Mikrovalna tehnologija i fotonika

Doc. dr. sc. Dubravko Babić

Radiofrekvencijska tehnologija

1.  Ugodivo pojačalo u klasi E sa naponski ugodivim kondenzatorom

Mobilni telefoni koriste više mikrovalnih pojačala (iPhone 5 ima 7 mikrovalnih pojačala) da bi pokrili sve kanale koje zahtjevaju moderni komunikacijski sustavi (LTE ima 44 kanala). Da bi se broj pojačala smanjio i prostor u mobilnom telefonu oslobodio za druge funkcije, te da bi se učinkovitost povećala, danas se istražuju nove arhitekture za mikrovalna pojačala snage koja će (a) biti učinkovita pri amplitudnim i faznim modulacijama koje se danas koriste komercijalno i (b) biti širokopojasna da se frekvencija nosioca može proizvoljno mijenjati. Od pojačala u kojima tranzistori rade kao preklopnici, klasa E je najučinkovitija, ali je sklop fundamentalno uskopojasan jer se reaktivni elementi moraju točno ugoditi na jednu frekvenciju da bi pojačalo ostvarilo rad u klasi E. Da bi se izradilo širokopojasno pojačalo klase E potrebno  je dizajnirati arhitekturu koja se može ugađati nekim ugodivim elementom. Jedan od mogućih, ali još neistraženih načina je korištenjem varaktorske diode čiji se kapacitet može mijenjati konstantnim naponom i time ostvariti ugodivu prilagodnu izlaznu mrežu. Međutim, problem s varaktorskim diodama je taj da su amplitude signala na izlazu pojačala sumjerljivi ili veći od kontrolnog napona na varaktorske diode što varaktorsku diodu pretvara u nelinearni teret (nedopustivo za mobilne komunikacije).

U ovom radu treba (a) teoretski i eksperimentalno istražiti da li se varaktorska dioda može korištenjem mikro-transformatora koristiti kao promjenjivi kondenzator u području do 3W na frekvencijama 10-1000 MHz (varaktorske diode i mikro-transformatori su komercijalno dobavljivi) i (b) treba istražiti načine kako se klasa E pojačalo može frekvencijski ugođati i posebice da li se to može ostvariti varaktorskom diodom. Eksperimentalno demonstrirati bar jedan način pri frekvenciji 500 MHz i izlaznoj snazi 100 mW. Rad se sastoji u istraživanju literature, dizajna, mjerenja komponenti, izrade pojačala, i mjerenja.

2.  1-GHz Chireix mikrovalno pojačalo

Energetska učinkovitost mikrovalnih pojačala koje rade u linearnom modu izuzetno je osjetljiva na pristunost amplitudne modulacije u pojačanom signalu. Da bi se učinkovistost povećala, danas se istražuju nove arhitekture za mikrovalna pojačala snage koja će biti (a) učinkovita pri amplitudnim i faznim modulacijama koje se danas koriste komercijalno i (b) širokopojasna. Chireix arhitektura, koja se često zove outphasing ili linear amplification using nonlinear components (LINC) je jedna obećavajućih arhitektura. Ovo je trenutno vrlo aktivno područje istraživanja što se vidi po tome da ju istražuje Intel, a Nokia je nedavno kupila startup www.etadevices.com. U ovom radu treba izraditi Chireix pojačalo korištenjem dva visoko-učinkovita polarna pojačala da bi se generirao diferencijalni signal i emitirao antenom. Ovaj pristup jos nije demonstriran. Potrebno je istražiti rad Chireix pojačala i eksperimentalno demonstrirati pojačalo koje radi u produčju 100-500 MHz i ima izlaznu snagu 100 mW.

Rad se sastoji u istraživanju literature, dizajna, izrade pojačala i mjerenja ućinkovitosti, linearnosti, izlazne karakteristike pojačala pri kontinuiranom i pri bar jednoj od komercijalno zanimljivih modulacija (GSM, EDGE, QPSK, LTE). Budući da je izlaz iz Chireix pojačala diferencijalan, mjerenja će se vrlo vjerojatno morati raditi a antenama.

