Abstract In this thesis, a measurement system was set to perform comprehensive measurements on RF power amplifiers. Data obtained from the measurements is then processed mathematically to obtain three dimensional graphs of the basic parameters affected or generated by nonlinearities of the amplifier i.e. gain, efficiency and distortion. Using a class AB amplifier as the DUT, two sets of signals – both swept in power level and frequency - were generated to validate the method, a two-tone signal and a WCDMA signal. The three dimensional plot gives a thorough representation of the behavior of the amplifier in any arbitrary range of spectrum and input level. Sweet spots are consequently easy to detect and analyze. The measurement setup can also yield other three dimensional plots of variations of gain, efficiency or distortion versus frequencies and input levels. Moreover, the measurement tool can be used to plot traditional two dimensional plots such as, input versus gain, frequency versus efficiency etc, making the setup a practical tool for RF amplifiers designers. The test signals were generated by computer then sent to a vector signal generator that generates the actual signals fed to the amplifier. The output of the amplifier is fed to a vector signal analyzer then collected by computer to be handled. MATLAB® was used throughout the entire process. The distortion considered in the case of the two-tone signals is the third order intermodulation distortion (IM3) whereas Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) was considered in the case of WCDMA.

In this doctoral dissertation, the author presents the theoretical foundation, the analysis and design of analog and RF circuits, the chip level implementation, and the experimental validation pertaining to a new radio frequency integrated circuit (RFIC) power amplifier (PA) architecture that is intended for wireless portable transceivers. / A method called Gated Envelope Feedback is proposed to allow the automatic hardware reconfiguration of a stand-alone RFIC PA in multiple states for power efficiency improvement purposes. The method uses self-operating and fully integrated circuitry comprising RF power detection, switching and sequential logic, and RF envelope feedback in conjunction with a hardware gating function for triggering and activating current reduction mechanisms as a function of the transmitted RF power level. Because of the critical role that RFIC PA components occupy in modern wireless transceivers, and given the major impact that these components have on the overall RF performances and energy consumption in wireless transceivers, very significant benefits stem from the underlying innovations. / The method has been validated through the successful design of a 1.88GHz COMA RFIC PA with automatic hardware reconfiguration capability, using an industry renowned state-of-the-art GaAs HBT semiconductor process developed and owned by Skyworks Solutions, Inc., USA. The circuit techniques that have enabled the successful and full on-chip embodiment of the technique are analyzed in details. The IC implementation is discussed, and experimental results showing significant current reduction upon automatic hardware reconfiguration, gain regulation performances, and compliance with the stringent linearity requirements for COMA transmission demonstrate that the gated envelope feedback method is a viable and promising approach to automatic hardware reconfiguration of RFIC PA's for current reduction purposes. Moreover, in regard to on-chip integration of advanced PA control functions, it is demonstrated that the method is better positioning GaAs HBT technologies, which are known to offer very competitive RF performances but inherently have limited integration capabilities. / Finally, an analytical approach for the evaluation of inter-modulation distortion (IMD) in envelope feedback architectures is introduced, and the proposed design equations and methodology for IMD analysis may prove very helpful for theoretical analyses, for simulation tasks, and for experimental work.

In recent years, tremendous growth of the wireless market can be defined through the following words: smartphone and high-data rate wireless communication. This situation gives new challenges to RF power amplifier design, which includes high-efficiency, multi-band operation, and robustness to antenna mismatch conditions. In addition to these issues, the industry and consumers demand a low-cost small-sized wireless device. A fully integrated single-chip CMOS transceiver is the best solution in terms of cost and level of integration with other functional blocks. Therefore, the effective approaches in a CMOS process for the abovementioned hurdles are highly desirable. In this dissertation, the new challenges are overcome by introducing adaptability to a CMOS power amplifier. Meaningful achievements are summarized as follows. First, a new CMOS switched capacitor structure for high power applications is proposed. Second, a dual-mode CMOS PA with an integrated tunable matching network is proposed to extend battery lifetime. Third, a switchless dual-band matching structure is proposed, and the effectiveness of dual-band matching is demonstrated with a fully-integrated CMOS PA. Lastly, a reconfigurable CMOS PA with an automatic antenna mismatch recovery system is presented, which can maintain its original designed performance even under various antenna mismatch conditions. Conclusively, the research in this dissertation provides various solutions for new challenges of advanced mobile terminals.

