This thesis presents a body of work on the theme of millimetre-wave FMCW radar, for the purposes of security screening and remote sensing. First, the development of an optimised software radar signal processor will be outlined. Through use of threading and GPU acceleration, high data processing rates were achieved using standard PC hardware. The flexibility of this approach, compared to specialised hardware (e.g. DSP, FPGA etc…), allowed the processor to be rapidly adapted and has produced a significant performance increase in a number of advanced real-time radar systems. An efficient tracker was developed and was successfully deployed in live trials for the purpose of real-time wave detection in an autonomous boat control system. Automated radar operation and remote data telemetry functions were implemented in a terrain mapping radar to allow continuous monitoring of the Soufrière Hills volcano on the Caribbean island of Montserrat. This work concluded with the installation of the system 3 km from the volcano. Hardware modifications were made to enable coherent measurement in a number of existing radar systems, allowing phase sensitive measurements, including range-Doppler, to be performed. Sensitivity to displacements of less than 200 nm was demonstrated, which is limited by the phase noise of the system. Efficient compensation techniques are presented which correct for quadrature mixer imbalance, FMCW chirp non-linearity, and scanner drive distortions. In collaboration with the Home Office, two radar systems were evaluated for the stand-off detection of concealed objects. Automatic detection capability, based on polarimetric signatures, was developed using data gathered under controlled conditions. Algorithm performance was assessed through blind testing across a statistically significant number of subjects. A detailed analysis is presented, which evaluates the effect of clothing and object type on detection efficiency.

On-chip impedance tuning is used to overcome IC perturbations caused by packaging stress. Tuning is more important for matching networks of radio frequency (RF) systems. Possible package resonance and fabrication process variations may cause instability, which is a major problem in RF systems. Thus, precautions need to be taken in order to maintain the overall stability of components and the final system itself. Electrically erasable programmable read-only memory switches (EEPROMs) occupy less die area compared to e-fuses and microelectromechanical system (MEMS) switches, thus EEPROMs are proposed to be used as tuning switches in millimetre-wave (mm-wave) applications. It is anticipated that EEPROM switches will also enable multi-time programming because of the smaller area and the fact that more switches can be used for fine-tuning. The problem addressed in this research is how suitable EEPROMs are for switching applications in the mm-wave region. The main focus of this dissertation is to characterise the suitability of EEPROM switches qualitatively for tuning with systems operating in the mm-wave spectrum. 130 nm SiGe BiCMOS IBM 8HP process technology was used for simulation and the fabricated prototypes. The Dickson charge pump (CP), two voltage doubler CPs and four floating gate (FG) devices were investigated. Literature and theoretical verification was done using computer aided design (CAD) Cadence software through circuit analysis and the layouts were also designed for integrated circuit (IC) prototype fabrication. The qualitative evaluation of the hypothesis was based on investigating reliability issues, switching characteristics, CP output drive capability and mm-wave characterisation. The maximum measured drain current for FGs was 1.4 mA, 2.7 mA and 3 mA for devices 2, 3 and 4, respectively. The ratio between ON state switching current (after tunnelling) and OFF state switching current (after injection) was 1.5, 1.35 and 6 for devices 2, 3 and 4, respectively. The ratios correlated with the expected results in terms of FG transistor area: a high area results in a higher ratio. Despite the correlation, devices 2 and 3 may be unsuitable because the ratio is less than 2: a smaller ratio between the ON and OFF states could also result in higher losses. The Dickson CP achieved an output voltage of 2.96 V from an input of 1.2 V compared to 3.08 V as computed from the theoretical analysis and 4.5 V from the simulation results. The prototypes of the voltage doubler CP did not perform as expected: a maximum of 1 V was achieved compared to 4.1 – 5 V as in the simulation results. The suitability of FG devices for switching