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Les circuits différentiels présentent de nombreux avantages par rapport aux circuits 2-ports classiques en termes d’immunité contre les bruits de mode commun, de tensions de sortie doublées et de réduction de distorsion d’ordre pair. Leur usage répandu crée une demande pour le développement de nouvelles techniques de mesures du facteur de bruit différentiel. Le chapitre 1 démontre que le facteur de bruit est fonction de la corrélation des ondes de bruit en sortie du circuit différentiel. Il n’existe toutefois aucun appareil capable de mesurer directement cette corrélation. Le chapitre 2 présente une technique originale pour mesurer cette corrélation. Elle utilise un coupleur hybride connecté aux ports de sortie du circuit différentiel selon 2 configurations de connexion. Cette approche permet de mesurer rigoureusement le facteur de bruit de tous types d’amplificateurs différentiels. Le chapitre 3 propose une technique pour mesurer la corrélation sans utiliser de coupleurs. Une étude de la structure différentielle permet de trouver une expression de la corrélation en fonction des puissances de bruit en sortie et des paramètres S. Une technique rapide et fonctionnelle est ainsi développée sur un analyseur de réseau 4-port pour mesurer le facteur de bruit d’un amplificateur différentiel. Cette approche sans coupleur est étendue à la mesure des paramètres de bruit d’un amplificateur différentiel. L’extraction des 4 paramètres de bruit se fait grâce à la méthode des impédances multiples en utilisant un synthétiseur différentiel d’impédance. Ce travail présente pour la première fois une technique sans coupleur pour la mesure des paramètres de bruit différentiels. / Differential circuits have major advantages over single-ended circuits regarding immunity to common-mode noise, double voltage swing and reduction of even-order distortion. Their wide proliferation creates a need for the development of functional techniques for differential noise figure measurement. Chapter 1 shows that the noise figure of a 4-port circuit depends on the correlation of the noise waves at the output ports. However, no standard equipment is capable of measuring directly this correlation. Chapter 2 proposes an original technique for measuring the correlation of output noise waves. It makes use of a hybrid coupler connected to the differential DUT. The correlation is determined by using two configurations of connection between the DUT and the coupler. A rigorous and general technique for the noise figure measurement of differential amplifiers is developed from this approach. Chapter 3 proposes an original approach where no extra coupler is required. A study of the structure of a differential amplifier is performed where an expression of the correlation is calculated in terms of output noise powers and of the 4-port S-parameters. A fast and functional measurement technique using this method is developed on a 4-port network analyzer. This coupler-free approach is extended to the measurement of the noise parameters of differential amplifiers. The noise parameters are determined from differential source-pull measurements using a differential impedance tuner. This is, to the best of our knowledge, the first coupler-free technique developed for measuring differential noise parameters.

Th. 3e cycle--Math. appl., inform.--Nancy 1, 1978. N°: 27.