The research presented in this thesis leverages silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistor (HBT) technology to develop microwave front-end electronics for active phased-array antennas. The highly integrated electronics will reduce costs and improve the feasibility of snow measurements from airborne and space-borne platforms. Chapter 1 presents the motivation of this research, focusing on the technological needs of snow measurement missions. The fundamentals and benefits of SiGe HBTs and phased-array antennas for these missions are discussed as well. Chapter 2 discusses SiGe power amplifier design considerations for radar systems. Basic power amplifier design concepts, power limitations in SiGe HBTs, and techniques for increasing the output power of SiGe HBT PAs are reviewed. Chapter 3 presents the design and characterization of a robust medium power X-band SiGe power amplifier for integration into a SiGe transmit/receive module. The PA design process applies the concepts presented in Chapter 2. A detailed investigation into measurement-to-simulation discrepancies is outlined as well. Chapter 4 discusses the development and characterization of a single-chip X-band SiGe T/R module for integration into a very thin, lightweight active phased array antenna panel. The system-on-package antenna combines the high performance and integration potential of SiGe technologies with advanced substrates and packaging techniques to develop a high performance scalable antenna panel using relatively low-cost materials and silicon-based electronics. The antenna panel presented in this chapter will enable airborne SCLP measurements and advance the technology towards an eventual space-based SCLP measurement instrument that will satisfy a critical Earth science need. Finally, Chapter 5 provides concluding remarks and discusses future research directions.

Thesis (Ph. D.)--Ohio State University, 2007. / Full text release at OhioLINK's ETD Center delayed at author's request

Thesis (M.App.Sc.) - Carleton University, 2007. / Includes bibliographical references (p. 112-118). Also available in electronic format on the Internet.

L'amplificateur de puissance est le module le plus critique dans les équipements de communication radio. Il détermine la qualité de la liaison par sa linéarité et a une contribution conséquente dans la consommation de l'émetteur ; environ 60% de l'énergie consommée est consacré à l'amplification. Il est donc crucial de le faire fonctionner avec un rendement énergétique élevé. Cependant, ces deux spécifications principales de l'amplificateur que sont la linéarité et le rendement énergétique sont antagoniques. Par conséquent, la conception d'un module d'amplification de puissance suppose de trouver un compromis entre la linéarité et le rendement. L'optimisation de ce compromis est la raison d'être des techniques de linéarisation d'amplificateurs et d'amélioration du rendement, parmi lesquelles la prédistorsion numérique (DPD) et les techniques de réduction du PAPR du signal (CFR).Le cœur de cette thèse est la linéarisation d'amplificateurs RF haute-puissance et large-bande par prédistorsion numérique (DPD). Dans ces travaux, nous abordons trois problématiques liées à la prédistorsion et qui constituent des verrous technologiques importants. Le premier aspect concerne l'implémentation de la prédistorsion numérique dans un contexte multi-bande où le signal à linéariser comporte plusieurs formes d'ondes, situées à des fréquences différentes. La seconde problématique est l'utilisation conjointe de la prédistorsion avec une technique de CFR. Dans la majorité des applications haute-puissance, les techniques de DPD et de CFR sont présentes de manière complémentaire, cependant elles sont utilisées de façon autonome et disjointe. Celles-ci gagneraient en performances de linéarisation en étant implémentées de manière plus concertée. . Le dernier thème abordé par cette thèse est l'effet des désadaptations d'impédance de l'antenne sur le mode de fonctionnement de l'amplificateur. La variation de l'impédance d'antenne entraine des réflexions de signal vers l'amplificateur qui modifient ses spécifications de linéarité et de rendement. Nous améliorons la linéarité du système DPD + AP, lorsque l'amplificateur est soumis à des variations de l'impédance à sa charge, grâce à une correction adaptative de gain / Power amplifier is one of the most critical element within radiocommunications systems. The PA is their main source of nonlinearities and it has a great contribution on the emitter's power consumption. Running the PA with highest power efficiency is thus as crucial as having it linear for a good communication quality. However these two specifications of the PA are antagonistic and PA manifacturers need to find a compromise between linearity and power efficiency. Digital Predistortion (DPD) and Crest factor Reduction techniques are intended to improve power efficiency while preserving linearity or inversely. Linearization of wideband RF power amplifiers using Digital Predistortion is the focus of this thesis. Three DPD issues are investigated in these works. The first issue deals with multiband linearization where signals with various waveforms located at different frequency bands are amplified. The second objective of this thesis is to study a concurrent DPD/CFR systems based on an automatic estimation of the necessary CFR gain. The last part of this dissertation deals with PA linearization under antenna load variations. Indeed, the impedance of antenna may vary because of electromagnetic objects that are present in its vicinity. Those impedance variations may instigate signal reflections toward the PA, that modify some of its main specifications (linearity, delivered power and efficiency). Our goal in this field is to preserve DPD linearization performances under antenna load mismatch