applications depends on the ratio of the ON and OFF states (associated to insertion and isolation losses): the larger the FG transistor area, the higher the ratio. The reliability issues are dominated by the oxide thickness of the transistor, which contributes to charge leakages and charge trapping: smaller transistor length causes more uncertainties. Charge trapping in the oxide increases the probability of leakages and substrate conduction, thus introduces more losses. Based on the findings of this research work, the FG devices promise to be suitable for mm-wave switching applications and there is a need for further research investigation to characterise the devices in the mm-wave region fully. AFRIKAANS : Impedansie-instelling op skyf word gebruik om steurings in geïntegreerde stroombane wat deur verpakkingstres veroorsaak word, te oorkom. Instelling is meer belangrik om netwerke van radiofrekwensiesisteme te paar. Moontlike verpakkingresonansie en variasies in die vervaardigingsproses kan onstabiliteit veroorsaak, wat ‟n groot probleem is in radiofrekwensiesisteme. Voorsorg moet dus getref word om die oorhoofse stabiliteit van komponente en die finale sisteem self te handhaaf. Elektries uitveebare programmeerbare slegs-lees-geheueskakelaars (EEPROMs) neem minder matrysarea op as e-sekerings en die sekerings van mikro-elektromeganiese sisteme en word dus voorgestel vir gebruik as instellingskakelaars in millimetergolfaanwendings. Daar word verwag dat EEPROM-skakelaars ook multi-tydprogrammering sal moontlik maak as gevolg van die kleiner area en die feit dat meer skakelaars gebruik kan word vir fyn instellings. Die probleem wat in hierdie navorsing aandag geniet, is die geskiktheid van EEPROMS vir skakelaanwendings in die millimetergolfstreek. The hooffokus van die verhandeling is om die geskiktheid van EEPROM-skakelaars kwalitatief te karakteriseer vir instelling met sisteme wat in die millimetergolfspektrum funksioneer. Department of Electrical, Electronic and Computer Engineering v University of Pretoria 130 nm SiGe BiCMOS IBM 8HP-prosestegnologie is gebruik vir simulasie en die vervaardigde prototipes. Die Dickson-laaipomp is gebruik vir simulasie en die vervaardigde prototipes. Die Dickson-laaipomp, twee spanningverdubbelinglaaipompe en vier swewendehektoestelle is ondersoek. Literatuur- en teoretiese verifikasie is gedoen met behulp van rekenaarondersteunde-ontwerp (CAD) Cadence-sagteware deur stroombaananalise en die uitleg is ook ontwerp vir die vervaardiging van geïntegreerdestroombaanprototipes. Die kwalitatiewe evaluasie van die hipotese is gebaseer op die ondersoek van betroubaarheidkwessies, skakelingeienskappe, laaipompuitsetdryfvermoë en millimetergolfkarakterisering. Die maksimum gemete dreineerstroom vir swewende hekke was 1.4 mA, 2.7 mA en 3 mA vir onderskeidelik toestelle 2, 3 en 4. Die verhouding tussen die AAN-toestand van die skakelstroom (na tonnelling) en die AF-toestand van die skakelstroom (na inspuiting) was 1.5, 1.35 en 6 vir toestelle 2, 3 en 4, onderskeidelik. Die verhoudings het ooreengestem met die verwagte resultate rakende die swewendehek-transistorareas: ‟n groot area het ‟n hoër verhouding tot gevolg. Nieteenstaande die ooreenstemming, mag toestelle 2 en 3 moontlik nie geskik wees nie, omdat die verhouding kleiner as 2 is: ‟n kleiner verhouding tussen die AAN- en AF-toestande mag ook hoër verliese tot gevolg hê. Die Dickson-laaipomp het ‟n uitsetspanning van 2.96 V vanaf ‟n inset van 1.2 V vergeleke met 3.08 V soos bereken volgens die teoretiese analise en 4.5 V volgens die simulasieresultate. Die prototipes van die spanningverdubbelinglaaipomp het nie gefunksioneer soos verwag is nie: ‟n maksimum van 1 V is bereik vergeleke met 4.1 – 5 V soos in die simulasieresultate. Die geskiktheid van swewendehektoestelle vir skakelingtoepassings hang af van die verhouding van die AAN- en AF-toestande (wat met invoer-en isolasieverlies geassosieer word): hoe groter die swewendehektransistorarea, hoe hoër die verhouding. Die betroubaarheidkwessies word oorheers deur die oksieddikte van die transistor, wat bydra tot ladinglekkasies en ladingvasvangs: korter transistorlengte veroorsaak meer onsekerheid. Ladingvasvangs in die oksied verhoog die moontlikheid van lekkasies en substraatgeleiding en veroorsaak dus groter verlies. Die bevindings van hierdie navorsing toon dat swewendehektoestelle waarskynlik geskik is vir millimetergolfaanwendings en verdere navorsing is nodig om die toestelle volledig in die millimetergolfstreek te karakteriseer. Copyright / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2013. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

