This work focuses on fixing measurement inaccuracies to which models and figures of merit are susceptible in two wireless communication environments: power amplifier and multipath. To emulate or rate the performance of these environments, models and figures of merit, respectively, are often used. The usefulness of a model depends on how accurately and efficiently it emulates its real-world counterpart. The usefulness of a figure of merit depends on how accurately it represents system behavior. Most discussions on the challenges and trade-offs faced in modeling nearly always focus on the complexity of the device or channel of interest and the resultant difficulty in describing it. Similarly, figures of merit are meant only to summarize the performance of the device or channel. At some point, either in generation or verification of a model or figure of merit, there is a dependence on measured data. Though the complexity and performance of the device or channel are challenges by themselves, there are other significant sources of distortion that must be minimized to avoid errors in the measured data. For this work, the unique distortion of power amplifier and multipath environments is considered, and then errors in measurement which would obscure these distortions are eliminated. Specifically, three measurement issues are addressed: 1) identifying measurement setup artifacts, 2) achieving consistent measurement results and 3) reducing variations in the environment. This work contributes to increasing the accuracy of microwave measurements used in the modeling of nonlinear high-power amplifiers and used in figures of merit for power amplifiers and multipath channels.

Les communications futures pour les applications civiles et militaires utilisent des signaux modulés complexes large bande qui seront émis à travers des amplificateurs de puissance multivoie de type DOHERTY qui devront avoir des performances en puissance, rendement, OBO et largeur de bande qui constituent aujourd’hui un véritable défi à relever. Pour ce faire les concepteurs ont besoin d’outils de caractérisation temporelle permettant la mesure normalisées et l’optimisation des tensions et courants aux accès des dispositifs non linéaires sous pointes ou connectorisés. Ce travail de thèse a permis de mettre en œuvre cet outil de caractérisation temporelle qui a été utilisé pour répondre à des besoins spécifiques pour la modélisation de transistor, pour l’optimisation de leur fonctionnement en termes de stabilité impulsion à impulsion, pour la recherche des conditions optimales de leur fonctionnement dans un amplificateur de type Doherty. Pour cette mise en œuvre une modélisation mathématique des échantillonneurs a été réalisée pour évaluer leurs performances et choisir le mieux adapté à la mesure temporelle RF. Des procédures d’étalonnages rigoureuses ont été développées pour obtenir simultanément des formes d’ondes temporelles calibrées à spectre très large (Basse fréquences jusqu’aux Hyperfréquences). / The future communications for civil and military applications will use complex wideband modulated signals to be transmitted through multi-channel DOHERTY power amplifiers which should have high performance in terms of power, efficiency, OBO, and bandwidth. In order to meet these stringent requirements, designers need time-domain characterization tools for calibrated measurements and for optimizing voltages and currents at both ports of non-linear connectorized or on-wafer devices. This work successfully implements time-domain characterization tools used to meet specific needs for transistor modeling, to optimize their operation in terms of pulse to pulse stability, and to search optimal conditions of their operation modes in a Doherty power amplifier. For this implementation, mathematical modeling is performed to evaluate sampler’s performances in terms of time-domain sampling efficiency in order to choose the best suited sampling architecture for RF time-domain measurements. Rigorous calibration procedures have been developed to obtain simultaneously full time-domain calibrated waveforms (from low Frequencies to Microwave frequencies).

Ces travaux de thèse concernent le développement de combineur de puissance faibles pertes et compact selon une architecture planaire pour des applications amplificateur de forte puissance à état solide en bande X. La conception du combineur de puissance s’appuie sur l’étude de structures multicouches faibles pertes et compactes en triplaque à air suspendu. Une étude électromagnétique et thermique est proposée pour déterminer les performances de ces structures de transmission dans la bande X. Un système de refroidissement est également mis en place pour permettre aux structures de transmission de tenir des puissances moyenne de l’ordre de 50 W. La réalisation et la caractérisation de ces structures triplaques à air ont permis de démontrer les caractéristiques de faibles pertes et de compacité de ces circuits imprimés. Cette technologie triplaque à air suspendue est alors compatible pour des applications de forte puissance comme les émetteurs à état solide. / This PhD thesis deals with planar architecture design development of low loss and compact power combiner for solid-state high power amplification in X-band. The design is based on the study of innovative multilayer air dielectric stripline transmission structures. A reliable printed circuit process allows to obtain low loss, compact and replicable stripline structures. Electromagnetic FEM and thermal studies are proposed to evaluate transmission structures performances in X-band. Two compact and scalable structures were developed and may be integrated into complex multilayer systems. Finally a cooling system with periodic ceramic contacts is developed to improve the power handling capability of these stripline structures up to 50 W. The study, development and benchmark of these stripline structures demonstrated their compactness and low loss behaviour. Ultimately, these attributes make them excellent candidates for high power solid-state emitters.

