Passive Components for Ultra-Wide Band (UWB) Applications

UWB technology brings the convenience and mobility of wireless communications to very high-speed interconnects in the home and office due to the precision capabilities combined with the low power. This makes it ideal for certain radio frequency sensitive environments such as hospitals and healthcare as well as radars. UWB intrusion-detection radar is used for detecting through the wall and also used for security with fuse avoidance radar, precision locating and tracking (using distance measurements between radios), and precision time-of-arrival-based localization approaches. The FCC issued a ruling in 2002 that allowed intentional UWB emissions in the frequency range between 3.1 and 10.6 GHz, subject to certain restrictions for the emission power spectrum. Other definitions for ultra-wideband range of frequency are also used such as any device that has 500 MHz bandwidth or fractional bandwidth greater than 25% is considered an UWB enable high data rate to be transferred with a very low power that does not exceed −41.3 dBm

Photonic RF signal processors

The purpose of this thesis is to explore the emerging possibilities of processing radiofrequency (RF) or microwave signals in optical domain, which will be a key technology to implement next-generation mobile communication systems and future optical networks. Research activities include design and modelling of novel photonic architectures for processing and filtering of RF, microwave and millimeter wave signals of the above mentioned applications. Investigations especially focus on two basic functions and critical requirements in advanced RF systems, namely: • Interference mitigation and high Q tunable filters. • Arbitrary filter transfer function generation. The thesis begins with a review on several state-of-the-art architectures of in-fiber RF signal processing and related key optical technologies. The unique capabilities offered by in-fiber RF signal processors for processing ultra wide-band, high-frequency signals directly in optical domain make them attractive options for applications in optical networks and wide-band microwave signal processing. However, the principal drawbacks which have been demonstrated so far in the in-fiber RF signal processors arc their inflexible or expensive schemes to set tap weights and time delay. Laser coherence effects also limit sampling frequency and introduce additional phase-induced intensity noise

UWB Technology

Ultra Wide Band (UWB) technology has attracted increasing interest and there is a growing demand for UWB for several applications and scenarios. The unlicensed use of the UWB spectrum has been regulated by the Federal Communications Commission (FCC) since the early 2000s. The main concern in designing UWB circuits is to consider the assigned bandwidth and the low power permitted for transmission. This makes UWB circuit design a challenging mission in today's community. Various circuit designs and system implementations are published in this book to give the reader a glimpse of the state-of-the-art examples in this field. The book starts at the circuit level design of major UWB elements such as filters, antennas, and amplifiers; and ends with the complete system implementation using such modules

Grundlegende Untersuchungen von abstimmbaren Flüssigkristall-Filtern für Hochfrequenzanwendungen

