New technologies driving decade-bandwidth radio astronomy : quad-ridged flared horn and compound-semiconductor LNAs

Among the branches of astronomy, radio astronomy is unique in that it spans the largest portion of the electromagnetic spectrum, e.g., from about 10 MHz to 300 GHz. On the other hand, due to scientific priorities as well as technological limitations, radio astronomy receivers have traditionally covered only about an octave bandwidth. This approach of "one specialized receiver for one primary science goal" is, however, not only becoming too expensive for next-generation radio telescopes comprising thousands of small antennas, but also is inadequate to answer some of the scientific questions of today which require simultaneous coverage of very large bandwidths.

This thesis presents significant improvements on the state of the art of two key receiver components in pursuit of decade-bandwidth radio astronomy: 1) reflector feed antennas; 2) low-noise amplifiers on compound-semiconductor technologies. The first part of this thesis introduces the quadruple-ridged flared horn, a flexible, dual linear-polarization reflector feed antenna that achieves 5:1-7:1 frequency bandwidths while maintaining near-constant beamwidth. The horn is unique in that it is the only wideband feed antenna suitable for radio astronomy that: 1) can be designed to have nominal 10 dB beamwidth between 30 and 150 degrees; 2) requires one single-ended 50 Ohm low-noise amplifier per polarization. Design, analysis, and measurements of several quad-ridged horns are presented to demonstrate its feasibility and flexibility.

The second part of the thesis focuses on modeling and measurements of discrete high-electron mobility transistors (HEMTs) and their applications in wideband, extremely low-noise amplifiers. The transistors and microwave monolithic integrated circuit low-noise amplifiers described herein have been fabricated on two state-of-the-art HEMT processes: 1) 35 nm indium phosphide; 2) 70 nm gallium arsenide. DC and microwave performance of transistors from both processes at room and cryogenic temperatures are included, as well as first-reported measurements of detailed noise characterization of the sub-micron HEMTs at both temperatures. Design and measurements of two low-noise amplifiers covering 1--20 and 8—50 GHz fabricated on both processes are also provided, which show that the 1--20 GHz amplifier improves the state of the art in cryogenic noise and bandwidth, while the 8--50 GHz amplifier achieves noise performance only slightly worse than the best published results but does so with nearly a decade bandwidth.

Análisis de viabilidad de utilizar convertidores de corriente para la fabricación de LNAs integrados

Proyecto y presentación del Proyecto Fin de Carrera titulado "Análisis de viabilidad de utilizar Convertidores de Corriente para la fabricación de LNAs integrados"