The research conducted for this thesis seeks to understand issues associated with integrating a direct spread spectrum system (DSSS) transceiver on to a single chip. Various types of sequences, such as Kasami sequences and Gold sequences, are available for use in typical spread spectrum systems. For this thesis, complex spreading sequences (CSS) are used for improved cross-correlation and autocorrelation properties that can be achieved by using such a sequence. While CSS and DSSS are well represented in the existing body of knowledge, and discrete bulky hardware solutions exist – an effort to jointly integrate CSS and DSSS on-chip was identified to be lacking. For this thesis, spread spectrum architecture was implemented focussing on sub-systems that are specific to CSS. This will be the main contribution for this thesis, but the contribution is further appended by various RF design challenges: highspeed requirements make RF circuits sensitive to the effects of parasitics, including parasitic inductance, passive component modelling, as well as signal integrity issues. The integration is first considered more ideally, using mathematical sub-systems, and then later implemented practically using complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology. The integration involves mixed-signal and radio frequency (RF) design techniques – and final integration involves several specialized analogue sub-systems, such as a class F power amplifier (PA), a low-noise amplifier (LNA), and LC voltage-controlled oscillators (VCOs). The research also considers various issues related to on-chip inductors, and also considers an active inductor implementation as an option for the VCO. With such an inductor a better quality factor is achievable. While some conventional sub-system design techniques are deployed, several modifications are made to adapt a given sub-system to the design requirements for this thesis. The contribution of the research lies in the circuit level modifications done at sub-system level aimed towards eventual integration. For multiple-access communication systems, where a number of independent users are required to share a common channel, the transceiver proposed in this thesis, can contribute towards improved data rate or bit error rate. The design is completed for fabrication in a standard 0.35-μm CMOS process with minimal external components. With an active chip area of about 5 mm2, the simulated transmitter consumes about 250 mW&the receiver consumes about 200 mW. AFRIKAANS : Die navorsing wat vir hierdie tesis onderneem is, beoog om kundigheid op te bou aangaande die kwessies wat met die integrasie van ‘n direkte spreispektrumstelsel (DSSS) sender-ontvanger op ‘n enkele skyfie verband hou. Verskeie tipes sekwensies, soos byvoorbeeld Kasami- en Gold-sekwensies, is vir gebruik in tipiese spreispektrumstelsels beskikbaar. Vir hierdie tesis is komplekse spreisekwensies (KSS) gebruik vir verbeterde kruis- en outokorrelasie-eienskappe wat bereik kan word deur so ‘n sekwensie te gebruik. Alhoewel DSSS en KSS reeds welbekend is, en diskrete hardeware oplossings reeds bestaan, is die vraag na gesamentlike geïntegreerde DSSS en KSS op een vlokkie geïdentifiseer. Vir hierdie tesis is spreispektrumargitektuur aangewend met die klem op KSS substelsels. Dit is dan ook die belangrikste bydrae van hierdie tesis, maar die bydrae gaan verder gepaard met verskeie RF-ontwerpuitdagings: hoëspoed-vereistes maak RF-stroombane sensitief vir die uitwerking van parasitiese komponente, met inbegrip van parasitiese induktansie, passiewe komponentmodellering en ook seinintegriteitskwessies. Die integrasie word eerstens meer idealisties oorweeg deur wiskundige substelsels te gebruik en dan later prakties te implementeer deur komplementêre metaaloksied-halfgeleiertegnologie (CMOS) te gebruik. Die integrasie behels gemengdesein- en radiofrekwensie(RF)-ontwerptegnieke – en finale integrasie behels verskeie gespesialiseerde analoë substelsels soos ‘n klas F-kragversterker (KV), ‘n laeruis-versterker (LRV), en LC-spanningbeheerde ossileerders (SBO’s). Die navorsing oorweeg ook verskeie kwessies in verband met op-skyfie induktors en oorweeg ook ‘n aktiewe induktorimplementering as ‘n opsie vir die SBO. Met sodanige induktor is ‘n beter kwaliteitsfaktor haalbaar. Hoewel enkele konvensionele substelsel-ontwerptegnieke aangewend word, word daar verskeie wysigings aangebring om ‘n gegewe substelsel by die ontwerpvereistes vir hierdie tesis aan te pas. Die bydrae van die navorsing is hoofsaaklik die stroombaanmodifikasies wat gedoen is op substelselvlak om integrasie te vergemaklik. Vir veelvoudige-toegang kommunikasiestelsels waar ‘n aantal onafhanklike gebruikers dieselfde seinkanaal moet deel, kan die sender-ontvanger voorgestel in hierdie tesis meewerk om die datatempo en fouttempo te verbeter. Die ontwerp is voltooi vir vervaardiging in ‘n standaard 0.35-μm CMOS-proses met minimale eksterne komponente. Met ‘n aktiewe skyfie-oppervlakte van ongeveer 5 mm2, verbruik die gesimuleerde sender ongeveer 250 mW en die ontvanger verbruik ongeveer 200 mW. / Thesis (PHD)--University of Pretoria, 2011. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