Cette thèse porte sur l'étude et l'intégration en technologie SOI CMOS d'un circuit amplificateur de puissance multimode multibande (MMPA) reconfigurable capable d'adresser les modes 2G/3G/4G sur plusieurs bandes de fréquences. Les modules MMPA actuels (modules hybrides) reposent sur l'utilisation de plusieurs technologies, en particulier la technologie GaAs en ce qui concerne les chaines d'amplification, et représentent une part importante du coût et de l'encombrement d'une tête d'émission radiofréquences. La solution originale proposée dans cette thèse représente une avancée significative en termes d'intégration par rapport à l'état de l'art et les premiers résultats mesurés démontrent la pertinence de l'architecture proposée. Une étude sur l'optimisation du rendement énergétique au niveau de l'étage de puissance en présence de signaux modulés en amplitude et phase de type 3G et 4G est également proposée. Cette étude adresse les potentialités des techniques de modulation de la charge et de l'alimentation et permet de comparer les deux approches.Après une présentation du contexte et de l'état de l'art, une méthodologie de conception originale reposant sur l'étude de différentes classes de fonctionnement est proposée. Cette méthodologie permet en particulier de pré-dimensionner les cellules de puissance reconfigurables ainsi que leurs impédances de source et de charge en fonction des contraintes de puissance et de linéarité dans les différents modes pour avoir le meilleur rendement. Elle permet aussi de choisir les topologies de réseaux d'adaptation accordables pertinentes.Ces études ont conduit à la réalisation de deux démonstrateurs intégrés en technologies SOI CMOS 130 nm. Le premier prototype est un amplificateur multimode et multibande reconfigurable à deux étages capable de fonctionner en mode saturé et en mode linéaire pour des bandes de fréquence situées entre 700MHz et 900MHz. L'architecture proposée est composée d'un étage de puissance reconfigurable constitué de deux cellules de puissance de type LDMOS pouvant être activées ou non en fonction du mode adressé. Différents réseaux d'adaptation accordables à base de capacités commutées utilisant des transistors NMOS à body flottant permettent une optimisation des performances du MMPA en fonction du mode et de la bande de fréquence. Avec ce prototype, des puissances de sortie de 35dBm en mode saturé et 30dBm en mode linéaire ont été mesurées avec des rendements correspondants supérieurs respectivement à 58% et 47%. Par rapport aux simulations initiales, des différences ont été observées puis analysées afin d'en identifier l'origine. Notamment, la surestimation du facteur de qualité des capacités MOM dans les réseaux de capacités commutées et des interconnections sous optimales sont la cause des écarts observés.Le deuxième prototype est un amplificateur de puissance à modulation de charge passive intégrée. Cet amplificateur repose sur une cellule de puissance de type LDMOS associée à un réseau d'adaptation accordable à base de capacités commutées capables de supporter une puissance supérieure à 33dBm. Ce réseau permet de présenter à l'étage de puissance une trajectoire de charge optimale en fonction de la puissance de sortie. Avec ce prototype, une amélioration du rendement supérieure à 55% par rapport à la configuration utilisant une charge constante a été mesurée pour un recul en puissance compris entre 7dB et 11dB. / This work focuses on the study and integration of a reconfigurable multi-mode multi-band power amplifier (MMPA) supporting 2G/3G/4G at several frequency bands in SOI CMOS 130nm technology. Current hybrid MMPA modules take advantage of multiple technologies, in particular GaAs for power devices. This adds to the cost and complexity of radiofrequency front-end modules. The original solution presented in this thesis is a significant step toward the integration of MMPA compared to the state of the art and initial results illustrates the relevance of the proposed architecture. A study on PA efficiency under 3G / 4G modulated signals is also presented by comparing load and supply modulation PA architectures.First, the context and state of the art are presented. A design methodology based on the study of different operating classes is then presented, which allows pre-sizing of power cells and optimal load impedance determination for high efficiency reconfigurable PA design.The proposed PA design methodology led to the implementation of PA demonstrators integrated in SOI CMOS 130nm technology. The first demonstrator is a two stage reconfigurable MMPA operating from 700MHz to 900MHz and supporting saturated and linear modes. The power stage comprises two SOI LDMOS power cells that are activated according to the desired mode. Tunable matching networks based on switched capacitor arrays allow optimization of the MMPA performance according to the mode and band. The measured prototype delivers up to 35dBm of output power in saturated mode with more than 58% efficiency. In linear mode, the measured output power exceeds 30dBm with efficiency higher than 47%. Compared to initial simulations, some differences were observed. In particular, underestimation of losses associated with MOM capacitors and sub-optimal interconnections are the root cause of the observed discrepancies.The second demonstrator is a passive load modulation PA architecture. It includes a SOI LDMOS power cell and a tunable matching network made of high power binary weighted switched capacitor arrays. The tunable matching network allows presenting an optimal load trajectory to the PA in order to maximize its back-off efficiency. Measured efficiency enhancement is higher than 55% compared to a fixed load configuration for 7dB to 11dB power back-offs.