Konstruktioner och valens : Verbfraser med åt i ett jämförande perspektiv

Det har knappast undgått någon som är språkligt medveten att finlandssvenskan och sverigesvenskan skiljer sig åt till vissa delar. Olikheterna återfinns på olika språkliga nivåer. Mest kända och omskrivna är de lexikologiska skillnaderna, dvs. skillnaderna på ordplanet. Betydligt mindre uppmärksamhet har ägnats syntaktiska skillnader, dvs. skillnader i hur satser och meningar byggs upp. För att öka kunskapen om finlandssvensk syntax initierade Språkvetenskapliga nämnden vid Svenska litteratursällskapet i Finland projektet Svenskan i Finland – syntaktiska drag i ett jämförande perspektiv, som pågick åren 2004–2006. Min avhandling har kommit till inom ramen för det projektet. Prepositionerna (t.ex. av, i, på, för, till, åt osv.) är så kallade funktionsord som har till uppgift att binda samman de mer betydelsetunga orden till satser och meningar. Den finlandssvenska prepositionsanvändningen skiljer sig i viss mån från den sverigesvenska, och ”åt” är en av de prepositioner som ofta lyfts fram som exempel. Finlandssvenskarna säger t.ex. ”han gav en bok åt Lena” i stället för ”han gav en bok till Lena” eller ”han gav Lena en bok”. De säger ”berätta något åt någon” (i stället för ”för”) och de säger ”ringa åt någon” i stället för ”ringa någon”. Ett huvudsyfte med min undersökning är att ta reda på hur pass stora skillnaderna är om man ser till samtliga belägg på ”åt” i ett material och inte bara till sådana som man fäster sig vid för att man vet att de avviker i finlandssvenskan. Undersökningen är korpusbaserad. Det betyder att jag letat efter alla belägg på kombinationer av verb och prepositionen ”åt” i rätt stora textmassor som finns tillgängliga i elektronisk form. Materialet ligger i Språkbanken i Finland och omfattar huvudsakligen tidningstext och skönlitteratur. Jag har använt mig av en textmassa på sammanlagt ungefär 40 miljoner löpande ord, drygt 23 miljoner finlandssvenska och drygt 19 miljoner sverigesvenska. Det materialet gav ca 20 000 åt-belägg att studera, och det visade sig något oväntat att ”åt” inte alls är vanligare i finlandssvenskan än i sverigesvenskan när det gäller skriftspråk, åtminstone inte i professionella skribenters språk. Om man kompenserar för att den finlandssvenska och den sverigesvenska korpusen inte är helt lika i fråga om genrefördelning och ålder, kommer man fram till i stort sett samma frekvens för ”åt” i båda korpusarna. För den närmare analysen av vilka mönster åt-beläggen uppvisar har jag först och främst utnyttjat konstruktionsgrammatik men också ramsemantik och valensteori. Konstruktionsgrammatiken är ingen enhetlig teori, men tanken om grammatiska konstruktioner är gemensam. Konstruktioner representerar allt från generella syntaktiska mönster till specifika mönster för språkliga enskildheter. Uppfattningen om vad som ska inbegripas i begreppet varierar, men definitionen av ”konstruktion” som ”par (eller konstellationer) av form och betydelse” är gemensam. ”Konstruktion” avser aldrig konkreta belägg i texter eller yttranden utan alltid det abstrakta mönstret bakom dessa. Och varje yttrande är resultatet av att en stor mängd konstruktioner samverkar. I min analys har jag utgått ifrån att beläggen med ”åt” kan återföras på olika konstruktioner eller mönster utifrån vad som är gemensamt för grupper av belägg. Jag har sett på vad åt-frasen i samverkan med verbet har för funktion i beläggen. En åt-fras är syntaktiskt en prepositionsfras och består av en preposition och en rektion. Exempelvis utgör ordparet ”åt skogen” en prepositionsfras där ”skogen” är rektion. Ur mitt material har jag kunnat abstrahera fram fem övergripande mönster där referenten för rektionen har olika så kallade semantiska roller. Åt-frasen kan i kombination med verbet ange mål eller riktmärke, som i t.ex. svänga åt höger, dra åt helvete, ta sig åt hjärtat, luta åt en seger för IFK. Den kan för det andra ange mottagare (t.ex. ge varsin kaka åt hundarna, bygga en bastu åt sina svärföräldrar, skaffa biljetter åt en kompis). För det tredje kan åt-frasen avse en referent som har nytta (eller skada) av en aktion (t.ex. klippa häcken åt grannen, ställa in digitalboxen åt sin moster). Åt-frasen kan slutligen avse den eller det som är föremål antingen för en kommunikationsaktion (vinka åt sin son, skratta åt eländet) eller en attityd eller känsla (glädja sig åt framgången). Utöver dessa huvudmönster finns det ett antal smärre grupper av belägg som bildar egna mönster, men de utgör sammanlagt under 3 % i bägge korpusarna. Inom grupperna kan undermönster urskiljas. I t.ex. mottagargruppen representerar ”ge varsin kaka åt hundarna” överföringskonstruktion, ”bygga en bastu åt sina svärföräldrar” produktionskonstruktion och ”skaffa biljetter åt en kompis” ombesörjningskonstruktion. Alla typer är gemensamma för bägge