In this thesis, novel designs for adaptive power amplifiers, capable of maintaining excellent performance at dissimilar signal parameters, are presented. These designs result in electronically reconfigurable, single-ended and Doherty power amplifiers (DPA) that efficiently sustain functionality at different driving signal levels, highly varying time domain characteristics and wide-spread frequency bands. The foregoing three contexts represent those dictated by the diverse standards of modern communication systems. Firstly, two prototypes for a harmonically-tuned reconfigurable matching network using discrete radio frequency (RF) microelectromechanical systems (MEMS) switches and semiconductor varactors will be introduced. Following that is an explanation of how the varactor-based matching network was used to develop a high performance reconfigurable Class F-1 power amplifier. Afterwards, a systematic design procedure for realizing an electronically reconfigurable DPA capable of operating at arbitrary centre frequencies, average power levels and back-off efficiency enhancement power ranges is presented. Complete sets of closed-form equations are outlined which were used to build tunable matching networks that compensate for the deviation of the Doherty distributed elements under the desired deployment scenarios. Off-the-shelf RF MEMS switches are used to realize the reconfigurability of the adaptive Doherty amplifiers. Finally, based on the derived closed-form equations, a tri-band, monolithically integrated DPA was realized using the Canadian Photonics Fabrication Centre (CPFC??) GaN500 monolithic microwave integrated circuit (MMIC) process. Successful integration of high power, high performance RF MEMS switches within the MMIC process paved the way for the realization of the frequency-agile, integrated version of the adaptive Doherty amplifier.

Ultra-broadband Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) amplifiers find applications in multi-gigabit communication systems for 5G and millimeter wave measurement instrumentation systems. The aim of the research was to achieve maximum bandwidth of operation of the amplifier from the foundry process used and high reverse isolation ( < -25.0 dB) across the whole bandwidth. To achieve this, several design variations of DC - 110 GHzMMIC Cascode TravellingWave Amplifier (TWA) on 100 nm AlGaAs/GaAs pHEMT process were done for application in next generation instrumentation and high data transfer rate (100 Gb/s) optical modulator systems. The foundry service and device models used for the design are of the WINPP10-10 process from WIN Semiconductor Corp., Taiwan, a commercial and highly stable process. The cut-off frequency ft and maximum frequency of oscillation fmax for this process are 135 GHz and 185 GHz respectively. Thus, the design was aimed at pushing the ultimate limits of operation for this process. The design specifications were targeted to have S21 = 9.0 to 10.0 ± 1.0 dB, S11 & S22 ≤ -10.0 dB and S12 ≤ -25.0 dB in the whole frequency range. In order to achieve the targeted RF performance, it is imperative to have accurate transistor models over the frequency range of operation, transistor configuration mode and operating bias points. Using smaller periphery transistors results in lower extrinsic & intrinsic input and output capacitances that lead to achieving very wide band performance. Thus, device sizes as small as 2x10 μm were used for the design. A cascode topology, which is a series connection of a common-source and common-gate field effect transistor (FET), was used to achieve large bandwidth of operation, high reverse isolation and high input and output impedance. Using very small periphery devices at cascode bias points posed limitation in the design in terms of accuracy of transistor models under these conditions, specifically at high frequencies i.e., above 50 GHz. One of the major systemrequirements for the application of MMIC ultra-broadband amplifiers in instrumentation is to achieve and maintain high reverse isolation (≤ -25.0 dB) over the whole frequency range of operation which cannot be achieved alone by the cascode topology and new design techniques have to be devised. These twomajor challenges, namely high frequency small periphery FET model modification & development and design technique to achieve high reverse isolation in ultra-broadband frequency range have been addressed in this research.

