Advanced microwave oven for rapid curing of encapsulant

The curing of a thermosetting polymer materials utilized on micro-electronics packaging applications can be performed using microwave systems. The use of microwave energy enables the cure process to be completed more rapidly than with alternative approaches due to the ability to heat volumetrically. Furthermore, advanced dual-section microwave systems enable curing of individual components on a chip-on-board assembly. The dielectric properties of thermosetting polymer materials, commonly used in microelectronics packaging applications, vary significantly with temperature and degree of cure. The heating rate within a material subjected to an electric field is primarily dependant on the dielectric loss properties of the material itself. This article examines the variation in dielectric properties of a commercially available encapsulant paste with frequency and temperature and the resulting influence on the cure process. The 'FAMOBS' dual section microwave system and its application to microelectronics manufacture are described. The measurement of the dielectric properties of 'Henkel EO1080' encapsulant paste uses a commercially available 'dielectric probe kit' and is described in this paper. The FAMOBS heating system is used to encapsulate a small op-amp chip. A numerical model formulated to assess the cure process in thermosetting polymer materials under microwave heating is outlined. Numerical results showing that the microwave processing systems is capable of rapidly and evenly curing thermosetting polymer materials are presented.

Radio propagation modeling for capacity optimization in wireless relay MIMO systems with partial CSI

The enormous growth of wireless communication systems makes it important to evaluate the capacity of such channels. Multiple Input Multiple Output (MIMO) wireless communication systems are shown to yield significant performance improvement to data rates when compared to the traditional Single Input Single Output (SISO) wireless systems. The benefits of multiple antenna elements at the transmitter and receiver have become necessary to the research and the development of the next generation of mobile communication systems. In this paper we propose the use of Relaying MIMO wireless communication systems for use over long throughput. We investigate how Relays can be used in a "demodulate-and-forward" operation when the transmitter is equipped with spatially correlated multiple antenna elements and the receiver has only partial knowledge of the statistics of the channel. We show that Relays between the source and destination nodes of a wireless communication system in MIMO configuration improve the throughput of the system when compared to the typical MIMO systems, or achieve the desired channel capacity with significantly lower power resources needed.

Special issue on design and programming of signal processors for multimedia communication:Special issue on design and programming of signal processors for multimedia communication

The technical challenges in the design and programming of signal processors for multimedia communication are discussed. The development of terminal equipment to meet such demand presents a significant technical challenge, considering that it is highly desirable that the equipment be cost effective, power efficient, versatile, and extensible for future upgrades. The main challenges in the design and programming of signal processors for multimedia communication are, general-purpose signal processor design, application-specific signal processor design, operating systems and programming support and application programming. The size of FFT is programmable so that it can be used for various OFDM-based communication systems, such as digital audio broadcasting (DAB), digital video broadcasting-terrestrial (DVB-T) and digital video broadcasting-handheld (DVB-H). The clustered architecture design and distributed ping-pong register files in the PAC DSP raise new challenges of code generation.

Dilute acid hydrolysis of cellulose and cellulosic bio-waste using a microwave reactor system

The dilute acid hydrolysis of grass and cellulose with phosphoric acid was undertaken in a microwave reactor system. The experimental data and reaction kinetic analysis indicate that this is a potential process for cellulose and hemi-cellulose hydrolysis, due to a rapid hydrolysis reaction at moderate temperatures. The optimum conditions for grass hydrolysis were found to be 2.5% phosphoric acid at a temperature of 175 degrees C. It was found that sugar degradation occurred at acid concentrations greater than 2.5% (v/v) and temperatures greater than 175 degrees C. In a further series of experiments, the kinetics of dilute acid hydrolysis of cellulose was investigated varying phosphoric acid concentration and reaction temperatures. The experimental data indicate that the use of microwave technology can successfully facilitate dilute acid hydrolysis of cellulose allowing high yields of glucose in short reaction times. The optimum conditions gave a yield of 90% glucose. A pseudo-homogeneous consecutive first order reaction was assumed and the reaction rate constants were calculated as: k(1) = 0.0813 s(-1); k(2) = 0.0075 s(-1), which compare favourably with reaction rate constants found in conventional non-microwave reaction systems. The kinetic analysis would indicate that the primary advantages of employing microwave heating were to: achieve a high rate constant at moderate temperatures: and to prevent 'hot spot' formation within the reactor, which would have cause localised degradation of glucose.