3.  Optimizacija ograničenja RF snage na ulazu u prijemnik

Snaga mikrovalnog signala koji stiže na ulaz u RF prijemnik mobilnog telefona ovisi o tome koliko je daleko prijemnik od odašiljača. Najveća snaga se na prijemniku pojavi onda kad se prijemnik slučajno nađe u neposrednoj blizini pored odašiljačke antene. Dinamičko područje linearnog prijema ulaznog stupnja prijemnika je manje od mogućeg raspona snage koja može u taj prijemnik stići u stvarnim uvjetima. Zbog toga je potrebno na ulazu u prijemnik ugraditi ograničivač ulazne snage (engl. limiter) koji je fundamentalno nelinearan sklop. Budući da sposobnost prijenosa podataka sa antene u prijemnik mobilog telefona jako ovisi o linearnosti prijema, potrebno pažljivo dizajnirati ograničivač snage tako da zadrži linearnost u granicama dovoljenih standardima. Ograničivač se tipično sastoji od jedne ili više mikrovalnih dioda koje mogu biti pn-spojevi ili Schottky diode izrađenih u nekom od komercijalno dobavljivih poluvodičkih materijala. Svaka sklop i materijal ima drugačija svojstva. Zadatak je (i) teoretski istražiti arhitekture i ponašanje ograničivača, posebice generaciju trećeg harmonika čija je prisutnost najvažniji faktor u mobilnim komunikacijama, (ii) izraditi nekoliko najperspektivnijih sklopova i (iii) eksperimentalno potvrditi simulacije u frekvencijskom području od 100 MHz do 1 GHz.

4.  Mjerni sustav za evaluaciju aktivnih komponenti u kučištima

Za izradu pojačala, miksera, oscilatora i filtera potrebni su precizni modeli tranzistora, dioda, pasivnih komponenti i linija na tiskanim pločicama. Raspršni parametri su često dani u specifikacijama proizvoda, ali nakon što se proizvod zalemi na tiskanu pločicu, raspršni parametri koje vidi sklop se mijenjaju. Da bi se ostvario precizan model sklopa, potrebno je osmisliti niz načina kako se komponente mogu karakterizirati na tiskanoj pločici i uključiti u model. Specifično, ovaj rad uključuje (a) mjerenje raspršnih parametara neke impedancije s11(f), (b) mjerenje refleksije na istoj impedanciji korištenjem time-domain reflectometry, (c) simulacije s-parametara i vremenskog odziva MATLAB-om ili ADS alatom i (d) usporedba mjerenja sa simulacijom i ugađanje/identifikacija parazitnih elemenata.  Iako su strukture koje će se analizirati relativno jednostavne (par induktiviteta i par kondenzatora), rezultati dobro urađene analize su izuzetno korisni jer omogućavaju vrlo precizno ugađanje performansi tiskanih pločica na frekvencijama iznad 10 GHz. 

5.  Metoda i sustav za karakterizaciju sporih promjena u izlaznoj snazi RF pojačala 

Radiofrekvencijskog pojačala u bilo kojem mobilnom sustavu vrlo često mijenjaju izlaznu snagu zbog kretanja primopredajnika u odnosu na baznu stanicu.  Učestalost promijena može biti svakih deset milisekundi, a intenzitet se može promijeniti i do tisuću puta. Iako je digitalna kontrola ovakvih promijena jednostavna,  za izlazni tranzistor u pojačalu snage ovo može biti nemoguće pratiti precizno ako se tranzistorske karakteristike mijenjaju sporo uslijed karakteristika materijala ili problema u proizvodnom postupku (dominantni femomen je tzv. "drain lag"). Utjecaj ovakvih fenomena se najčešće ne vrednuje na samom tranzistoru već kad je pojačalo ili bar izlazni stupanj pojačala već izrađen. Postoji nekoliko testova koji su razvijeni u industriji da bi se ovakvi fenomeni otkrili i neke tehnologije su iz ovog razloga eliminirane iz primjene.