Orientador: Luiz Carlos Kretly / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-09T03:22:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_Eduardo_M.pdf: 14948633 bytes, checksum: 63579d1a8844e33a2c577a9aed963b41 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho tem como escopo o projeto e implementação de indutores ativos em tecnologia CMOS para operação em sistemas de rádio freqüência. A grande área demandada por indutores passivos integrados, bem como a sua baixa indutância e baixo fator de qualidade associados, apresentam-se como um dos maiores limitantes no projeto de circuitos integrados aplicados às comunicações. Como alternativa, indutores ativos integrados têm sido propostos. O uso de topologias de circuitos que emulam o efeito do indutor passivo convencional torna-se atraente ao passo que o grau de compactação e seletividade podem ser obtidos. Quatro topologias distintas de indutores ativos integrados são abordadas, bem como uma aplicação prática. Resultados de simulação e de experimentos são apresentados / Abstract: This work aims the design and implementation of integrated active inductors in CMOS technology for applications in radio frequency systems. The large area occupied by passive inductors, as well its low quality factor and low inductance, have been detached as one of the major drawbacks in the design of integrated circuits applied to communication systems. Alternately, active inductors have been proposed. Circuits usage which emulates conventional spiral inductors becomes interesting since die area reduction and selectivity can be obtained. Four different topologies of integrated active inductors are discussed, as well a practical application. Simulation results and experimental results are presented. / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

The development of millimeter-wave (30-300 GHz) sensors and communications systems has a long history of interest, spanning back almost six decades. In particular, mm-wave radars have applications as automotive radars, in remote atmospheric sensing applications, as landing radars for air and spacecraft, and for high precision imaging applications. Mm-wave radar systems have high angular accuracy and range resolution, and, while susceptible to atmospheric attenuation, are less susceptible to optically opaque conditions, such as smoke or dust. This dissertation document will present the initial steps towards a new approach to the creation of a mm-wave radar system at 94 GHz. Specifically, this dissertation presents the design, fabrication and testing of various components of a highly integrated mm-wave a 94 Ghz monopulse radar transmitter/receiver. Several architectural approaches are considered, including passive and active implementations of RF monopulse comparator networks. These architectures are enabled by a high-performance three-dimensional rectangular coaxial microwave transmission line technology known as PolyStrataTM as well as silicon-based IC technologies. A number of specific components are examined in detail, including: a 2x2 PolyStrata antenna array, a passive monopulse comparator network, a 94 GHz SiGe two-port active comparator MMIC, a 24 GHz RF-CMOS 4-port active monopulse comparator IC, and a series of V- and W-band corporate combining structures for use in transmitter power combining applications. The 94 GHz cavity-backed antennas based on a rectangular coaxial feeding network have been designed, fabricated, and tested. 13 dB gain for a 2 x 2 array, as well as antenna patterns are reported. In an effort to facilitate high-accuracy measurement of the antenna array, an E-probe transition to waveguide and PolyStrata diode detectors were also designed and fabricated. AW-band rectangular coaxial passive monopulse comparator with integrated antenna array and diode detectors have also been presented. Measured monopulse nulls of 31.4 dB in the ΔAZ plane have been demonstrated. 94-GHz SiGe active monopulse comparator IC and 24 GHz RF-CMOS active monopulse comparator RFIC designs are presented, including detailed simulations of monopulse nulls and performance over frequency. Simulations of the W-band SiGe active monopulse comparator IC indicate potential for wideband operation, with 30 dB monopulse nulls from 75-105 GHz. For the 24-GHz active monopulse comparator IC, simulated monopulse nulls of 71 dB and 68 dB were reported for the azimuthal and elevational sweeps. Measurements of these ICs were unsuccessful due to layout errors and incomplete accounting for parasitics. Simulated results from a series of rectangular coaxial power corporate power combining structures have been presented, and their relative merits discussed. These designs include 2-1 and 4-1 reactive, Wilkinson, and Gysel combiners at V- and W-band. Measured back-to-back results from Gysel combiners at 60 GHz included insertion loss of 0.13 dB per division for a 2-1 combination, and an insertion loss of 0.3 dB and 0.14 dB for "planar" and "direct" 4-1 combinations, respectively. At 94 GHz, a measured insertion loss of 0.1 dB per division has been presented for a 2-1 Gysel combination, using a back-to-back structure. Preliminary designs for a solid-state power amplifier (SSPA) structure have also been presented. Finally, two conceptual monopulse transceivers will be presented, as a vehicle for integrating the various components demonstrated in this dissertation. / Ph. D.