In dieser Arbeit werden abstimmbare Bandpassfilter für rekonfigurierbare Hochfrequenzanwendungen im Millimeterwellenbereich (30 GHz bis 300 GHz) untersucht. Hier für werden Flüssigkristalle (Liquid Crystal, LC) verwendet, die speziell für diesen Frequenzbereich optimiert sind und niedrige Verluste aufweisen. Aufgrund der richtungsabhängigen Anisotropie der Permittivität ist die Realisierung von kontinuierlich abstimmbaren hochperformanten Hochfrequenzkomponenten möglich. Ferner weist die LC-Technologie aufgrund der hohen Leistungstragfähigkeit, der hohen Linearität und einem sehr geringen Energieverbrauch ein sehr großes Potenzial für den Einsatz in zukünftigen flexiblen Transceivern auf. Für einen präzisen Filterentwurf müssen die dielektrischen Eigenschaften des verwendeten LCs bei der Operationsfrequenz bekannt sein, weshalb die Charakterisierung des LCs bei den in dieser Arbeit angestrebten Frequenzen einen Ausgangspunkt bildet. Da resonante Methoden eine genaue Bestimmung der Materialeigenschaften ermöglichen, wurde zunächst ein Resonator bei 60 GHz entworfen und anschließend ein automatisierter Messaufbau entwickelt, mit welchem die LCs über die Temperatur für die parallele und orthogonale LC-Ausrichtung charakterisiert werden. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt bei dem Entwurf, der Realisierung und der messtechnischen Charakterisierung von rekonfigurierbaren LC-Filtern. Dabei wurden verschiedene Wellenleitertopologien und neuartige LC-Ansteuerungskonzepte untersucht und miteinander verglichen. Zunächst wurde ein in der Mittenfrequenz-abstimmbares Filter mit einem speziellen Wellenleiter, mit einem nicht-abstrahlenden Dielektrikum (Non-Radiative Dielectric, NRD), bei 60 GHz entworfen. Mit einer rein elektrischen LC- Ansteuerung wurde eine Abstimmbarkeit von 2,9 % und einem maximalen Einfügeverlust von 6,2 dB erzielt. Des Weiteren wurden vollständig rekonfigurierbare Filter mit voneinander unabhängig abstimmbarer Bandbreite und Mittenfrequenz untersucht, die eine Abstimmung mit konstanter Filtercharakteristik ermöglichen. Das erste vollständig rekonfigurierbare LC-Filter wurde mit dem Rechteckhohleiter bei 30 GHz realisiert, welches mit einer rein elektrisch LC-Ansteuerung eine Bandbreitenabstimmbarkeit von 24 % und eine Mittenfrequenzabstimmbarkeit von 3 % erreichte. Die Einfügeverluste variieren zwischen 3,5 dB und 4,2 dB. Daraufhin wurde ein Filter entworfen, das einen offenen Wellenleiter, den sogenannten Groove Gap Waveguide (GGW) verwendet, der aus einer metallischen Platte (Perfect Electrical Conductor, PEC) und einer im Abstand kleiner einer viertel Wellenlänge gegenüberliegenden Metaoberfläche besteht, die einen künstlichen magnetischen Leiter (Artificial Magnetic Conductor, AMC) darstellt, erzeugt durch periodische Strukturen, hier speziell einer Anordnung aus metallischen Pins oder Stiften (Bed of Nails, BoN). Die für die DC-Entkopplung beider Platten (PEC und AMC) erforderliche offene Struktur dieser GGW-Filter vereinfacht die Integration der Elektrodenanordnung für die kontinuierliche Ausrichtung der LC-Moleküle. Im konkreten Fall wurde hierzu erstmalig eine hybride LC-Ansteuerung, einer Kombination aus elektro- und magnetostatischen Steuerfeldern, ausprobiert. Das GGW-Filter erzielte eine Bandbreitenabstimmbarkeit von 6,5 % und eine Mittenfrequenzabstimmbarkeit von 3,4 % mit geringen Einfügeverlusten zwischen 1,65 dB und 1,95 dB

Grundlegende Untersuchungen von abstimmbaren Flüssigkristall-Filtern für Hochfrequenzanwendungen