La presenta Tesis Doctoral encuentra su ámbito de aplicación en redes de acceso ópticas de fibra hasta el hogar o FTTH (del inglés fibre-to-the-home). Las redes FTTH han sido ampliamente desplegadas en todo el mundo y se prevé que evolucionen hasta arquitecturas de multiplexación por división en longitud de onda o WDM(dle inglés wavelength division multiplexing). Conforme los requerimientos de capacidady ancho de banda por usuario para servicios de comunicación de banda ancha se incrementan continuamente, tecnologías tales como hybrid wireless-optical, radio de banda ultra ancha o UWB(del inglés ultra-wideband), y radio de onda milimétrica se están investigando como soluciones viables para proporcionar tasas de datos excediendo Gigabit por segundo por usuario. Las redes híbridas inalámbrico-óptico pueden proporcionar backhaul más simple y se prevé que desempeñen un papel importante en redes de acceso de próxima generación que requerirán despliegue flexible, alta capacidad, habilidad de ampliación, escalable en número de usuarios y demanda, y factible económicamente. Las técnicas radio sobre fibra combinadas con sistemas inalámbricos multigigabit que proporcionen capacidades comparables a sistemas de comunicaciones de fibra óptica se ve como una solución rápidamente desplegable y efectiva en coste para proporcionar acceso transparente cableado/inalámbrico integrado a servicios de banda ancha para el usuario final. Los sistemas inalámbricos UWB y de onda milimétrica son capaces de proporcionar comunicaciones multigigabit. UWB en particular permite un uso eficiente del esprectro 3.1-10.6 GHz debido a sus características únicas de coexistencia y tiene madurez de mercado. Sin embargo, la tecnología UWB está restringida por regulación en todo el mundo. Esta restricción de regulación hace de gran interés a la radio de onda milimétrica en 60 GHz debido al aproximadamente 7 GHz de ancho de banda regulado consistentemente en todo el mundo, sin restricciones de coexistencia. / Beltrán Ramírez, M. (2012). Photonic Techniques for Next-Generation Integrated Optical Networks Based on Ultra-Wideband Radio / Técnicas Fotónicas para Redes Ópticas Integradas de Próxima Generación Basadas en Radio de Banda Ultra Ancha [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/15576

[ES] El estándar de quinta generación (5G) es la clave potencial para satisfacer el aumento exponencial en la demanda de nuevas aplicaciones, servicios y usuarios. La tecnología 5G ofrecerá una latencia extremadamente baja de 1 ms, una velocidad máxima de datos de 10 Gbit/s, una alta densidad de conexión de hasta 106 dispositivos/km2 y permitirá una alta movilidad de los dispositivos de hasta 500 km/h. En esta Tesis se proponen varias soluciones basadas en tecnologías habilitadoras para el despliegue de redes 5G. La arquitectura de la red de acceso de radio en la nube (C-RAN) se emplea junto con las técnicas de Fotónica de Microondas como una solución prometedora para generar y transmitir señales de ondas milimétricas (mmW) en la próxima generación de comunicaciones móviles. La tecnología radio sobre fibra (RoF) ha demostrado ser una buena opción para enfrentarse al desafío de la distribución inalámbrica mmW debido a la gran distancia de transmisión, el gran ancho de banda y la inmunidad a las interferencias electromagnéticas, entre algunas de las principales ventajas. Además, esta tecnología se puede ampliar con comunicaciones ópticas de espacio libre (FSO) en sistemas de radio sobre FSO (RoFSO) en las redes inalámbricas. En esta Tesis, las señales mmW se generan fotónicamente mediante modulación externa de doble banda lateral con supresión de portadora (CS-DSB) y se distribuyen a través de enlaces fronthaul híbridos RoF/FSO. Además, la generación múltiple de señales permite la distribución reconfigurable en canales multiplexados por división de longitud de onda (WDM) desde una oficina central hasta las estaciones base, y se ha evaluado el impacto de las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente en términos de fluctuaciones de potencia y ruido de fase de la señal. Se propone la técnica de modulación directa de un láser (DML) como solución principal para la transmisión de datos a través de enlaces ópticos híbridos que emplean un esquema de multiplicación de frecuencias ópticas, es decir, CS-DSB, para la generación de señales de mmW. En concreto, se evalúan teórica y experimentalmente los esquemas de generación fotónica local y remoto de señales mmW y se comparan para su implementación práctica en la red frontal de la C-RAN