Microwave Amps Use 'Time Reversal Mirror'

It may sound like science fiction, but the MIT Technology Review reports that a technique borrowed from acoustics could lead to a super-powerful amplifier of microwave radiation. The output of this device would be used to generate non-nuclear electromagnetic pulses (EMPs). EMPs are a strong shock wave of electromagnetic radiation that can be used to damage electronic circuits, stop cars by interfering with their electronic systems, disable satellites and destroy aircraft. EMPs can be generated by nuclear explosions and strong, nearby lightning discharges.

The MIT article points out that in the past, an explosion would be required to produce an EMP of sufficient power to disable vehicles or infrastructure. Earlier this year the French Ministry of Defense published a description of an early prototype of what the researchers called a potential "electromagnetic bazooka." The researchers were able to achieve a gain of 46 dB in the system. With this amount of gain, a 10 Watt input signal would result in an output of almost 400,000 Watts.

This amplification is achieved by using Time Reversal Signal Processing. A Time Reversal Mirror receives a short pulse of electromagnetic energy at an antenna, reverses it in time by using an "arbitrary waveform generator," and then sending it back to the original transmitter.

According to the article:



"When used on either audio signals or electromagnetic waves, a Time Reversal Mirror allows engineers to exploit what's known as the 'pulse compression property' of time reversal to create an amplified version of the signal at a point outside the reverberation chamber housing the transmitter and the time reversal mirror."

It further explains that at some distance away from the device, a "significantly amplified" version of the original signal is then generated.

The Time Reversal Signal Processing technique was invented by Mathias Fink in 2004 for audio signal processing, but has been extended for use into radio frequencies.

I did some research on this and found a paper which listed Mathias Fink as a contributor Time-reversal signal processing can boost wireless comms.

The paper explains how the technique can be used to increase wireless data bandwidth using multiple antennas spaced much closer than the one-half wavelength spacing typically required for MIMO systems.

A good summary of the technique, complete with graphs and formulas, is contained in the paper "The Time reversal method according to Mathias Fink" (LOA ESPCI Paris)[PDF] by C. Bardos. Interested readers should also see Mathis Fin's article on Time-reversal acoustics in the Journal of Physics Conference Series Volume 110, Number 1.

Jesús Ramirez

C.I: 18564428

Investigadores de la UPV/EHU desarrollan una patente para el sector del Espacio

 

Esta patente conjunta con la agencia francesa, así como un software de análisis destinado al sector del espacio, que ya está siendo utilizada por Thales Alenia Space- Francia.
Los avances más relevantes son el desarrollo de técnicas de análisis para mejorar los amplificadores de microondas, piezas clave en los equipos transmisores/receptores del satélite
Investigadores de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad del País Vasco, UPV/EHU, junto con la Agencia Espacial Francesa (CNES), han desarrollado una patente para el sector del espacio que ya se está empleando por parte de empresas de este sector entre las que se encuentra Thales Alenia Space-Francia.
Según informó la UPV/EHU, el grupo del Departamento de Electricidad y Electrónica, coordinado por los profesores Joaquín Portilla y Juan Mari Collantes, ha desarrollado esta patente conjunta con la agencia francesa, así como un software de análisis destinado al sector del espacio, que ya está siendo utilizada por Thales Alenia Space- Francia (TAS-F) y otras industrias galas del sector en el desarrollo de sus amplificadores.
El grupo del Departamento de Electricidad y Electrónica desarrolla desde hace diez años parte de su investigación en el ámbito de la electrónica para radiocomunicaciones de satélite.
Los avances más relevantes se han producido en el desarrollo de técnicas de análisis para la mejora de los amplificadores de microondas, piezas clave en los equipos transmisores/ receptores del satélite, que son los que han dado lugar a la citada patente conjunta. En este contexto, Natanael Ayllón, Ingeniero Electrónico por la Facultad de Ciencia y Tecnología e investigador predoctoral del grupo, está finalizando una tesis doctoral financiada por el CNES y TAS-F y dirigida por los profesores Aitziber Anakabe y Juan Mari Collantes.
En el marco de la tesis, Natanael ha realizado una estancia en TAS-F que ha servido para aplicar nuevas técnicas de análisis al diseño de varios amplificadores para futuros equipos de vuelo.