materialen, men andelen belägg som representerar de olika typerna skiljer sig betydligt. I det sverigesvenska materialet står t.ex. det mönster där åt-frasen avser mål eller riktmärke för en mycket större andel av beläggen än i finlandssvenskan. Också andelen belägg där åt-frasen avser någon som har nytta (eller skada) av en aktion är mycket högre i det sverigesvenska materialet. I det finlandssvenska materialet står i gengäld mottagarbeläggen för över 50 % av beläggen medan andelen i det sverigesvenska materialet är bara 30 %. Inom gruppen utgör belägg av produktions- och ombesörjningstyp dessutom en mindre andel i det finlandssvenska materialet än i det sverigesvenska. Dessa står till sin funktion nära den typ som avser den som har nytta av aktionen. De konkreta beläggen på överföring (ge varsin kaka åt hundarna) utgör en större andel i det finlandssvenska materialet än i det sverigesvenska (ca 8 % mot 3 %), men typiskt för båda materialen är hög kollokationsgrad (”kollokation” avser par eller grupper av ord som uppträder oftare tillsammans än de statiskt sett skulle göra vid helt slumpmässig förekomst). Största delen av mottagarbeläggen utgörs av fraser av typen ”ge arbete åt någon, ge eftertryck åt något, ge liv åt något; ägna tid åt något, ägna sitt liv åt något, ägna uppmärksamhet åt något”. De här slutsatserna gäller alltså skriftspråk. I talspråk ser fördelningen annorlunda ut. Typiskt för prepositionen ”åt” är överhuvudtaget hög kollokationsgrad. Det förefaller som om språkanvändarna har tydliga, färdiga mallar för var ”åt” kan komma in. Det enda mönster som verkar helt produktivt, i den meningen att elementen är i stort sett fritt kombinerbara, är kombinationer av verb och åt-fras där åt-frasen avser den som har nytta av något. Att någon utför något för någons räkning verkar överlag kunna uttryckas med prepositionen ”åt”: t.ex. ”tvätta bilen åt pappa, ringa efter en taxi åt kunden”. Till och med belägg av typen ”hon drömde åt honom att bli ordinarie adjunkt” förekommer i någon mån. Konstruktionen är produktiv i båda språkvarieteterna men uppenbart är att konstruktion med mottagare har tolkningsföreträde i vissa fall i finlandssvenskan: ”Filip skrev ett brev åt sin syster” tolkas av sverigesvenskar som att Filip skrev brevet för systerns räkning, medan finlandssvenskar överlag uppenbarligen tolkar det som att Filip skrev till sin syster, att systern var mottagare av brevet. Ungefär 20 % av alla belägg i båda materialen representerar fall där ”åt” utgör partikel. Verb och ”åt” är närmare förbundna med varandra än när ”åt” utgör normal preposition. Exempel på partikelbelägg är ”han kom inte åt strömbrytaren, det gick åt mängder med saft, landet får dra åt svångremmen, de roffade åt sig de bästa platserna”. Också partikelmaterialet ser på ett generellt plan väldigt lika ut i båda språkvarieteterna. Den största skillnaden uppvisar den reflexiva typen ”roffa åt sig”. Medan typen är mycket homogen i det sverigesvenska materialet är variationen större i det finlandsvenska. Dels uppträder fler verb i kombinationen (han köpte åt sig ett par jeans), dels vacklar ordföljden (han nappade åt sig ett paraply ~ han nappade ett paraply åt sig). Att ”åt” används mer i vissa funktioner i finlandsvenskan brukar förklaras med påverkan från finskans allativ (ändelsen -lle: hän antoi kirjan Astalle > hon gav en bok åt Asta). Allt tyder dock på att den finlandssvenska åt-användningen delvis är en relikt. I äldre sverigesvenska källor träffar man på ”åt” i sådana kontexter som numera är typiska för finlandsvenskan. Det finlandssvenska språkområdet ligger ute i periferin i relation till det språkliga centrum som förändringar sprider sig från (för svenskans del främst Stockholmstrakten) och typiskt för perifera områden är att de uppvisar ålderdomliga drag också när inga kontaktfenomen spelar in. Allativen kan naturligtvis ha bidragit till att bevara användningen av ”åt” i finlandssvenskan. Att det är just ”åt” som används” beror antagligen på att prepositionen har flest funktioner gemensamt med allativen rent kognitivt om man jämför med de betydligt mer frekventa prepositionerna ”till” och ”för”. Uppenbart är också att åt-användningen därtill lever sitt eget liv i finlandssvenskan. I vissa varieteter av finlandssvenska kan man t.ex. höra yttranden av typ ”alla fiskarna dog åt dom”. Som språklig enskildhet har det ingen finsk förebild med allativ. Yttrandet är ett exempel på töjning av en svensk konstruktion. Modell finns dels i det mönster där åt avser den som har nytta eller skada av något, dels i relationell användning av ”åt”: han är hantlangare åt Eriksson ~ han är Erikssons hantlangare. Vid språkkontakt är det överlag konstruktioner som har förebild i det låntagande språket som lånas in från det långivande språket, medan konstruktioner som saknar förebild är betydligt mindre benägna att vinna insteg.