On the Exploitation of the Inherent Error Resilience of Wireless Systems under Unreliable Silicon

In this paper, we investigate the impact of circuit misbehavior due to parametric variations and voltage scaling on the performance of wireless communication systems. Our study reveals the inherent error resilience of such systems and argues that sufficiently reliable operation can be maintained even in the presence of unreliable circuits and manufacturing defects. We further show how selective application of more robust circuit design techniques is sufficient to deal with high defect rates at low overhead and improve energy efficiency with negligible system performance degradation.

Impact of Residual Transmit RF Impairments on Training-Based MIMO Systems

Radio-frequency (RF) impairments, which intimately exist in wireless communication systems, can severely limit the performance of multiple-input-multiple-output (MIMO) systems. Although we can resort to compensation schemes to mitigate some of these impairments, a certain amount of residual impairments always persists. In this paper, we consider a training-based point-to-point MIMO system with residual transmit RF impairments (RTRI) using spatial multiplexing transmission. Specifically, we derive a new linear channel estimator for the proposed model, and show that RTRI create an estimation error floor in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime. Moreover, we derive closed-form expressions for the signal-to-noise-plus-interference ratio (SINR) distributions, along with analytical expressions for the ergodic achievable rates of zero-forcing, maximum ratio combining, and minimum mean-squared error receivers, respectively. In addition, we optimize the ergodic achievable rates with respect to the training sequence length and demonstrate that finite dimensional systems with RTRI generally require more training at high SNRs than those with ideal hardware. Finally, we extend our analysis to large-scale MIMO configurations, and derive deterministic equivalents of the ergodic achievable rates. It is shown that, by deploying large receive antenna arrays, the extra training requirements due to RTRI can be eliminated. In fact, with a sufficiently large number of receive antennas, systems with RTRI may even need less training than systems with ideal hardware.

Passive Intermodulation of Analog and Digital Signals on Transmission Lines with Distributed Nonlinearities: Modelling and Characterization

Passive intermodulation (PIM) often limits the performance of communication systems with analog and digitally-modulated signals and especially of systems supporting multiple carriers. Since the origins of the apparently multiple physical sources of nonlinearity causing PIM are not fully understood, the behavioral models are frequently used to describe the process of PIM generation. In this paper a polynomial model of memoryless nonlinearity is deduced from PIM measurements of a microstrip line with distributed nonlinearity with two-tone CW signals. The analytical model of nonlinearity is incorporated in Keysight Technology’s ADS simulator to evaluate the metrics of signal fidelity in the receive band for analog and digitally-modulated signals. PIM-induced distortion and cross-band interference with modulated signals are compared to those with two-tone CW signals. It is shown that conventional metrics can be applied to quantify the effect of distributed nonlinearities on signal fidelity. It is found that the two-tone CW test provides a worst-case estimate of cross-band interference for two-carrier modulated signals whereas with a three-carrier signal PIM interference in the receive band is noticeably overestimated. The simulated constellation diagrams for QPSK signals demonstrate that PIM interference exhibits the distinctive signatures of correlated distortion and this indicates that there are opportunities for mitigating PIM interference and that PIM interference cannot be treated as noise. One of the interesting results is that PIM distortion on a transmission line results in asymmetrical regrowth of output PIM interference for modulated signals.

Polynomial Model for High-Order and Multi-Carrier Passive Intermodulation Products

Passive intermodulation (PIM) often limits the performance of communication systems, particularly in the presence of multiple carriers. Since the origins of the apparently multiple physical sources of nonlinearity causing PIM in distributed circuits are not fully understood, the behavioural models are frequently employed to describe the process of PIM generation. In this paper, a memoryless nonlinear polynomial model, capable of predicting high-order multi-carrier intermodulation products, is deduced from the third-order two-tone PIM measurements on a microstrip transmission line with distributed nonlinearity. The analytical model of passive distributed nonlinearity is implemented in Keysight Technology’s ADS simulator to evaluate the adjacent band power ratio for three-tone signals. The obtained results suggest that the costly multi-carrier test setups can possibly be replaced by a simulation tool based on the properly retrieved nonlinear polynomial model.