In dieser Arbeit werden abstimmbare Bandpassfilter für rekonfigurierbare Hochfrequenzanwendungen im Millimeterwellenbereich (30 GHz bis 300 GHz) untersucht. Hier für werden Flüssigkristalle (Liquid Crystal, LC) verwendet, die speziell für diesen Frequenzbereich optimiert sind und niedrige Verluste aufweisen. Aufgrund der richtungsabhängigen Anisotropie der Permittivität ist die Realisierung von kontinuierlich abstimmbaren hochperformanten Hochfrequenzkomponenten möglich. Ferner weist die LC-Technologie aufgrund der hohen Leistungstragfähigkeit, der hohen Linearität und einem sehr geringen Energieverbrauch ein sehr großes Potenzial für den Einsatz in zukünftigen flexiblen Transceivern auf. Für einen präzisen Filterentwurf müssen die dielektrischen Eigenschaften des verwendeten LCs bei der Operationsfrequenz bekannt sein, weshalb die Charakterisierung des LCs bei den in dieser Arbeit angestrebten Frequenzen einen Ausgangspunkt bildet. Da resonante Methoden eine genaue Bestimmung der Materialeigenschaften ermöglichen, wurde zunächst ein Resonator bei 60 GHz entworfen und anschließend ein automatisierter Messaufbau entwickelt, mit welchem die LCs über die Temperatur für die parallele und orthogonale LC-Ausrichtung charakterisiert werden. Der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt bei dem Entwurf, der Realisierung und der messtechnischen Charakterisierung von rekonfigurierbaren LC-Filtern. Dabei wurden verschiedene Wellenleitertopologien und neuartige LC-Ansteuerungskonzepte untersucht und miteinander verglichen. Zunächst wurde ein in der Mittenfrequenz-abstimmbares Filter mit einem speziellen Wellenleiter, mit einem nicht-abstrahlenden Dielektrikum (Non-Radiative Dielectric, NRD), bei 60 GHz entworfen. Mit einer rein elektrischen LC- Ansteuerung wurde eine Abstimmbarkeit von 2,9 % und einem maximalen Einfügeverlust von 6,2 dB erzielt. Des Weiteren wurden vollständig rekonfigurierbare Filter mit voneinander unabhängig abstimmbarer Bandbreite und Mittenfrequenz untersucht, die eine Abstimmung mit konstanter Filtercharakteristik ermöglichen. Das erste vollständig rekonfigurierbare LC-Filter wurde mit dem Rechteckhohleiter bei 30 GHz realisiert, welches mit einer rein elektrisch LC-Ansteuerung eine Bandbreitenabstimmbarkeit von 24 % und eine Mittenfrequenzabstimmbarkeit von 3 % erreichte. Die Einfügeverluste variieren zwischen 3,5 dB und 4,2 dB. Daraufhin wurde ein Filter entworfen, das einen offenen Wellenleiter, den sogenannten Groove Gap Waveguide (GGW) verwendet, der aus einer metallischen Platte (Perfect Electrical Conductor, PEC) und einer im Abstand kleiner einer viertel Wellenlänge gegenüberliegenden Metaoberfläche besteht, die einen künstlichen magnetischen Leiter (Artificial Magnetic Conductor, AMC) darstellt, erzeugt durch periodische Strukturen, hier speziell einer Anordnung aus metallischen Pins oder Stiften (Bed of Nails, BoN). Die für die DC-Entkopplung beider Platten (PEC und AMC) erforderliche offene Struktur dieser GGW-Filter vereinfacht die Integration der Elektrodenanordnung für die kontinuierliche Ausrichtung der LC-Moleküle. Im konkreten Fall wurde hierzu erstmalig eine hybride LC-Ansteuerung, einer Kombination aus elektro- und magnetostatischen Steuerfeldern, ausprobiert. Das GGW-Filter erzielte eine Bandbreitenabstimmbarkeit von 6,5 % und eine Mittenfrequenzabstimmbarkeit von 3,4 % mit geringen Einfügeverlusten zwischen 1,65 dB und 1,95 dB

Design and characterization of new tunable devices based on liquid crystal technology for microwave applications