Jesús Ramirez

C.I: 18564428

Powering up microwave amplifiers for a wireless world

Europe's rapid advance into the front ranks of microwave amplifier research and development was stimulated to a large degree by European researchers in the TARGET project.
TARGET was a four-year effort that linked researchers and laboratories across Europe into an agile and aggressive research and development community.
Guided and energised by TARGET, formerly uncoordinated European research into microwave amplifier development has become "ambitious, highly successful, and collaborative", says TARGET's scientific coordinator, Gottfried Magerl at the Technical University of Vienna.
The EU-funded project's first challenge was to coordinate the efforts and expertise of 49 core laboratories, research centres, and businesses scattered across 16 countries.
The TARGET team tackled the problem in part by using sophisticated software to create a virtual research centre. Wherever they are, members can communicate readily with each other and access a common pool of software, documents and data.
This virtual community was supplemented by frequent face-to-face meetings, tutorials, and research collaborations.
The result, says Magerl, "is a very special kind of team spirit that is still alive".
TARGET's network coordinator, Sue Ivan at the telecommunications Research Center in Vienna, adds that the project grew into the largest international research co-operation in civilian microwave engineering history.
Real research in a virtual lab
TARGET researchers found early on that measuring devices and analytic software in different laboratories produced different readings from the same component.
This surprising discovery motivated them to go to great lengths to ensure that the nine co-operating laboratories used comparable equipment and analytic tools and so could produce equivalent results.
In addition, the labs were linked together via a shared computer interface and a powerful design language, XML, which let them manage and share mathematical models, research protocols and the resulting data.
The result was a Europe-wide virtual laboratory in which researchers can quickly and seamlessly perform all the steps needed to design, fabricate, and assess the performance of new components, amplifiers, and systems.
The steps may be made by several different labs, situated maybe in Vienna, Torino, Lille, and Rome," says Magerl. "Yet you think you get your results from one expert lab."
Expanded horizons, award-winning results
Although the TARGET team's central focus was on designing better microwave power amplifiers, they soon realised that for the programme to succeed, they needed a broader vision.
In the end, they developed expertise in a full spectrum of activities, from the fabrication and characterisation of basic semiconductor devices to the design of entire broadband transmission systems.
Spurred by the realisation that the field needed better tools for modelling the non-linear behaviour of components, sub-systems and complete amplifiers, TARGET researchers developed so much expertise in the area that they have literally written 'the book' on the subject, to be published in October 2008.
Before TARGET, European manufacturers of Gallium nitride amplifiers trailed their North American and Asian competitors in terms of power output across the frequency spectrum.
But in just four years, the manufacturers have doubled the power of their amplifiers, matching or exceeding their competitors, especially at the high frequencies needed for heavy data loads.
Building on the foundation of their coordinated virtual labs and modelling expertise, TARGET's connected labs quickly began to turn out amplifiers that were both powerful and efficient – intrinsically competing qualities that rarely appear together.
In 2005, they produced a six-watt amplifier that operated at close to 60% efficiency, and which garnered an international prize.
Magerl explains that the combination of a high efficiency and a linear response, although extremely hard to achieve, is a key issue.
"For mobile phones it decides battery lifetime and quality of service," he says. "For base stations it decides operational costs."
TARGET, which received funding from the EU's Sixth Framework Programme for research, resulted in 35 joint research projects, 63 journal papers, and 340 conference presentations, among other achievements.
"TARGET has become a brand name in the microwave community," says Magerl.
TARGET's researchers feel that the combination of precise measurement, powerful models, and fast turn-around times can now allow manufacturers to produce better and more creative designs, while reducing the time it takes for an idea to move from a perceived need to a finished product.
TARGET researchers hope that the level of expertise developed through the project will be its legacy to the European research and development community.
"We think that we achieved more than just the sum of our efforts," says Magerl. "TARGET can serve as a showcase of how to convince competitors to co-operate and to create a win-win situation."