The ever increasing diversity in communication systems has created a demand for constant improvements in receiver components. This thesis describes the design and characterisation of front-end receiver components for various challenging applications, including characterisation of low noise foundry processes, LNA design and multi-band antenna design. It also includes a new theoretical analysis of noise coupling in low noise phased array receivers.In LNA design much depends on the choice of the optimum active devices. A comprehensive survey of the performance of low noise transistors is therefore extremely beneficial. To this end a comparison of the DC, small-signal and noise behaviours of 10 state-of-the-art GaAs and InP based pHEMT and mHEMT low noise processes has been carried out. Their suitability in LNA designs has been determined, with emphasis on the SKA project. This work is part of the first known detailed investigation of this kind. Results indicate the superiority of mature GaAs-based pHEMT processes, and highlight problems associated with the studied mHEMT processes. Two of the more promising processes have then been used to design C-band and UHF-band MMIC LNAs. A new theoretical analysis of coupled noise between antenna elements of a low noise phased array receiver has been carried out. Results of the noise wave analysis, based on fundamental principles of noisy networks, suggest that the coupled noise contribution to system noise temperatures should be smaller than had previously been suggested for systems like the SKA. The principles are applicable to any phased array receiver. Finally, a multi-band antenna has been designed and fabricated for a severe operating environment, covering the three extremely crowded frequency bands, the 2.1 GHz UMTS, the 2.4 GHz ISM and the 5.8 GHz ISM bands. Measurements have demonstrated excellent performance, exceeding that of equivalent commercial antennas aimed at similar applications.

Résumé: Parmi les technologies du 21e siècle en pleine expansion, la télécommunication sans-fil constitue une dimension fondamentale pour les réseaux mobiles, l’aéronautique, les applications spatiales et les systèmes de positionnement par satellites. Les nouveaux défis à surmonter sont à la fois l’augmentation des distances de transmission associée à l’accroissement des quantités de données véhiculées ainsi que la miniaturisation, la réduction du coût de production, la moindre consommation énergétique et la fiabilité de la solution technologique employée pour la chaîne de transmission. Dans ce sens, l’exploitation de bandes de plus hautes fréquences et la multiplication des canaux de transmission sont activement visées par les travaux de recherches actuels. Les technologies à l’étude reposent sur l’utilisation de systèmes intégrés pour répondre aux considérations de coûts de fabrication et d’encombrement. L’élément de base de ces systèmes, le transistor, établit largement la performance du dispositif final en termes de montée en fréquence, de fiabilité et de consommation. Afin de répondre aux défis présents et futurs, des alternatives à la filière silicium sont clairement envisagées. À ce jour, la filière nitrure de gallium est présentée comme la plus prometteuse pour l’amplification de puissance en bande Ka et W au vu de ses caractéristiques physiques et électriques, des performances atteintes par les prototypes réalisés et des premiers produits commerciaux (off-the-shelf) disponibles. L’exploitation de cette technologie à son plein potentiel s’appuie particulièrement sur la maîtrise des étapes de fabrication, de caractérisation et de modélisation du transistor. Ce travail de thèse a pour objectif le déploiement d’une méthodologie permettant la modélisation semi-physique de transistors fabriqués expérimentalement et démontrant des performances à l’état de l’art. Une partie conséquente de ce travail portera sur la caractérisation thermique du dispositif en fonctionnement ainsi que sur la modélisation d’éléments secondaires (éléments passifs) pour la conception d’un circuit amplificateur hyperfréquence. / Abstract: Amongst the emerging and developing technologies of the 21st century, wireless transmission is a fundamental aspect for mobile networks, aeronautics, spatial applications and global positioning systems. Concerning the associated technological solutions, the new challenges to overcome are both the performance increases in terms of data quantity as well as the associated device features in terms of size, production costs, energetic consumption and reliability. In that sense, the use of higher frequency bandwidths and increase of transmission channels are aimed by various current research works. Investigated technologies are based upon integrated systems to meet the criteria of devices costs and size. As the cornerstone of such devices, the transistor largely accounts for the final system performance in terms of working frequency, reliability and consumption. To respond to the challenges of today and tomorrow challenges, alternatives to the dominant current silicon process are clearly considered. To date, gallium nitride based technology is found to be the most promising for hyperfrequency power amplification for Ka and W bands given the associated physical and electrical characteristics, prototypes performance and first commercial “off-the-shelf” products. Exploitation of this technology to its full potential requires controlling and mastering the involved fabrication, characterization and modeling steps related to the transistor. This work aims at establishing a methodology enabling a semi-physical modeling of experimental transistors which exhibit state-of-the-art performance. A significant part of this work will also focus on thermal characterization of devices under test and on modeling of secondary elements (passive elements) suited for the design of hyperfrequency amplifiers.

