint. This thesis investigates new and improved techniques for implementing microwave resonant sensor systems, aiming to enhance their suitability for such demanding tasks. This was achieved through several original contributions: new insights into coupling, dynamics, and statistical properties of sensors; a hardware implementation of a realtime multitone readout system; and the development of efficient signal processing algorithms for the extraction of sensor measurements from resonator response data. The performance of this improved sensor system was verified through a number of novel measurements, achieving a higher sampling rate than the best available technology yet with equivalent accuracy and precision. At the same time, these experiments revealed unforeseen applications in liquid metrology and precision microwave heating of miniature flow systems.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Microwave resonant sensors

Microwave resonant sensors use the spectral characterisation of a resonator to make high sensitivity measurements of material electromagnetic properties at GHz frequencies. They have been applied to a wide range of industrial and scientific measurements, and used to study a diversity of physical phenomena. Recently, a number of challenging dynamic applications have been developed that require very high speed and high performance, such as kinetic inductance detectors and scanning microwave microscopes. Others, such as sensors for miniaturised fluidic systems and non-invasive blood glucose sensors, also require low system cost and small footprint. This thesis investigates new and improved techniques for implementing microwave resonant sensor systems, aiming to enhance their suitability for such demanding tasks. This was achieved through several original contributions: new insights into coupling, dynamics, and statistical properties of sensors; a hardware implementation of a realtime multitone readout system; and the development of efficient signal processing algorithms for the extraction of sensor measurements from resonator response data. The performance of this improved sensor system was verified through a number of novel measurements, achieving a higher sampling rate than the best available technology yet with equivalent accuracy and precision. At the same time, these experiments revealed unforeseen applications in liquid metrology and precision microwave heating of miniature flow systems

Continuous-time low-pass filters for integrated wideband radio receivers

This thesis concentrates on the design and implementation of analog baseband continuous-time low-pass filters for integrated wideband radio receivers. A total of five experimental analog baseband low-pass filter circuits were designed and implemented as a part of five single-chip radio receivers in this work. After the motivation for the research work presented in this thesis has been introduced, an overview of analog baseband filters in radio receivers is given first. In addition, a review of the three receiver architectures and the three wireless applications that are adopted in the experimental work of this thesis is presented. The relationship between the integrator non-idealities and integrator Q-factor, as well as the effect of the integrator Q-factor on the filter frequency response, are thoroughly studied on the basis of a literature review. The theoretical study that is provided is essential for the gm-C filter synthesis with non-ideal lossy integrators that is presented after the introduction of different techniques to realize integrator-based continuous-time low-pass filters. The filter design approach proposed for gm-C filters is original work and one of the main points in this thesis, in addition to the experimental IC implementations. Two evolution versions of fourth-order 10-MHz opamp-RC low-pass filters designed and implemented for two multicarrier WCDMA base-station receivers in a 0.25-µm SiGe BiCMOS technology are presented, along with the experimental results of both the low-pass filters and the corresponding radio receivers. The circuit techniques that were used in the three gm-C filter implementations of this work are described and a common-mode induced even-order distortion in a pseudo-differential filter is analyzed. Two evolution versions of fifth-order 240-MHz gm-C low-pass filters that were designed and implemented for two single-chip WiMedia UWB direct-conversion receivers in a standard 0.13-µm and 65-nm CMOS technology, respectively, are presented, along with the experimental results of both the low-pass filters and the second receiver version. The second UWB filter design was also embedded with an ADC into the baseband of a 60-GHz 65-nm CMOS radio receiver. In addition, a third-order 1-GHz gm-C low-pass filter was designed, rather as a test structure, for the same receiver. The experimental results of the receiver and the third gm-C filter implementation are presented

Energieeffiziente HF-Front-End-Schaltungsarchitekturen am Beispiel von ZigBee-Empfängern