Jesús Ramirez

C.I: 18564428

Amplificadores inalámbricos basados en silicio alcanzan los 10 Gbps

 

En la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido 2009 se anunció la creación de un amplificador basado en silicio, capaz de operar en un rango de entre 70 GHz y 110 GHz. El silicio permitiría transferencias de datos a una velocidad de 10Gbps en distancias de hasta 1 kilómetro. Esta cifra supera ampliamente otras velocidades alcanzadas hasta ahora.

James Buckwalter, un profesor asistente en San Diego, inventó el amplificador y lo nombró como Amplificador Constructivo de Ondas en Casacada. Según sus propias palabras: "El amplificador constructivo de ondas en casacada es una nueva arquitectura en circuitos que puede empujar al silicio a nuevos regímenes de operación, cercanos a los límites fundamentales de la Ley de Moore y permitir una alta tasa de transferencia de datos dentro del espacio electromagnético en un rango milimétrico de onda. Estamos explorando qué rol juega el silicio a frecuencias que exceden los 100 Gigahertz. El silicio tiene la ventaja de permitir una integración barata de las microondas y ahora quizás de componentes de ondas milimétricos".

Esta área de la frecuencia del espectro electromagnético no ha tenido un gran uso comercial a pesar de sus deseables propiedades. Historicamente esto se debió al alto costo de crear transceptores que puedan operar en este rango. La nueva solución de silicio no simplemente reduce costos, sino también permite la produción masiva.

Jesús Ramirez

C.I: 18564428

Gallium Nitride Devices and Microwave Power Amplifiers

There is an increasing demand for high power, broadband, high efficiency solid-state microwave power amplifiers for commercial and military applications in wireless communication. The advantages of semiconductor power transistors, if available, are high reliability, small size, low cost, and compatibility with integrated circuit technology. Wide bandgap gallium nitride (GaN) transistor has been extensively studied recently due to its capability of high speed, high power operation with good thermal management relative to the conventional gallium arsenide or silicon-based transistors. The goal of our research in the past and present is to develop high efficiency, broadband power amplifiers using GaN transistors for high power microwave application and to study the intrinsic noise characteristics of these devices for low noise device and circuit design.
Using GaN transistors, we have designed and fabricated broadband (3 dB bandwidth of DC-8 GHz with 13 dB small signal gain), high output power (3-6 Watts), high efficiency (31 % maximum power added efficiency) monolithic microwave amplifier (chip size: 2.5 mm x 1.4 mm) in collaboration with Cornell University. The concept of nonuniform distributed amplification (NDA) was developed for high efficiency and broadband design, and fabricated amplifiers demonstrated the multi-octave high power operation in a GaN monolithic microwave integrated circuit (MMIC). Using GaN transistors, we have further investigated the power-bandwidth performance limitation in the NDA, and our study suggested the possibility of a GaN MMIC NDA with 10 Watts output power (40 % maximum power added efficiency) and DC-20 GHz bandwidth.
We are currently investigating the intrinsic noise characteristics of GaN transistors. Low frequency and microwave noise measurements were performed on GaN transistors, and a noise de-embedding technique was applied to extract the intrinsic noise sources. The emphasis of this work is to determine the precise intrinsic noise sources and their origin for GaN transistors, thus enabling the development of low noise device and circuit design concepts.
The Microwave laboratory (EE316) has extensive characterization equipment in the 0-40 GHz range, along with sources, detectors and other waveguide components in the millimeter-wave range. This equipment includes: HP8510B network analyzer with an HP8516A S-parameter test set, HP8341B synthesized sweeper, and HP83420A lightwave test set for general scattering parameter measurement; HP8970B noise figure meter with an HP8971C noise figure test set and HP8673G synthesized CW generator for noise measurement; HP8350B sweep oscillator, 438A power-meter for RF power measurement; and HP8757E scalar network analyzer (or spectrum analyzer) with an indoor anechoic chamber for antenna characterization.

Chip photo of the fabricated NDA. Three cascode-connected AlGaN/GaN HEMT cells were employed to design and fabricate a very compact, broadband, high power MMIC. On-wafer measurements yielded 6.1 W maximum output power (31 % power added efficiency) at 3 GHz in Class A operation and 3-6 W output power over DC-8 GHz.