Les travaux présentés dans ce mémoire d'habilitation portent sur l'impact du bruit de fond électrique sur les technologies des composants actifs, les circuits et les systèmes des hautes fréquences. Durant nos 12 dernières années de recherche, nous nous sommes notamment intéressés à des filières émergentes à fort potentiel d'intégration (BiCMOS Silicium-Germanium) ou encore à forte puissance (GaN) : nous avons ainsi développé des modèles électriques (petit signal et fort signal) et en bruit (basse fréquence et haute fréquence) des composants actifs pour identifier les pistes d'améliorations technologiques, pour localiser les défauts structurels ou pour étudier le comportement de ces mêmes défauts après l'application de contraintes simulant un vieillissement accéléré. Sur la base de la connaissance des composants actifs (transistor bipolaire à hétérojonction et transistors à effet de champ), nous avons développé des circuits intégrés MMIC faible bruit à 10 GHz et 20 GHz (amplificateurs et oscillateurs) dont certains se positionnent à l'état de l'art : des comparaisons de topologies ont notamment été réalisées sur différentes versions intégrées d'oscillateurs contrôlés en tension de type MMIC SiGe. Nous proposons également une discussion sur la pertinence des facteurs de mérite usuellement employés. D'autres études sur des atténuateurs programmables MMIC SiGe ont fait l'objet de brevets. La troisième partie, orientée système, aborde l'étude du bruit d'un récepteur : nous traitons ainsi le cas d'un étage de réception affecté par la chaîne d'émission, en proposant différentes parades permettant de limiter les dégradations de son plancher de bruit ; une technique de filtre compact intégré à l'amplificateur faible bruit a ainsi été brevetée. Enfin, le cas d'un système de liaison hertzienne embarqué sur automobile est abordé. Diverses stratégies sont ainsi proposées pour pallier les évènements conduisant à une rupture de la liaison (diversité temporelle, diversité spatiale et diversité de polarisation). Ces études reposent sur une approche mixte de traitement de mesures par des modèles théoriques, et des simulations électromagnétiques.

Ces travaux de recherche se rapportent à l'étude de transistors HEMTs en Nitrure de Gallium pour l'amplification de puissance micro-onde. Une étude des caractéristique des matériaux grand gap et plus particulièrement du GaN est réaliséé afin de mettre en exergue l'adéquation de leurs propriétés pour les applications de puissance hyperfréquence telle que l'amplification large bande. Dans ce contexte, des résultats de caractérisations et modélisations électriques de composants passifs et actifs sont présentés. Les composants passifs dédiés aux conceptions de circuits MMIC sont décrits et différentes méthodes d'optimisation que ce soit au niveau électrique ou électromagnétique sont explicitées. Les modèles non linéaires de transistors impliqués dans nos conceptions sont de même détaillés. Le fruit de ces travaux concerne la conception d'amplificateurs distribués de puissance large bande à base de cellules cascode de HEMTs GaN, l'un étant reportés en flip-chip sur un substrat d'AlN, le second en technologie MMIC. La version MMIC permet d'atteindre 6.3W sur la bande 4-18GHz à 2dB de compression. Ces résultats révèlent les fortes potetialités attendues des composants HEMTs GaN.