y, además, se estudia experimentalmente el impacto de la distorsión armónica y de la intermodulación en la transmisión de datos. Igualmente, con el fin de obtener la capacidad que ofrece el DML en términos de ancho de banda, también se presenta una evaluación teórica y experimental del efecto de la dispersión de la fibra y el chirp sobre diferentes anchos de banda de señales de M-modulación de amplitud en cuadratura (QAM). No obstante, la Tesis también incluye otro enfoque para la transmisión de datos basado en el uso de otro modulador externo. En este caso, la demostración experimental de la generación de señales ópticas empleando CS-DSB y la transmisión de señales a través de fibra híbrida y red frontal FSO se completa con un enlace de antena que permite transmitir señales 5G 64/256-QAM. La investigación realizada con los sistemas CS-DSB y DSB también permiten comparar la robustez frente al desvanecimiento inducido por la dispersión cromática de la fibra. Además, se ha realizado una evaluación experimental impacto las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente con diferentes distribuciones térmicas y se ha cuantificado la degradación de la señal de datos de acuerdo con las condiciones de la turbulencia. Como demostradores finales, esta Tesis incluye un sistema de transmisión full-dúplex que emplea señales 5G en enlace descendente (DL) a 39 GHz y en enlace ascendente (UL) a 37 GHz; y la transmisión de señales OFDM LTE de 60 GHz (DL) y 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogénea de frontal óptico que consiste en fibra óptica de 10 km, un canal FSO de 100 m y un enlace de radio inalámbrico de 2 m. / [CA] L'estàndard de quinta generació (5G) és la clau potencial per a satisfer l'augment exponencial en la demanda de noves aplicacions, serveis i usuaris. La tecnologia 5G oferirà una latència extremadament baixa d'1 ms, una velocitat màxima de dades de 10 Gbit/s, una alta densitat de connexió de fins a 106 dispositius/km2 i permetrà una alta mobilitat dels dispositius de fins a 500 km/h. En aquesta tesi es proposen diverses solucions basades en tecnologies habilitadores per al desplegament de xarxes 5G. L'arquitectura de la xarxa d'accés de ràdio en el núvol (CRAN) s'empra junt amb les tècniques de Fotònica de Microones com una solució prometedora per a generar i transmetre senyals d'ones mil·limètriques (mmW) en la pròxima generació de comunicacions mòbils. La tecnologia ràdio sobre fibra ( RoF) ha demostrat ser una bona opció per a enfrontar-se al desafiament de la distribució sense fil mmW a causa de la gran distància de transmissió, el gran ample de banda i la immunitat a les interferències electromagnètiques, entre alguns dels principals avantatges. A més, aquesta tecnologia es pot ampliar amb comunicacions òptiques d'espai lliure (FSO) en sistemes de ràdio sobre FSO (RoFSO) en les xarxes sense fil. En aquesta Tesi, els senyals mmW es generen fotònicament per mitjà de modulació externa de doble banda lateral amb supressió de portadora (CS-DSB) i es distribueixen a través d'enllaços frontals híbrids RoF/FSO.. A més, la generació múltiple de senyals permet la distribució reconfigurable en canals multiplexats per divisió de longitud d'ona ( WDM) des d'una oficina central fins a les estacions base, i s'ha avaluat l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament en termes de fluctuacions de potència i soroll de fase del senyal. Aquest treball proposa la tècnica de modulació directa d'un làser (DML) com solució principal per a la transmissió de dades a través d'enllaços òptics híbrids que fan servir un esquema de multiplicació de freqüències òptiques, és a dir, CS-DSB, per a la generació de senyals de mmW. En concret, s'avalua teòric i experimentalment els esquemes de generació fotònica local i remota de senyals mmW i es comparen per a la seua implementació pràctica a la xarxa frontal de la C-RAN i a més, s'estudia experimentalment l'impacte de la distorsió harmònica i de la intermodulació en la transmissió de dades. Igualment, amb el fi d'obtindre la capacitat que ofereix el DML en termes d'amplada de banda, també es presenta una avaluació teòrica i experimental de l'efecte de la dispersió de la fibra i el chirp sobre diferents amples de banda de senyals de M-modulació d'amplitud en quadratura (QAM). No obstant això, la Tesis també inclou altre enfocament per a la transmissió de dades basat amb l¿ús d'altre modulador extern. En aquest cas, la demostració experimental de la generació de senyals òptics emprant CS-DSB i la transmissió de senyals a través de fibra híbrida i xarxa frontal FSO es completa com un enllaç