Measured and modeled minimum noise figure and optimum source reflection coefficient of 0.25 mm AlGaN/GaN HEMT. The dotted line is with 50 % of the estimated gate leakage current and the dashed line is the case with 10 % of the leakage current. Developed noise model correctly predicts the frequency dependent noise for AlGaN/GaN HEMTs.

Jesús Ramirez

C.I: 18564428

The Need to Amplify Signals

An amplifier is one of the most common electrical elements in any system. The requirements for amplification are as varied as the systems where they are used. Amplifiers are available in a large number of form factors ranging from miniscule ICs to the largest high-power transmitter amplifiers. In the following discussion the focus will be on solid-state power amplifiers used at microwave frequencies, particularly in test and measurement applications.

Microwave power amplifiers may be used for applications ranging from testing passive elements, such as antennas, to active devices such as limiter diodes or MMIC based power amplifiers. Furthermore, other applications include testing requirements where a relatively large amount of RF power is necessary for overcoming system losses to a radiating element, such as may be found at a compact range, or where there is a system requirement to radiate a device-under-test (DUT) with an intense electromagnetic field, as may be found in EMI/EMC applications.
As varied as the system requirements may be, the specific requirements of a given amplifier can also vary considerably. Nevertheless, there are common requirements for nearly all amplifiers, including frequency range, gain/gain flatness, power output, linearity, noise figure/noise power, matching, and stability. Often there are design trade-offs required to optimize any one parameter over another, and performance compromises are usually necessary for an amplifier that may be used in a general purpose testing application.
The following discourse includes a description of amplifier topologies introducing the basics of spatially combined distributed amplifiers, a discussion of typical amplifier specifications, and a review of performance verification measurements.

Jesús Ramirez

C.I:18564428

LINEALIZADOR PARA AMPLIFICADOR DE POTENCIA

Un método para reducir la intermodulación es hacer trabajar al amplificador con potencia no-saturada (Back-off). Un segundo método para reducir las intermodulaciones es el uso de distorsionadores previos a la etapa de amplificación. El linealizador es un predistorsionador, circuito que trabaja a nivel de IF antes del conversor o en RF luego del mismo y que compensa la intermodulación del conjunto transmisor desde IF en el transmisor hasta la RF. En la Fig 04 se muestra el diagrama en bloques.
En el ejemplo de la Fig 04 se ha tomado la distorsión de intermodulación del tipo 2.f1-f2 y 2.f2-f1, siendo que la señal de entrada está compuesta de dos frecuencias f1 y f2. En realidad un circuito alineal genera todo tipo de componentes (±m.f1,±n.f2) pero de ellas las más importantes son las mencionadas como ejemplo.

En el amplificador de salida la relación señal a ruido de intermodulación de tercer orden es inversamente proporcional a la potencia de ingreso y pueden indicarse valores de S/N de 40, 50 y 60 dB para señales de ingreso +5; 0 y -5 dBm.
En los amplificadores a FET de AsGa existen 3 causas de alinealidad: la alinealidad de la capacidad de la juntura gate-source; la alinealidad de la trasconductancia y de la impedancia de salida.
Con señales fuertes la alinealidad está determinada por el límite de la característica corriente-voltaje producto de la avalancha en la juntura drain-gate.