Projecto de receptores integrados de banda larga

O presente trabalho tem como objectivo o estudo e projecto de receptores optimizados para sistemas de comunicações por fibra óptica de muito alto débito (10Gb/s e 40Gb/s), com a capacidade integrada de compensação adaptativa pós-detecção da distorção originada pela característica de dispersão cromática e de polarização do canal óptico. O capítulo 1 detalha o âmbito de aplicabilidade destes receptores em sistemas de comunicações ópticas com multiplexagem no comprimento de onda (WDM) actuais. O capítulo apresenta ainda os objectivos e principais contribuições desta tese. O capítulo 2 detalha o projecto de um amplificador pós-detecção adequado para sistemas de comunicação ópticos com taxa de transmissão de 10Gb/s. São discutidas as topologias mais adequadas para amplificadores pós detecção e apresentados os critérios que ditaram a escolha da topologia de transimpedância bem como as condições que permitem optimizar o seu desempenho em termos de largura de banda, ganho e ruído. Para além disso são abordados aspectos relacionados com a implementação física em tecnologia monolítica de microondas (MMIC), focando em particular o impacto destes no desempenho do circuito, como é o caso do efeito dos componentes extrínsecos ao circuito monolítico, em particular as ligações por fio condutor do monólito ao circuito externo. Este amplificador foi projectado e produzido em tecnologia pHEMT de Arsenieto de Gálio e implementado em tecnologia MMIC. O protótipo produzido foi caracterizado na fábrica, ainda na bolacha em que foi produzido (on-wafer) tendo sido obtidos dados de caracterização de 80 circuitos protótipo. Estes foram comparados com resultados de simulação e com desempenho do protótipo montado num veículo de teste. O capítulo 3 apresenta o projecto de dois compensadores eléctricos ajustáveis com a capacidade de mitigar os efeitos da dispersão cromática e da dispersão de polarização em sistemas ópticos com débito binário de 10Gb/s e 40Gb/s, com modulação em banda lateral dupla e banda lateral única. Duas topologias possíveis para este tipo de compensadores (a topologia Feed-Forward Equalizer e a topologia Decision Feedback Equaliser) são apresentadas e comparadas. A topologia Feed-Forward Equaliser que serviu de base para a implementação dos compensadores apresentados é analisada com mais detalhe sendo propostas alterações que permitem a sua implementação prática. O capítulo apresenta em detalhe a forma como estes compensadores foram implementados como circuitos distribuídos em tecnologia MMIC sendo propostas duas formas de implementar as células de ganho variável: com recurso à configuração cascode ou com recurso à configuração célula de Gilbert. São ainda apresentados resultados de simulação e experimentais (dos protótipos produzidos) que permitem tirar algumas conclusões sobre o desempenho das células de ganho com as duas configurações distintas. Por fim, o capítulo inclui ainda resultados de desempenho dos compensadores testados como compensadores de um sinal eléctrico afectado de distorção. No capítulo 4 é feita uma análise do impacto da modulação em banda lateral dupla (BLD) em comparação com a modulação em banda lateral única (BLU) num sistema óptico afectado de dispersão cromática e de polarização. Mostra-se que com modulação em BLU, como não há batimento entre portadoras das duas bandas laterais em consequência do processo quadrático de detecção e há preservação da informação da distorção cromática do canal (na fase do sinal), o uso deste tipo de modulação em sistemas de comunicação óptica permite maior tolerância à dispersão cromática e os compensadores eléctricos são muito mais eficientes. O capítulo apresenta ainda resultados de teste dos compensadores desenvolvidos em cenários experimentais de laboratório representativos de sistemas ópticos a 10Gb/s e 40Gb/s. Os resultados permitem comparar o desempenho destes cenários sem e com compensação eléctrica optimizada, para os casos de modulação em BLU e em BLD, e considerando ainda os efeitos da dispersão na velocidade de grupo e do atraso de grupo diferencial. Mostra-se que a modulação BLU em conjunto com compensação adaptativa eléctrica permite um desempenho muito superior á modulação em BLD largamente utilizada nos sistemas de comunicações actuais. Por fim o capítulo 5 sintetiza e apresenta as principais conclusões deste trabalho.