Magnetron Sputtering Growth of InAs0.3Sb0.7 Films on (100) GaAs Substrates: Strong Effect of Growth Conditions on Film Structure

The growth of highly lattice-mismatched InAs0.3Sb0.7 films on (100) GaAs Substrates by magnetron Sputtering has been investigated and even epitaxial lnAs(0.3)Sb(0.7) films have been successfully obtained. A strong effect of the growth conditions on the film structure was observed, revealing that there was a growth mechanism transition from three-dimensional nucleation growth to epitaxial layer-by-layer growth mode when increasing the substrate temperature. A qualitative explanation for that transition was proposed and the critical conditions for the epitaxial layer-by-layer growth mode were also discussed.

Nanoelectronic devices-resonant tunnelling diodes grown on InP substrates by molecular beam epitaxy with peak to valley current ratio of 17 at room temperature

This paper reports that lnAs/In0.53Ga0.47As/AlAs resonant tunnelling diodes have been grown on InP substrates by molecular beam epitaxy. Peak to valley current ratio of these devices is 17 at 300K. A peak current density of 3kA/cm(2) has been obtained for diodes with AlAs barriers of ten monolayers, and an In0.53Ga0.47As well of eight monolayers with four monolayers of InAs insert layer. The effects of growth interruption for smoothing potential barrier interfaces have been investigated by high resolution transmission electron microscope.

Magnetron sputtering growth of InAs0.3Sb0.7 films on (100) GaAs substrates: Strong effect of growth conditions on film structure

The growth of highly lattice-mismatched InAs0.3Sb0.7 films on (100) GaAs Substrates by magnetron Sputtering has been investigated and even epitaxial lnAs(0.3)Sb(0.7) films have been successfully obtained. A strong effect of the growth conditions on the film structure was observed, revealing that there was a growth mechanism transition from three-dimensional nucleation growth to epitaxial layer-by-layer growth mode when increasing the substrate temperature. A qualitative explanation for that transition was proposed and the critical conditions for the epitaxial layer-by-layer growth mode were also discussed. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

W-183 NMR characterization of rare earth heteropolymetalates in aqueous solution

W-183 NMR spectra were obtained for [La(AsW11O39)(2)](11-), [La(As2W17O61)(2)](17-), [La(SiW9Mo2O39)(2)](13-), [LaSb9W21O86](16-), [LaAs4W40O140](25-) and alpha-, beta-[(CeO)(3) . (SiW9O34)(2)](14-) complexes, Tungsten NMR studies showed that the C-s symmetry of the square antiprism for [La(ASW(11)O(39))(2)](11-) and [La(As2W17O61)(2)](17-) anions keep constant in aqueous solution; the lanthanide accupied the central S-1 site in [LnSb(9)W(21)O(86)](16-) and [LnAs(4)W(40)O(140)](25-) complexes, respectively, and lanthanide metal cations gave [(CeO)(3) . (SiW9O34)(3)](14-) type of complexes with SiW9O3410-.

Design of a LNA and a Gilbert Cell Mixer MMICs with a GaAsPHEMT technology

The design of a Gilbert Cell Mixer and a low noise amplifier (LNA), using GaAs PHEMT technology is presented. The compatibility is shown for co-integration of both block on the same chip, to form a high performance 1.9 GHz receiver front end. The designed LNA shows 9.23 dB gain and 2.01 dB noise figure (NF). The mixer is designed to operate at RF=1.9 GHz, LO=2.0 GHz and IF=100 MHz with a gain of 14.3 dB and single sideband noise figure (SSB NF) of 9.6 dB. The mixer presents a bandwith of 8 GHz.