Abstract This thesis studies the design methods and properties of supply-modulated switch-mode radio frequency power amplifiers. Besides simulation based studies and theory review, two amplifiers were designed: a discrete MESFET class E amplifier (0.5 W at 1 GHz), and an integrated pHEMT class E-1 amplifier (2.0 W at 1.6 GHz) with an on-chip resonator. The existing design methods of the resonant output network of switching amplifiers were reviewed and some extensions on the handling of nonlinear capacitances were proposed. The effects of varying supply voltage were studied and suggestions were given to minimize Vdd / AM and Vdd / PM distortion in supply modulated amplifiers. The implementation of the bias feed was also discussed resulting in proposing a combination of a short transmission line and a small inductor, which provides both fast supply modulation and little effect on harmonic impedances. The main contributions are related to the study of the input impedance of a class E power amplifier, where the effects of supply dependent input impedance and timing skew generated by injected harmonic distortion were analyzed. The stabilization of the amplifier was also discussed. Based on the findings, a push-pull class E amplifier with extra cross-coupled feedback capacitors and second harmonic traps at the gates appears to be a very good starting point for a further study. / Tiivistelmä Tämä väitöstyö käsittelee radiotaajuuksilla toimivien käyttöjännitemoduloitujen kytkintehovahvistimien ominaisuuksia ja suunnittelumenetelmiä. Suunnittelumenetelmiin liittyvän katsauksen ja simulaatioihin perustuvan tutkimusten lisäksi kaksi vahvistinta toteutettiin väitöstutkimuksen aikana: diskreettikomponentein toteutettu E-luokan vahvistin (MESFET, 0.5 W ja 1 GHz) ja integroituna piirinä toteutettu käänteinen E-luokan vahvistin (pHEMT, 2.0 W ja 1.6 GHz), jonka lähdön resonaattoripiiri sisällytettiin integroituun piiriin. Kytkinvahvistimien suunnittelumenetelmiä verrattiin ja kehitettiin edelleen siten, että suunnitteluvaiheessa voidaan ottaa huomioon esim. transistoripiirin takaisinkytkennässä olevan kapasitanssin epälineaarisuus. Työssä tutkittiin myös käyttöjännitemodulaation vaikutusta kytkinvahvistimien toimintaan, ja tutkimuksen tuloksena annettiin muutamia ehdotuksia käyttöjänniteriippuvan amplitudi- (Vdd / AM) ja vaihemodulaation (Vdd / PM) vähentämiseksi. Lähdön biasointipiirin toteutukseen suositeltiin pienen kelan ja siirtolinjan yhdistelmää. Yhdistelmän avulla pyritään maksimoimaan modulaationopeus ja minimoimaan vaikutukset harmonisiin impedansseihin. Pääkohtina väitöksessä ovat E-luokan kytkinvahvistimesta saadut tutkimus- ja mittaushavainnot käyttöjännitteen funktiona muuttuvasta transistorin tuloimpedanssista sekä suurikokoisen transistorin tuloissa tapahtuvan, säröytymisen aiheuttaman tulosignaalien ajoitusvirheen analyysi. Näiden lisäksi vahvistimen stabiilisuuteen kiinnitettiin huomiota. Saatujen havaintojen perusteella voimme todeta, että push-pull -tyyppinen E-luokan vahvistin olisi mielenkiintoinen valinta jatkotutkimuksille.