Zadatak ovog rada je implementirati mjerni sustav koji će modulirati izlaznu snagu nekolicine komercijalno dobavljivih tranzistora i vrednovati ove spore promjene na frekvencijama koje se koriste za 4G/LTE sustave. Gotovi test sustav će se onda koristiti za evaluaciju mikrovalnih pojačala. 

 

Mikrovalna fotonika

1.  Koherentni prijenos QAM-16 moduliranih signala optičkim vlaknom

Mikrovalna fotonika (Microwave photonics) je područje komunikacijskih tehnologija u kojem se u optičkim sustavima koriste modulacije iz bežičnih komunikacijam kao Quadrature-Amplitude Modulation (QAM) se koristi u HDTV, satelitskim komunikacijama, i mobilnim komunikacijama (npr. LTE), s tom razlikom da su brzine koje se mogu ostvariti u optičkim vlaknima mnogo veće od onih koje se mogu ostvariti u bežičnim komunikacijama jer je frekvencija nosioca 10,000 veća. U ovom radu potrebno je teoretski i eksperimentalno istražiti kako se koherentno modulira optički signal demonstrirati optilki sustav koji prenosi QAM-16 kodiranu informaciju.

2.  Mjerenje koherencije svjetla optičkim modulatorom

Mach-Zehnder je optički modulator koji se sastoji od dva valovoda izrađenih u litijevom niobatu u koji se ulazni svjetlosni signal jednako podijeli. U svakom valovodu svjetlosni signal doživi fazni pomak koji je kontroliran DC naponom na valovodu (svaki valovod posebno). Nakon prolaska kroz valovode, svjetlosni signali se ponovo zbroje i spregnu u jedan izlazni svjetlovod. Poništavanje prolaza svjetla kroz ovu strukturu se postiže tako da se DC napon ugodi da fazna razlika između valovoda bude točno 180 stupnjeva, a propust svjetla tako da je fazna razlika nula. Ovaj pristup radi izuzetno dobro kad je svjetlo koherentno (samo jedna valna dužina), ali ako je svjetlo nekoherentno ili samo djelomično koherentno onda se potpuno poništavanje ne može ostvariti. Zadatak je proučiti rad Mach-Zehnder modulatora za nekoherentno svjetlo i to potvrditi eksperimentalno korištenjem nekolicine svjetlosnih izvora različite koherencije: DFB lasera, FP lasera, i filtriranog spontano emitiranog svjetla. Ispitati da li je modulator može koristiti za procjenu koherentnosti svjetla.

3.  Utjecaj dubine modulacije na linearnost lasera

Mikrovalna fotonika (Microwave photonics) je nova tehnologija koja se radi i istražuje za potrebe povećanja kapaciteta komunikacija optičkim vlaknima a kojoj se koriste modulacije i hardverske tehnologije koje se već dugo koriste u bežičnim komunikacijama. U ovakvom komunikacijskom sustavui je medij preko kojeg se informacije šalju optičko vlakno, a modulacija ista (ili slična) monoj koja se koristi za bežične komunikacije. Ključna performansa koja se traži da bi se informacija prenjela bez grešaka je linearnost. Poluvodički laser je izuzetno brz, ali je dinamički nelinearan što znači da kod dublje modulacije amplitude (intenziteta) se javlja zasičenje koje rezultira pojavom viših harmonika u signalu. U ovom radu treba teoretski i eksperimentalno istražiti kako kvaliteta informacije prenešene optičkim putem ovisi o uvjetima rada laser i prisutnosti viših harmonika u signal u koji izlazi iz lasera.

Prof. dr. sc. Zvonimir Šipuš

Završni i diplomski radovi