Mención Internacional en el título de doctorThe PhD. Thesis work presented in this document has been made in the research group Grupo de Displays y Aplicaciones Fotónicas (GDAF) of Departamento de Tecnología Electrónica from Universidad Carlos III de Madrid. One of the most traditional GDAF research interest is the study of new devices based on liquid crystals (LC). In this specific research subject, this Thesis work has been focused, including several studies about tunable devices at microwave frequencies based on LC technology. The previous experience of the Group in this field includes the devising of some preliminary approaches related to LC tunable devices, specifically phase retarders. However, no previous systematic study similar to this was made in the scope of this research Group. The main aim of this Thesis work is, indeed, to contribute to the development of new tunable devices at microwave frequencies based on new and advanced LC mixtures with electrical properties that match the requirements at GHz bands. In particular, this work has focused on the design of passive tunable filters, due to the rich functionality of these devices in telecommunication systems at microwave frequencies. The document is structured in several parts. It begins with a revision of the different available technologies used in tunable devices at GHz frequencies. Then, the main theoretical fundamentals and concepts of passive filters, notch filters and band-pass filters, are treated. In the third chapter the general processes that are involved in the manufacturing of the devices are presented. A depth study of LC-based notch filters, using a microstrip spurline structure, is detailed in chapter 4. The different steps with the restrictions that concern the design and the characterization of the manufactured devices are presented. The optimization of the devices configurations and the prediction of the filters frequency response have been made by using commercial electromagnetic software tools. Additionally, the dielectric properties at microwave frequencies of the LC mixtures used in the different devices have been estimated. Chapter 5 is devoted to tunable LC-based band-pass filters based on microstrip dual-mode technology. In the same way, the optimization of the different filter configurations, as well as the design, simulation and measurement of the frequency response of the filters are described in this chapter. Finally, in the last chapter, the main conclusions of this Thesis work and the future research lines are presented.El Trabajo de Tesis Doctoral presentado en esta memoria se ha realizado dentro del Grupo de Displays y Aplicaciones Fotónicas del Departamento de Tecnología Electrónica de la Universidad Carlos III de Madrid. Entre las principales líneas de investigación del GDAF se encuentra el estudio de nuevos dispositivos cuya implementación práctica se basa en el empleo de cristales líquidos (CL). Dentro de esta línea de investigación se han realizado previamente algunos estudios acerca del empleo de CL para el diseño de dispositivos sintonizables a frecuencias de microondas. Así, previamente a la realización de este trabajo, se diseñó y caracterizó experimentalmente un desfasador sintonizable basado en las propiedades de estos materiales. Sin embargo, no se había realizado dentro del grupo un estudio sistemático acerca de dispositivos sintonizables a estas frecuencias similar al presentado en este trabajo de Tesis. El objetivo de este Trabajo de Tesis Doctoral es contribuir al desarrollo de dispositivos sintonizables a frecuencias de GHz basados en CL. Principalmente, el presente trabajo se ha centrado en el diseño de filtros, dada la importancia que estos dispositivos tienen en sistemas de comunicaciones de la citada banda de frecuencias. El documento se estructura en varias partes. Comienza con una revisión del estado del arte de los dispositivos sintonizables a frecuencias de microondas, realizando un barrido de las diferentes tecnologías que se vienen utilizando hasta la fecha de hoy, para posteriormente presentar los principales conceptos teóricos y la fabricación de dispositivos. En particular, los filtros pasivos, concretamente filtros notch y paso banda, son el ámbito central de discusión y el núcleo del presente trabajo. En el cuarto capítulo se presenta un estudio exhaustivo sobre filtros notch con estructura microstrip spurline basados en CL, abordando las distintas fases desde el estudio de las distintas configuraciones y variantes de la tecnología empleada, hasta la implementación de los dispositivos finales. Concretamente, se han diseñado, simulado y caracterizado experimentalmente la respuesta espectral de dos filtros notch basados en CL. La elección de la configuración óptima de cada dispositivo, así como la predicción de la respuesta en frecuencia del mismo, se ha llevado a cabo utilizando herramientas de simulación software comerciales. Por otro lado, la caracterización de las propiedades de los CL a las frecuencias de interés, es otra de las principales aportaciones de este trabajo. De la misma manera, el quinto capítulo está dedicado al diseño de filtros sintonizables paso-banda con tecnología microstrip dual-mode basados en CL. La optimización de las distintas configuraciones para filtros dual-mode, así como el diseño, implementación, simulación y caracterización experimental de la respuesta espectral de los distintos dispositivos fabricados, son los principales puntos a tratar en dicho capítulo. Adicionalmente se incluyen, en la parte final de la memoria, las principales conclusiones del presente trabajo, así como las líneas de investigación para el futuro inmediato.Apoyo financiero del Ministerio de Economía y Competitividad (proyectos TEC2009-13991-C02-01, TEC2014/00354/001) y de la Comunidad de Madrid (proyecto FACTOTEM2 S2009/ESP/1781).Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: José Manuel Otón Sánchez.- Secretario: Ricardo Vergaz Benito.- Vocal: Antigone Marin