The study, description, design and implementation of selected blocks of multiband shortwave radio station are dealt with in the thesis. Focus is placed on the concept of multiband shortwave radio stations, with an emphasis on high frequency and intermediate frequency circuits. The first chapter is devoted to description of the transceiver block diagram which is designed as superheterodyne. The design of bandpass input filters, intermediate frequency crystal filters and output filters is described. Simulation results and the measured characteristics of the implemented functional blocks are presented. Furthermore, the amplifier circuits which maintain impedance matching of individual blocks are discussed. SSB signal generation in the transmitter part of radio station and final stage power amplification are depicted.

Les fortes capacités actuelles et envisagées des futurs liens satellites de communication pour la 5G conduisent les signaux traités dans les charges utiles à présenter simultanément d'importantes variations d'amplitude (PAPR>10dB) et de très larges bandes passantes instantanées (BW>1GHz). A l'intérieur du sous-système d'émission hyperfréquence, le fonctionnement du module d'amplification de puissance se trouve très contraint par les formes d'ondes véhiculées, il se présente comme l'un des postes de consommation énergétique des plus importants, et ayant le plus d'impact sur l'intégrité du signal émis. Dans ce contexte, les fonctions dédiées au traitement numérique des signaux et couramment implémentées par le processeur numérique (telles que le filtrage, la canalisation, et éventuellement la démodulation et la régénération des signaux bande de base) embarquées dans les charges utiles, représentent une solution à fort potentiel qui permettrait de relâcher les contraintes reportées sur la fonction d'amplification de puissance afin de gérer au mieux la ressource électrique allouée. Ces travaux de thèse proposent d'étudier les potentialités d'amélioration du fonctionnement en rendement et linéarité d'un amplificateur de type Doherty à double entrée de gamme 20W en technologie GaN et fonctionnant en bande C. La combinaison des signaux de puissance sur la charge RF est optimisée par une distribution optimale des signaux en amplitude et phase à l'entrée par des moyens numériques de génération. Dans un premier temps une méthodologie de conception large bande d'un amplificateur Doherty est introduite et validée par la conception d'un démonstrateur en bande C. Dans un second temps, l'outil expérimental permettant l'extraction des lois optimales de distribution d'amplitude et de phase RF est présenté en détail, et la caractérisation expérimentale du dispositif en double entrée est réalisée puis comparée aux simulations. Finalement, en perspective à ces travaux, une étude préliminaire des potentialités de l'architecture Doherty à double entrée pour la gestion d’une désadaptation de la charge de sortie (gestion de TOS) est menée et des résultats sont mis en avant. / The high capabilities of current and future 5G communication satellite links lead the processed signals in the payloads to simultaneously exhibit large amplitude variations (PAPR>10dB) and wide instantaneous bandwidths (BW>1GHz). Within the microwave transmission subsystem, the operation of the power amplification stage is highly constrained by the transmitted waveforms, it is one of the most energy-consuming module of the payload affecting as well the integrity of the transmitted signal. In this context, the functions dedicated to digital signal processing and currently implemented by the digital processor (such as filtering, channeling, and possibly the demodulation and regeneration of baseband signals) embedded in the payloads, represent a potential solution that would reduce the constraints reported on the power amplification function and help to manage the allocated power ressource. This work proposes a study on the capability of dual input power amplifier architectures in order to manage the efficiency-linearity trade-off over a wide bandwidth. This study is carried out on a 20W GaN Doherty demonstrator operating in C band. The combination of the output signals on the RF load is managed by an optimal amplitude and phase distribution that is digitally controlled at the input. Firstly, a wideband design methodology of Doherty amplifier is introduced and validated on a C band demonstrator. In a second time the experimental tool allowing the extraction of amplitude and phase input distributions is presented, the dual input characterization is achieved and compared with simulation results. Finally, in perspective of this work, a preliminary study of the capabilities of the digital Doherty for the management of an output load mismatch (VSWR management) is carried out and the results are put forward.