d'antena que permet transmetre senyals 5G 64/256-QAM. La investigació realitzada amb els sistemes CS-DSB i DSB també permet comparar la seua robustesa davant l¿esvaïment induït per la dispersió cromàtica. A més, s'ha avaluat experimentalment l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament amb diferents distribucions tèrmiques i s'ha quantificat la degradació del senyal de dades d'acord amb les condicions de la turbulència. Com a demostradors finals, aquesta Tesi inclou un sistema de transmissió full-dúplex que empra senyals 5G en enllaç descendent (DL) a 39 GHz i en enllaç ascendent (UL) a 37 GHz; i la transmissió de senyals OFDM LTE de 60 GHz (DL) i 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogènia de frontal òptic que consisteix en fibra òptica de 10 km, un canal FSO de 100 m i un enllaç de ràdio sense fil de 2 m. / [EN] The fifth generation (5G) standard is the potential key to meet the exponentially increasing demand of the emerging applications, services and mobile end users. 5G technology will offer an extremely low latency of 1 ms, peak data rate of 10 Gbit/s, high contention density up to 106 devices/km2 and enable high mobility up to 500 km/h. This Thesis proposes several solutions based on enabling technologies for deploying 5G networks. Cloud-radio access network (C-RAN) architecture is employed in conjunction with microwave photonics techniques as a promising solution to generate and transmit millimeter wave (mmW) signals in the next generation of mobile communications. Radio over fiber (RoF) has been demonstrated as a good option to face the challenge of mmW wireless distribution, due to long transmission distance, large bandwidth and immunity to electromagnetic interference, as some of the main advantages. Moreover, this technology can be extended with free-space optical (FSO) communications in Radio over FSO systems (RoFSO) as wireless networks. In this Thesis, mmW signals are photonically generated by carrier suppressed double sideband (CS-DSB) external modulation and distributed over hybrid RoF/FSO fronthaul links. Moreover, multiple generated signals allow reconfigurable distribution in wavelength-division multiplexed (WDM) channels from a central office to the base stations, and the impact of turbulent FSO channels on photonically generated mmW signals has been evaluated in terms of power signal fluctuations and phase noise. A directly modulated laser (DML) is proposed as a major solution for signal transmission over hybrid optical links employing optical frequency multiplication scheme, i.e. CS-DSB, for mmW signal generation. Moreover, local and remote photonic mmW signal generation schemes are theoretically and experimentally evaluated and compared for practical deployment in C-RAN fronthaul network while the impact of harmonic and intermodulation distortion on data transmission is also experimentally studied. Furthermore, for the sake of obtaining the DML usability in terms of bandwidth, theoretical and experimental evaluation of the effect of fiber dispersion and chirp over different M-quadrature amplitude modulation (QAM) signals bandwidth is also presented. Another data transmission approach based on the cascade of two external modulators is also employed in the Thesis. In this case, the experimental demonstration of optical signal generation employing CS-DSB and signal transmission over hybrid fiber and FSO fronthaul network is completed with a seamless antenna link leading to successful transmission of 64/256-QAM 5G signals. The CS-DSB and DSB schemes are also investigated for the sake of comparison in terms of robustness against fiber chromatic dispersion-induced fading. Furthermore, experimental evaluation of the impact of turbulent FSO links on photonically generated mmW signals with different thermal distributions has been performed and data signal degradation has been quantified according to the turbulence conditions. As final demonstrators, the Thesis includes a full-duplex transmission system employing 39 GHz downlink (DL) and 37 GHz uplink (UL) 5G signals over hybrid links; and 60 GHz (DL) and 25 GHz (UL) OFDM LTE signal transmission over an heterogeneous optical fronthaul infrastructure consisting of 10 km optical fiber, 100 m FSO channel and 2 m wireless radio link. / I would like to acknowledge the financial support given by Research Excellence Award Programme GVA PROMETEO 2017/103 Future Microwave Photonics and European Network for High Performance Integrated Microwave Photonics (EUIMWP) CA16220. / Vallejo Castro, L. (2022). Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190253