Broadband active differential array for the mid-frequency SKA band

This paper presents the design and characterization process of an active array demonstrator for the mid-frequency range (i.e., 300 MHz-1000 MHz) of the future Square Kilometre Array (SKA) radio telescope. This demonstrator, called FIDA3 (FG-IGN: Fundación General Instituto Geográfico Nacional - Differential Active Antenna Array), is part of the Spanish contribution for the SKA project. The main advantages provided by this design include the use of a dielectric-free structure, and the use of a fully-differential receiver in which differential low-noise amplifiers (LNAs) are directly connected to the balanced tapered-slot antennas (TSAs). First, the radiating structure and the differential low-noise amplifiers were separately designed and measured, obtaining good results (antenna elements with low voltage standing-wave ratios, array scanning capabilities up to 45°, and noise temperatures better than 52 K with low-noise amplifiers at room temperature). The potential problems due to the differential nature of the proposed solution are discussed, so some effective methods to overcome such limitations are proposed. Second, the complete active antenna array receiving system was assembled, and a 1 m2 active antenna array tile was characterized.

DESIGN OF A MINIATURIZED SOP INTEGRATED GNSS RF FRONT-END MODULE

Navigation devices used to be bulky and expensive and were not widely commercialized for personal use. Nowadays, all useful electronic devices are turning into being handheld so that they can be conveniently used anytime and anywhere. One can claim that almost any mobile phone, used today, has quite strong navigational capabilities that can efficiently work anywhere in the globe. No matter where you are, you can easily know your exact location and make your way smoothly to wherever you would like to go. This couldn’t have been made possible without the existence of efficient and small microwave circuits responsible for the transmission and reception of high quality navigation signals. This thesis is mainly concerned with the design of novel highly miniaturized and efficient filtering components working in the Global Navigational Satellite Systems (GNSS) frequency band to be integrated within an efficient Radio Frequency (RF) front-end module (FEM). A System-on-Package (SoP) integration technique is adopted for the design of all the components in this thesis. Two novel miniaturized filters are designed, where one of them is a wideband filter targeting the complete GNSS band with a fractional bandwidth of almost 50% at a center frequency of 1.385 GHz. This filter utilizes a direct inductive coupling topology to achieve the required wide band performance. It also has very good out-of-band rejection and low IL. Whereas the other dual band filter will only cover the lower and upper GNSS bands with a rejection notch in between the two bands. It has very good inter band rejection. The well-known “divide and conquer” design methodology was applied for the design of this filter to help save valuable design and optimization time. Moreover, the performance of two commercially available ultra-Low Noise Amplifiers (LNAs) is studied. The complete RF FEM showed promising preliminary performance in terms of noise figure, gain and bandwidth, where it out performed other commercial front-ends in these three aspects. All the designed circuits are fabricated and tested. The measured results are found to be in good agreements with the simulations.

DESIGN OF A MINIATURIZED SOP INTEGRATED GNSS RF FRONT-END MODULE

Navigation devices used to be bulky and expensive and were not widely commercialized for personal use. Nowadays, all useful electronic devices are turning into being handheld so that they can be conveniently used anytime and anywhere. One can claim that almost any mobile phone, used today, has quite strong navigational capabilities that can efficiently work anywhere in the globe. No matter where you are, you can easily know your exact location and make your way smoothly to wherever you would like to go. This couldn’t have been made possible without the existence of efficient and small microwave circuits responsible for the transmission and reception of high quality navigation signals. This thesis is mainly concerned with the design of novel highly miniaturized and efficient filtering components working in the Global Navigational Satellite Systems (GNSS) frequency band to be integrated within an efficient Radio Frequency (RF) front-end module (FEM). A System-on-Package (SoP) integration technique is adopted for the design of all the components in this thesis. Two novel miniaturized filters are designed, where one of them is a wideband filter targeting the complete GNSS band with a fractional bandwidth of almost 50% at a center frequency of 1.385 GHz. This filter utilizes a direct inductive coupling topology to achieve the required wide band performance. It also has very good out-of-band rejection and low IL. Whereas the other dual band filter will only cover the lower and upper GNSS bands with a rejection notch in between the two bands. It has very good inter band rejection. The well-known “divide and conquer” design methodology was applied for the design of this filter to help save valuable design and optimization time. Moreover, the performance of two commercially available ultra-Low Noise Amplifiers (LNAs) is studied. The complete RF FEM showed promising preliminary performance in terms of noise figure, gain and bandwidth, where it out performed other commercial front-ends in these three aspects. All the designed circuits are fabricated and tested. The measured results are found to be in good agreements with the simulations.