Ce travail concerne les transistors bipolaires à hétérogène TBH SiGe. En particulier, l'auto-échauffement des transistors unitaires et le couplage thermique avec leurs plus proches voisins périphériques sont caractérisés et modélisés. La rétroaction électrothermique intra- et inter-transistor est largement étudiée. En outre, l’impact des effets thermiques sur la performance de deux circuits analogiques est évalué. L'effet d'autoéchauffement est évalué par des mesures à basse fréquence et des mesures impulsionnelles DC et AC. L'auto-échauffement est diminué de manière significative en utilisant des petites largeurs d'impulsion. Ainsi la dépendance fréquentielle de l’autoéchauffementa été étudiée en utilisant les paramètres H et Y. De nouvelles structures de test ont été fabriqués pour mesurer l'effet de couplage. Les facteurs de couplage thermique ont été extraits à partir de mesures ainsi que par simulations thermiques 3D. Les résultats montrent que le couplage des dispositifs intra est très prononcé. Un nouvel élément du modèle de résistance thermique récursive ainsi que le modèle de couplage thermique a été inclus dans un simulateur de circuit commercial. Une simulation transitoire entièrement couplée d'un oscillateur en anneau de 218 transistors a été effectuée. Ainsi, un retard de porte record de 1.65ps est démontré. À la connaissance des auteurs, c'est le résultat le plus rapide pour une technologie bipolaire. Le rendement thermique d'un amplificateur de puissance à 60GHz réalisé avec un réseau multi-transistor ou avec un transistor à plusieurs doigts est évalué. La performance électrique du transistor multidoigt est dégradée en raison de l'effet de couplage thermique important entre les doigts de l'émetteur. Un bon accord est constaté entre les mesures et les simulations des circuits en utilisant des modèles de transistors avec le réseau de couplage thermique. Enfin, les perspectives sur l'utilisation des résultats sont données. / The power generate by modern silicon germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) can produce large thermal gradients across the silicon substrate. The device opering temperature modifies model parameters and can significantly affect circuit operation. This work characterizes and models self-heating and thermal coupling in SiGe HBTs. The self-heating effect is evaluated with low frequency and pulsed measurements. A novel pulse measurement system is presented that allows isothermal DC and RF measurements with 100ns pulses. Electrothermal intra- and inter-device feedback is extensively studied and the impact on the performance of two analog circuits is evaluated. Novel test structures are designed and fabricated to measure thermal coupling between single transistors (inter-device) as well as between the emitter stripes of a multi-finger transistor (intra-device). Thermal coupling factors are extracted from measurements and from 3D thermal simulations. Thermally coupled simulations of a ring oscillator (RO) with 218 transistors and of a 60GHz power amplifier (PA) are carried out. Current mode logic (CML) ROs are designed and measured. Layout optimizations lead to record gate delay of 1.65ps. The thermal performance of a 60GHz power amplifier is compared when realized with a multi-transistor array (MTA) and with a multi-finger trasistor (MFT). Finally, perspectives of this work within a CAD based circuit design environment are discussed.