Der Arbeit vorangestellt ist eine Literaturübersicht über die verschiedenen Empfängerarchitekturen, aus denen die homodyne Architektur als die am besten für einen energieeffizienten Empfänger wie z.B. ZigBee geeignete ausgewählt wird. Basierend auf einer Systemsimulation werden die Kennzahlen des gesamten Empfängers festgelegt und diese umgesetzt in Spezifikationen für die einzelnen Schaltungsblöcke. Aus den festgelegten Kennzahlen wird deutlich, dass im Vergleich zu anderen drahtlosen Systemen eine geringe Anforderung an das Noise Figure und die Linearität gestellt wird, aber eine hohe Anforderung der geringe Stromverbrauch darstellt. In einer weiteren Literaturübersicht werden unterschiedlichen LNA-Architekturen miteinander verglichen und bewertet. Dabei werden nicht nur die konventionellen Architekturen Common-Source-LNA und Common-Gate-LNA (CG-LNA) betrachtet, sondern auch alternative Varianten untersucht. Aufgrund der Systemanforderungen wird der CG-LNA als der am besten geeignete ausgewählt. Basierend auf dem EKV-Modell, welches das Verhalten des MOSFETs in allen Arbeitsbereichen beschreibt, wird der CG-LNA analysiert. Dabei werden speziell, die parasitären Kapazitäten des MOSFETs und die durch Kurzkanaleffekte bedingte Zunahme des Rauschens, in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt berücksichtigt. In dieser Arbeit konnten weiterhin neue, arbeitspunktabhängige charakteristische Performancekennzahlen (weitenbezogene Source-Transkonduktanz und totale Eingangskapazität sowie Eingangszeitkonstante) des CG-LNAs definiert werden, welche in direkter Verbindung zu der verwendeten Standard-CMOS-Technologie stehen. Mit Hilfe dieser Kenngrößen können die Technologiebedingten Grenzen für den Eingangsreflexionsfaktor und das Noise Figure bestimmt werden. Mit Hilfe einer numerischen Simulation werden die Kennzahlen des CG-LNAs ermittelt. Darauf basierend wird ein Algorithmus formuliert, mittels dessen unter Berücksichtigung der festgelegten Spezifikationen für den LNA (Noise Figure und Eingangsreflexionsfaktor) der optimale Inversionskoeffizient und die dazugehörige Weite bei minimalem Arbeitspunktstrom gefunden werden kann. Die durchgeführte Optimierung zeigt, dass der günstigste Arbeitspunkt im Bereich der moderaten Inversion liegt. Die durch die Optimierung gefundenen Designparameter werden bei der anschließenden schaltungstechnischen Realisierung verwendet und die Kennzahlen des LNAs durch eine Schaltungssimulation verifiziert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt bei der Erweiterung des entwickelten CG-LNAs um eine variabel einstellbare Verstärkung. Dazu wird ein neues Konzept zur Verstärkungseinstellung vorgestellt und umgesetzt, welches darauf basiert den Arbeitspunktstrom abzusenken. Bei der schaltungstechnischen Umsetzung werden 16 verschiedene Verstärkungsstufen realisiert, wodurch die Verstärkung des LNAs in 1 dB Schritten reduziert werden kann (eine beliebige Stufung ist ebenfalls realisierbar). Der Arbeitspunktstrom wird dabei um fast eine Größenordnung reduziert. Durch Betrachtung des SNR-Ausgangsverhältnisses wird gezeigt, dass bei einer geringeren Verstärkungseinstellung sich keine Verschlechterung des SNR-Verhältnisses im Vergleich zur größten Verstärkungseinstellung ergibt. Der in dieser Arbeit vorgestellte optimierte CG-LNA kann zukünftig in Empfängern mit vergleichbaren Anforderungen eingesetzt werden. Die einstellbare Verstärkung mit gleichzeitig reduzierter Stromaufnahme stellt dabei eine wichtige Entwicklung dar, welche maßgeblich zur Verlängerung der Batterielebensdauer bei mobilen Geräten beiträgt

Cumulative index to NASA Tech Briefs, 1986-1990, volumes 10-14

Tech Briefs are short announcements of new technology derived from the R&D activities of the National Aeronautics and Space Administration. These briefs emphasize information considered likely to be transferrable across industrial, regional, or disciplinary lines and are issued to encourage commercial application. This cumulative index of Tech Briefs contains abstracts and four indexes (subject, personal author, originating center, and Tech Brief number) and covers the period 1986 to 1990. The abstract section is organized by the following subject categories: electronic components and circuits, electronic systems, physical sciences, materials, computer programs, life sciences, mechanics, machinery, fabrication technology, and mathematics and information sciences