Ce travail est une contribution à la conception et à la réalisation d'oscillateurs intégrés monolithiques micro-ondes (MMIC) à base de Transistor à Effet de Champ à Grille Schottky (MESFET) GaAs ou de Transistor Bipolaire à Hétérojonction (TBH) GaAlAs/GaAs. Nous faisons tout d'abord un rappel sur les principales notions caractéristiques de la fonction oscillateur (notamment conditions d'oscillation et bruit de phase) suivi d'un état de l'art de cette fonction en technologie MMIC. Dans la deuxième partie, nous présentons les différentes techniques de CAO linéaires et non-linéaires utilisées pour la conception des oscillateurs. Avantages et inconvénients sont dégagés. Ceci nous conduit à définir une procédure générale de conception d'oscillateurs en régime de forts signaux basée sur la méthode d'équilibrage harmonique. L'oscillateur est traité sous la forme d'un amplificateur en réflexion avec optimisation du cycle de charge intrinsèque au transistor et de l'impédance de charge. Cette méthodologie est ensuite appliquée à la conception d'un oscillateur MMIC à base de MESFET. La comparaison simulation-mesure nous conduit à constater les limites des techniques de caractérisation habituellement utilisées permettant l'extraction de modèle non linéaire de FET. Elle permet de montrer également l'inadéquation des modèles non-linéaires classiques de FET ne prenant pas en compte le phénomène d'autopolarisation et la nature distribuée de la grille. Une caractérisation complète des oscillateurs est réalisée incluant mesure et simulation du bruit de phase. La dernière partie présente la conception et la réalisation d'oscillateurs MMIC à base de TBH. L'objectif est d'évaluer ici par rapport à la fonction oscillateur, une technologie MMIC à TBH GaAlAs/GaAs

Ces dernières années ont vu le fort développement des communications spatiales et avec lui le changement des contraintes de conception de ces systèmes. En effet, la multiplicité des applications hyperfréquences ainsi que leur ouverture au domaine grand public ont entraîné l'augmentation des densités d'intégration et des performances des systèmes, mais aussi la nécessité de prendre en considération leur fiabilité et les coûts de production. Ainsi, nos travaux portent sur l'étude et l'intégration de convertisseur de fréquence micro-ondes répondant à ces impératifs. Dans un premier temps, nous abordons les définitions relatives aux mélangeurs ainsi que les principales caractéristiques nécessaires à leurs évaluations. Nous présentons ensuite les différentes topologies de mélangeurs existantes en citant, pour chacune, ses avantages et ses inconvénients. La seconde partie de nos travaux de recherche est dédiée à la définition d'une cellule originale de mélange. Une méthode analytique de conception, basée sur le formalisme des matrices de conversion, nous a permis d'une part de définir des règles génériques de conception de mélangeur et d'autres part d'optimiser notre cellule de mélange suivant des critères fixés. Enfin, une partie importante de ces investigations est dédiée à l'étude de la stabilité non-linéaire des mélangeurs, point sensible de la topologie retenue. La dernière partie de ce mémoire est consacré à l'intégration monolithique et à la caractérisation du mélangeur performant envisagé pour deux technologies concurrentes : l'une basée sur des transistors à effet de champ à haute mobilité électronique sur Arséniure de Gallium et l'autre fondée sur des transistors bipolaires à hétérojonction Silicium/Silicium-Germanium. Pour cette dernière technologie, un effort a été porté sur la conception de circuits passifs fonctionnant aux fréquences millimétriques. La caractérisation des circuits a démontré le bien fondé des études présentées précédemment ainsi que l'aptitude de la technologie Silicium-Germanium pour l'intégration monolithique de systèmes aux fréquences millimétriques.