L'amplificateur de puissance est le module le plus critique dans les équipements de communication radio. Il détermine la qualité de la liaison par sa linéarité et a une contribution conséquente dans la consommation de l'émetteur ; environ 60% de l'énergie consommée est consacré à l'amplification. Il est donc crucial de le faire fonctionner avec un rendement énergétique élevé. Cependant, ces deux spécifications principales de l'amplificateur que sont la linéarité et le rendement énergétique sont antagoniques. Par conséquent, la conception d'un module d'amplification de puissance suppose de trouver un compromis entre la linéarité et le rendement. L'optimisation de ce compromis est la raison d'être des techniques de linéarisation d'amplificateurs et d'amélioration du rendement, parmi lesquelles la prédistorsion numérique (DPD) et les techniques de réduction du PAPR du signal (CFR).Le cœur de cette thèse est la linéarisation d'amplificateurs RF haute-puissance et large-bande par prédistorsion numérique (DPD). Dans ces travaux, nous abordons trois problématiques liées à la prédistorsion et qui constituent des verrous technologiques importants. Le premier aspect concerne l'implémentation de la prédistorsion numérique dans un contexte multi-bande où le signal à linéariser comporte plusieurs formes d'ondes, situées à des fréquences différentes. La seconde problématique est l'utilisation conjointe de la prédistorsion avec une technique de CFR. Dans la majorité des applications haute-puissance, les techniques de DPD et de CFR sont présentes de manière complémentaire, cependant elles sont utilisées de façon autonome et disjointe. Celles-ci gagneraient en performances de linéarisation en étant implémentées de manière plus concertée. . Le dernier thème abordé par cette thèse est l'effet des désadaptations d'impédance de l'antenne sur le mode de fonctionnement de l'amplificateur. La variation de l'impédance d'antenne entraine des réflexions de signal vers l'amplificateur qui modifient ses spécifications de linéarité et de rendement. Nous améliorons la linéarité du système DPD + AP, lorsque l'amplificateur est soumis à des variations de l'impédance à sa charge, grâce à une correction adaptative de gain / Power amplifier is one of the most critical element within radiocommunications systems. The PA is their main source of nonlinearities and it has a great contribution on the emitter's power consumption. Running the PA with highest power efficiency is thus as crucial as having it linear for a good communication quality. However these two specifications of the PA are antagonistic and PA manifacturers need to find a compromise between linearity and power efficiency. Digital Predistortion (DPD) and Crest factor Reduction techniques are intended to improve power efficiency while preserving linearity or inversely. Linearization of wideband RF power amplifiers using Digital Predistortion is the focus of this thesis. Three DPD issues are investigated in these works. The first issue deals with multiband linearization where signals with various waveforms located at different frequency bands are amplified. The second objective of this thesis is to study a concurrent DPD/CFR systems based on an automatic estimation of the necessary CFR gain. The last part of this dissertation deals with PA linearization under antenna load variations. Indeed, the impedance of antenna may vary because of electromagnetic objects that are present in its vicinity. Those impedance variations may instigate signal reflections toward the PA, that modify some of its main specifications (linearity, delivered power and efficiency). Our goal in this field is to preserve DPD linearization performances under antenna load mismatch