Photonic devices for optical and RF signal processing

O presente trabalho tem por objectivo o estudo de novos dispositivos fotónicos aplicados a sistemas de comunicações por fibra óptica e a sistemas de processamento de sinais RF. Os dispositivos apresentados baseiam-se em processamento de sinal linear e não linear. Dispositivos lineares ópticos tais como o interferómetro de Mach-Zehnder permitem adicionar sinais ópticos com pesos fixos ou sintonizáveis. Desta forma, este dispositivo pode ser usado respectivamente como um filtro óptico em amplitude com duas saídas complementares, ou, como um filtro óptico de resposta de fase sintonizável. O primeiro princípio de operação serve como base para um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. O segundo princípio de operação é explorado num novo sistema fotónico de direccionamento do campo eléctrico radiado por um agregado de antenas, e também num novo compensador sintonizável de dispersão cromática. O processamento de sinal é não linear quando sinais ópticos são atrasados e posteriormente misturados entre si, em vez de serem linearmente adicionados. Este princípio de operação está por detrás da mistura de um sinal eléctrico com um sinal óptico, que por sua vez é a base de um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. A mistura de sinais ópticos em meios não lineares permite uma operação eficiente numa grande largura espectral. Tal operação é usada para realizar conversão de comprimento de onda sintonizável. Um sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal de elevada largura de banda é misturado com duas bombas ópticas não moduladas com base em processos não lineares paramétricos num guia de ondas de niobato de lítio com inversão periódica da polarização dos domínios ferroeléctricos. Noutro trabalho, uma bomba pulsada em que cada pulso tem um comprimento de onda sintonizável serve como base a um novo conversor de sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal para um sinal óptico com multiplexagem no comprimento de onda. A bomba é misturada com o sinal óptico de entrada através de um processo não linear paramétrico numa fibra óptica com parâmetro não linear elevado. Todos os dispositivos fotónicos de processamento de sinal linear ou não linear propostos são experimentalmente validados. São também modelados teoricamente ou através de simulação, com a excepção dos que envolvem mistura de sinais ópticos. Uma análise qualitativa é suficiente nestes últimos dispositivos.

Analysis, modeling, design and optimization of future communications systems: from theory to practice

Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.

Cooperative positioning for heterogeneous wireless systems

Future emerging market trends head towards positioning based services placing a new perspective on the way we obtain and exploit positioning information. On one hand, innovations in information technology and wireless communication systems enabled the development of numerous location based applications such as vehicle navigation and tracking, sensor networks applications, home automation, asset management, security and context aware location services. On the other hand, wireless networks themselves may bene t from localization information to improve the performances of di erent network layers. Location based routing, synchronization, interference cancellation are prime examples of applications where location information can be useful. Typical positioning solutions rely on measurements and exploitation of distance dependent signal metrics, such as the received signal strength, time of arrival or angle of arrival. They are cheaper and easier to implement than the dedicated positioning systems based on ngerprinting, but at the cost of accuracy. Therefore intelligent localization algorithms and signal processing techniques have to be applied to mitigate the lack of accuracy in distance estimates. Cooperation between nodes is used in cases where conventional positioning techniques do not perform well due to lack of existing infrastructure, or obstructed indoor environment. The objective is to concentrate on hybrid architecture where some nodes have points of attachment to an infrastructure, and simultaneously are interconnected via short-range ad hoc links. The availability of more capable handsets enables more innovative scenarios that take advantage of multiple radio access networks as well as peer-to-peer links for positioning. Link selection is used to optimize the tradeo between the power consumption of participating nodes and the quality of target localization. The Geometric Dilution of Precision and the Cramer-Rao Lower Bound can be used as criteria for choosing the appropriate set of anchor nodes and corresponding measurements before attempting location estimation itself. This work analyzes the existing solutions for node selection in order to improve localization performance, and proposes a novel method based on utility functions. The proposed method is then extended to mobile and heterogeneous environments. Simulations have been carried out, as well as evaluation with real measurement data. In addition, some speci c cases have been considered, such as localization in ill-conditioned scenarios and the use of negative information. The proposed approaches have shown to enhance estimation accuracy, whilst signi cantly reducing complexity, power consumption and signalling overhead.

Intermodulation in active reconfigurable antennas

Due to the application of active components into antennas these became a source of distortion on wireless communication systems. In this paper we explore the nonlinear effects occurring in a frequency reconfigurable antenna operating with a PIN Diode. We describe the measurement setup used to check the antenna intermodulation products and the measured compression and third order intermodulation limitations of a frequency reconfigurable antenna, operating at the UMTS and WLAN frequencies.

Dielectric Properties of Ba5Nb4O15 Ceramic

Ceramic dielectrics with high dielectric constant in the microwave frequency range are used as filters, oscillators [I], etc. in microwave integrated circuits (MICs) particularly in modern communication systems like cellular telephones and satellite communications. Such ceramics, known as 'dielectric resonators (DRs),donot only offer miniaturisation and reduce the weight of the microwave components. but also improve the efficiency of MICs