1.

An RF power amplifier, of gain 16dB and maximum output power of 10W, is used to design a base station unit together with a base station antenna deployed onto a test site for a digital communication system.  It  is  necessary to ensure that the  maximum  power entering the antenna never exceeds 2.5W. A maximum input signal of 12dBm at 80MHz is converted up to the desired frequency of 2.1GHz, while an intermediate amplifier is used prior to the main power amplifier to ensure the input signal to the power amplifier is sufficiently high. The base station antenna has an input impedance of 67 + j18 while coaxial cables with a characteristic impedance of 50 will be used to connect devices together.

(a)        Using the information above where required:

(i)         State how an attenuator can be used to ensure the criterion for the maximum power entering the base station antenna is met. State also the required value of this attenuator in dB. [10 marks]

(ii)        Calculate the percentage of power that reflects back into the amplifier with the attenuator included. Assume that it is fed with a source having impedance of 50   and that the attenuator is also designed to be close to this impedance . [20 marks]

(iii)       Comment on the value calculated in part (ii) and whether it is suitable for the power levels used in this system design . [10 marks]

(b)        The up conversion process uses a local oscillator and double balanced mixer with a

conversion loss of 7dB. Using both amplifiers and the system setup in part (a):

(i)         Sketch  the  full  system  design  showing  clearly  how  the  desired  output frequency of 2.1GHz is  reached with a system bandwidth of 20MHz . [20 marks]

(ii)        Calculate the required gain for the intermediate amplifier assuming that the maximum output of 2.5W is to be reached. [15 marks]

(c)         For the design in part (b), comment on why we would need to find a recommended power level for the local oscillator in order for the system to work as expected. [10 marks]

(d)        For the system design in part (b), the system may transmit the full 2.5W. Though this is the intended limit within the 20MHz bandwidth, the required transmit power limit out  of  this  band  is  much  lower.  Though  the  signal  itself  does  not  transmit  any frequencies out of this band, comment on what inherent problems in the system could cause transmission of unwanted frequencies and state how your system design can be modified to prevent it. [15 marks] 

2.

A class A power amplifier is used within a Doherty system and has a circuit layout as in Figure 2 (a) and metal semiconductor field effect transistor characteristic curve information is shown in Figure 2 (b).

8V

vout

vin

RL

(a)

(A)

vgs = 0.5V vgs = 0V

vgs = -0.5V

vgs = - 1V

3

vgs = - 1.5V

2

vgs = -2V    vgs = -2.5V

vgs = -3V vgs = -4V

0        0.5       1.0      1.5       2.0      2.5      3.0      vds(V)

(b)

Figure 2 – Illustration of (a) a Class A amplifier circuit used within a Doherty system and (b) characteristic curves of the metal semiconductor field effect transistor

(a)        Describe how using the class A amplifier in a Doherty system would benefit a base

station radio for mobile communication with tight spectrum bands that it can transmit within while at the same time transmission power will vary considerably. [15 marks]

(b)        Using the information in Figure 2, find the direct current source power required for the amplifier. [10 marks]

(c)         Deduce the power that is dissipated in the load resistance RL  and hence find the efficiency of the amplifier. [20 marks]

(d)        Within the  Doherty  system the  amplifier  has the following  S-parameters for  low signals:

( 0.05    0.01

S = |10ejπ        0.33)|

Assuming a load with characteristic impedance Z0 is applied at the output:

(i)         Determine what percentage of input power is lost. [20 marks]

(ii)        Determine the effect of the lost power on system gain and hence calculate the output power of the amplifier in dBm assuming 0.1mW is input. [15 marks]

(e)        Determine if the impedance at the output port of the amplifier can be considered to

be ideal and hence determine if it could and should change automatically for higher signals. Justify your answer. [20 marks]

3.

A set of base station masts, BS1, BS2  and BS3  are placed along a straight railway line and are spaced 2km apart as illustrated in Figure 3. The gain of the antenna on each base station mast is 20dBi while an omnidirectional antenna of 6dBi is on top of the train. As the train moves, the antenna beams shown from each BS are able to steer and follow the train’s antenna. Furthermore, the link with the shortest distance will always be the one used at a time instant, while handover will take place when halfway between. The frequency of operation is 60GHz to deliver broadband communication with a system bandwidth of 100MHz. Each base station transmits 1W of power while the noise figure of the receiver on board the train is 6dB.

BS1

2km

BS2

2km

BS3

Figure 3 – Illustration of the three trackside base station and train antennas

(a)        Using the information provided and assuming all antennas have the same height and

that the trackside to train distance is negligibly small:

(i)         Find the path loss in dB from BS2 to the train if it is halfway between BS2 and BS3 as shown in Figure 3. Noting the antennas are directional and assuming the train body has no effect on the radio link, state any relevant assumptions for the calculation. [20 marks]

(ii)        Assuming an ambient temperature of 290K at the receiver antenna, find the

signal to noise ratio at the antenna output in dB. [20 marks]

(b)        For a train positioned between BS2  and BS3, it is desired to know if BS3  can use the

same frequency band as BS1  when transmitting to the train without interference in the worst case scenario when the train is at the position shown in Figure 3. Therefore, using your answers to part (a):

(i)         Determine the relative difference in path loss from BS1 compared to BS2 in the scenario in Figure 3 and hence determine the power received from BS1 . [15 marks]

(ii)        Calculate the signal to interference and noise ratio in dB in the receiver on

board the train and deduce from your calculation if the interference from BS1 could be disruptive. [20 marks]

(c)        Comment on what effects the metallic body of the train may have on the received signal to interference and noise ratio if the assumption in part (a) (i) is not held . [10 marks]

(d)        The train now moves to a point where it is just passing BS2 and then there is only 1.5m between the transmitter and receiver antennas . Comment on how an automatic gain control  may  be  useful  and  how  it would  operate  in the  down  conversion  of the received signal when the train moves near to base stations in this way . [15 marks]

4.

A 5G communication link at a future frequency band of 43GHz is to be tested for a fixed link over 500m transmitting 200mW to a point where there is no further connectivity . This will hence determine the range over it will not interfere with other users of the same spectrum . A spectrum  analyser  and  antenna  are  used to  measure the  power  received  both  at the receiver point as well as other locations in other directions to determine at what point the power level received falls below a desired threshold to avoid interference to other users.

(a)        The spectrum analyser is connected to the antenna for testing via a coaxial cable with

a loss of 4dB as illustrated in Figure 4. Comment on, and give reason for why this setup will limit the range of signals that can be measured . [10 marks]

Coaxial Cable

Figure 4 – Diagram of spectrum analyser, cable and antenna

(b)        For the setup in Figure 4, find by how many dB the signal to noise ratio changes at the

input  of  the  spectrum  analyser  with  and  without  the  coaxial  cable.  Assume  the bandwidth is just 1Hz and the ambient temperature at the antenna is 290K, while the coaxial cable has a noise temperature of 298K. [20 marks]

(c)        The spectrum analyser employs an initial amplifier at its input, with a gain of 12dB and noise figure of 7dB. With the coaxial cable present, find the noise level in dBm/Hz at the output of this amplifier. [10 marks]

(d)        Comment  on  the  resolution  bandwidth  that  we  would  wish  to  set  in  order  to undertake these measurements in order to minimise any extra noise being added beyond the amplifier output and why. [10 marks]

(e)        Stating any necessary assumptions, calculate the received power at the receiver point

entering the spectrum analyser if the transmit antenna has a gain of 20dBi and the antenna connected to the spectrum analyser is 15dBi and are facing each other in a line of sight. [20 marks]