Miniaturised and reconfigurable planar filters for ultra-wideband applications

An increasing demand for electromagnetic spectrum has resulted from the emergence of feature-rich and faster throughputs wireless applications. This necessitates the developments of dynamic reconfigurable or multifunctional systems to better exploit the existing spectrum. Future wireless devices will be expected to communicate over several bands with various other devices in order to fine tune the services they provide to the user. Each band may require a separate RF transceiver and such modern wireless multi-band multi-mode communication systems call for high performance, highly integrated compact modules. Since the Federal Communications Commission (FCC) released the unlicensed frequency band 3.1-10.6 GHz for ultra-wideband (UWB) commercial communications, the development race for commercialising UWB technology has seen a dramatic increase around the world. The aim of this research is to develop reconfigurable planar microwave filters for ultrawideband applications. The project investigates some key design issues of reconfigurable filters, which are being observed constantly in the latest development and realisation of microwave filters. Both analytical and numerical methods are performed to construct a realistic and functional design. Two different types of frequency reconfigurability are investigated in this thesis: discrete (e.g. PIN diode, Optical switch) and continuous (e.g. varactor diode). Using the equivalent circuits and considering the direct coupled filter structure in most cases, several topologies with attractive features are developed for future communication systems. The proposed works may be broadly categorised into three sections as follows. The first section explores a square ring shape close loop resonator along with an opencircuited stub in the symmetry plane. To realise a reconfigurable frequency states within the same spectrum, an innovative approach is developed for this case. An optical or photoconductive switch, comprised of a silicon die activated using near infrared light is investigated as a substitute of PIN diode and performances are evaluated to compare the feasibilities. In addition, a in-band interference rejection technique via externally coupled Tshape resonator is shown. However, it is observed that both structures achieve significant size reductions by utilising the inner part of the resonators. To improve the filter selectivity, a convenient design approach generating a pair of transmission zeros between both passband edges and a single zero in the stop band for harmonic suppression is discussed in the second section. Moreover, the development of notched rejection bands are studied and several novel methods to create a single and multiple notched bands employing the square ring shape structure are proposed. On inspection, it is found that the notch structure can be implemented without deteriorating the filter performances. The discussions are supplemented with detailed design examples which are accompanied by theoretical, simulated and experimental results in order to illustrate the filter development process and showcase practical filter performance. The third section reveals a novel highly compact planar dual-mode resonator with sharp rejections characteristics for UWB applications. A bandwidth reconfiguring technique is demonstrated by splitting its even-mode resonance. Filter structure with the dual-mode resonator is shown to have a relatively wide tuning range, significantly low insertion loss and a constant selectivity along with frequency variations in comparison to similar published works. Finally, the earlier dual-mode structure are modified to realise a dual wideband behaviour. A detail analysis with comprehensive design procedures is outlined and a solution for controlling the frequency bandwidths independently according to the application interest is provided. In line with the previous section, experimental verification is presented to support and supplement the discussions

Antenna Design for 5G and Beyond

With the rapid evolution of the wireless communications, fifth-generation (5G) communication has received much attention from both academia and industry, with many reported efforts and research outputs and significant improvements in different aspects, such as data rate speed and resolution, mobility, latency, etc. In some countries, the commercialization of 5G communication has already started as well as initial research of beyond technologies such as 6G.MIMO technology with multiple antennas is a promising technology to obtain the requirements of 5G/6G communications. It can significantly enhance the system capacity and resist multipath fading, and has become a hot spot in the field of wireless communications. This technology is a key component and probably the most established to truly reach the promised transfer data rates of future communication systems. In MIMO systems, multiple antennas are deployed at both the transmitter and receiver sides. The greater number of antennas can make the system more resistant to intentional jamming and interference. Massive MIMO with an especially high number of antennas can reduce energy consumption by targeting signals to individual users utilizing beamforming.Apart from sub-6 GHz frequency bands, 5G/6G devices are also expected to cover millimeter-wave (mmWave) and terahertz (THz) spectra. However, moving to higher bands will bring new challenges and will certainly require careful consideration of the antenna design for smart devices. Compact antennas arranged as conformal, planar, and linear arrays can be employed at different portions of base stations and user equipment to form phased arrays with high gain and directional radiation beams. The objective of this Special Issue is to cover all aspects of antenna designs used in existing or future wireless communication systems. The aim is to highlight recent advances, current trends, and possible future developments of 5G/6G antennas

2008 Index IEEE Transactions on Control Systems Technology Vol. 16

This index covers all technical items - papers, correspondence, reviews, etc. - that appeared in this periodical during the year, and items from previous years that were commented upon or corrected in this year. Departments and other items may also be covered if they have been judged to have archival value. The Author Index contains the primary entry for each item, listed under the first author\u27s name. The primary entry includes the coauthors\u27 names, the title of the paper or other item, and its location, specified by the publication abbreviation, year, month, and inclusive pagination. The Subject Index contains entries describing the item under all appropriate subject headings, plus the first author\u27s name, the publication abbreviation, month, and year, and inclusive pages. Note that the item title is found only under the primary entry in the Author Index