Jesús Ramirez

C.I:18564428

AMPLIFICADOR CON TWT

El tubo de onda progresiva TWT (Traveling Wave Tube) es la otra variante de amplificador que se utiliza en las estaciones
para comunicaciones satelitales. En la Fig 01 se muestra el diagrama del TWT. El TWT es un amplificador de gran ancho de banda (hasta una octava) y una ganancia de potencia de 25 a 50 dB. La eficiencia, entre el 20 y 40%, es función del ancho de
banda.
Consiste en un generador de haz electrónico y una estructura de enfoque magnético. Una estructura en forma de hélice facilita la interacción entre el campo de microondas y el haz electrónico. La velocidad de los electrones se ajusta para que sea igual a la velocidad de fase de las microondas.
El cañón electrónico consiste en:
-Calefactor y cátodo, cuya superficie de emisión de electrones es mucho mayor que el área del haz lo cual permite trabajar con menor densidad de electrones en un orden de 15 a 50 veces.
-Electrodo de enfoque que rodea al cátodo y regula el campo eléctrico y
-Ánodo para acelerar y concentrar el haz de electrones lo cual actúa sobre la ganancia del amplificador.
-Colector de electrones, es una estructura que desacelera el haz en varias etapas de tensión positiva para restar energía cinética y disminuir la disipación de calor.
Los TWT típicos en general funcionan con una tensión de colector inferior al ánodo y cátodo. La amplificación propiamente dicha se produce en la estructura de enfoque e interacción. En la medida que la onda a amplificar viaja en la estructura de hélice el campo electromagnético modula la velocidad de los electrones en ondas periódicas aproximadamente en fase con el campo. La mayoría de los electrones desaceleran y entregan energía al campo produciendo la amplificación. Se caracteriza a este proceso por una ganancia proporcional a la longitud de la zona de interacción.
La estructura de onda lenta es una hélice de alambre de tungsteno o molibdeno sujeta a una varilla de cerámica (óxido de aluminio o berilio) que la aíslan de la estructura metálica envolvente. La selección de materiales influye en la capacidad de potencia de salida y la eficiencia del TWT.
En las estaciones de comunicaciones por satélite se recurre al Klystron o al TWT debido a las exigencias de potencia de emisión.
En cambio, en los enlaces terrestres se recurre exclusivamente a amplificadores de potencia de estado sólido con transistores.

Jesús Ramirez

C.I: 18564428

AMPLIFICADOR CON KLYSTRON

El Klystron se utiliza como amplificador de potencia en algunas estaciones terrestres de comunicaciones satelitales. En la Fig
01 se muestra un diagrama simplificado de los componentes de un Klystron típico de múltiples cavidades. Generalmente se
utilizan 5 cavidades en un Klystron de 3 Kw de potencia. Se dispone de un cañón electrónico que emite un haz de electrones
que pasa a través del espacio intermedio entre las cavidades de cada uno de los resonadores.
La primer cavidad sirve para ingresar la señal de microondas a ser amplificada, mientras que la segunda se usa para extraer la
señal ya amplificada. La señal de entrada excita la primer cavidad creando un campo eléctrico el cual modula a su vez el haz
de electrones. La velocidad de los electrones es proporcional al campo resultante en la cavidad. En la última cavidad se
genera un campo eléctrico como función de la velocidad de los electrones que se transforma en una corriente de microondas
de salida.

Para obtener una elevada ganancia el haz de electrones se enfoca mediante cavidades intermedias y mediante un tubo que
actúa como focalizador magnético constituido por un imán permanente corto o un solenoide largo. La frecuencia de
resonancia del amplificador se ajusta mediante unos tornillos de sintonía disponibles en las cavidades. Dado que la densidad
del haz de electrones determina la potencia de salida y que los electrones interceptados en el colector producirán calor que es
preciso disipar, la capacidad de transferencia de calor del tubo determinará la potencia manejable por el Klystron. En la
práctica el colector es una estructura grande y hueca enfriada por aire.
Los Klystron, en las denominadas bandas C y Ku, tienen las siguientes características generales:
-en la banda de 5925 a 6425 kHz tienen una potencia de salida de 150 a 3400 watts con ganancias de 50 a 40 dB y anchos de
banda de 23 a 45 MHz respectivamente;
-en la banda de 14 a 14,5 GHz la potencia es de orden de 1500 a 200 watts con una ganancia de 40 dB y ancho de banda de
100 MHz.
Como se observa, al Klystron se debe ingresar con una alta potencia de entrada; ya que para obtener 2 Kw de salida
(equivalente 63 dBm) con una ganancia de 40 dB se requieren 23 dBm de ingreso. En la misma Fig 01 se muestra un
diagrama a bloques del amplificador con Klystron donde se disponen de etapas previas con amplificador a transistores para
obtener los 23 dBm a partir de la señal proveniente del up-converter.

Jesús Ramirez

C.I: 18.564.428