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De nos jours, les systèmes de télécommunications deviennent de plus en plus complexes et sophistiqués. Les perfonnances électriques des transistors hyperfréquences qui les constituent, doivent être améliorées en terme de fréquence, de puissance, de rendement et de linéarité. Dans le cas des transistors de puissance la caractérisation non linéaire est une étape indispensable afin de mieux comprendre et appréhender les effets limitatifs et d'optimiser leur conception. Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse a été de mettre en œuvre un analyseur de réseaux non linéaire, de valider les mesures provenant de cet équipement et de développer des outils de mesures et d'analyse dans le domaine temporel afin de mieux appréhender les effets limitatifs des transistors à effet de champ aux fréquences micro-ondes. Dans un premier temps, nous avons montré l'importance de la caractérisation non linéaire hyperfréquence lors de la conception de circuits actifs. Nous avons effectué ensuite une étude bibliographique des principaux systèmes de caractérisation non linéaires existants et qui ont été précurseurs dans ce domaine. Dans le deuxième chapitre, nous avons décrit le principe de fonctionnement de l'analyseur de réseaux vectoriel non linéaire et sa mise en œuvre. Ensuite, afin d'évaluer les perfonnances de cet équipement, nous avons comparé les mesures provenant de ce dernier à celles effectuées par d'autres laboratoires de recherche sur un même composant de référence. Le troisième chapitre décrit le fonctionnement de l'analyseur de réseaux non linéaire à charge active développé au laboratoire. Une étude de l'incertitude de mesure en fonction de la charge sera présentée. Enfin, afin de valider expérimentalement notre banc, nous avons confronté les mesures effectuées avec ce dernier à des résultats de simulations électriques sur un composant de référence. La suite de ce travail a été consacrée à l'étude expérimentale dans le domaine temporel aux fréquences micro-ondes des effets limitatifs de l'ionisation par impact dans les transistors à effet de champ à hétérojonction de la filière GaAs. Nous avons présenté la technique et les résultats expérimentaux des mesures en régime grand signal effectuées avec le LSNA. Un modèle électrique non linéaire permettant de rendre compte des effets de l'ionisation a été décrit et discuté. La dernière partie est consacrée à une étude expérimentale de passivation et de prétraitement de surface effectuée sur des transistors HEMT à hétérostructure Al0.81In0.19/GaN. Nous avons montré l'avantage d'utiliser l'analyseur de réseaux non linéaire à charge active pour regarder l'influence de la passivation et du prétraitement de surface sur les perfonnances en puissance. Ensuite, nous avons discuté sur la localisation des pièges et de leur dynamique. / The goal of this PhD work has been to implement a non linear network analyzer (LSNA), to validate measurements, to develop measurements and analysis tools in time domain in order to understand limiting effects on field effect transistors at microwave frequencies. First, we show the importance of the non linear characterization for the design of active circuits. Second, we de scribe the Large Signal Network Analyzer setup and its implementation. After that, in order to evaluate the performance of this equipment, we have compared measurements provided by equipment and by those coming from other laboratories on the same reference device. ln the next part, we describe the setup of an active load pull large signal network analyzer developed in our laboratory. Then, in order to validate our setup, we compare non linear measurements obtained under in load pull conditions with data coming from simulation performed on a reference device. The following of this work is devoted to an experimental study in time domain, using LSNA, on the lirniting effects of impact ionization inside GaAs HEMT devices. We present sorne experimental results and mainly measurements under large signal conditions in time domain. A non linear electrical model allows us to account for the impact ionization effects on the time domain waveforms. The next part is devoted to a specific study of passivation and surface pretreatrnent carried out on A 10. 81InO.19N/GaN HEMT device. We show the advantages to use the active load pull large signal network analyzer for studying the influence of passivation and surface pretreatrnent on the power performance. To fmish, we discuss on the traps localization and dynamic

L’amplificateur haute puissance d’un radar, qui est l’un des éléments définissant les performances du système, est un sujet constant de rechecherche afin d’améliorer sa puissance et son rendement. Des améliorations des performances peuvent être apportées par la combinaison d’une technologie relativement nouvelle, le HEMT GaN et de classes de fonctionnement d’amplificateur à haut rendement telles les classes de commutation. Ces dernières faisant usage des harmoniques du signal complexe émis par l’amplificateur en compression, une caracterisation non linéaire est requise. Ce type de caractérisation existe déjà en mode CW et pulsé périodique. Cependant, le mode pulsé périodique n’apporte qu’une approximation du train d’impulsions radar réel excitant l’amplificateur, négligeant les effets causés par le train de pulse. Cela concerne particulièrement la technologie HEMT GaN qui est susceptible à des effets thermique et de mémoire. Ce travail propose une nouvelle technique de mesure reposant sur un prototype de NVNA basé sur des mélangeurs capable de mesurer trois fréquences simultanément, permettant la caractérisation non linéaire d’un amplificateur en condition radar réelle en terme de train d’impulsions. Cet instrument a été validé par des mesures CW et pulsée périodique en utilisant un appareil type LSNA et un VNA disponible sur le marché. La technique mesure, optimisée dans ce travail jusqu’à 12GHz, permet de visualiser des effets causés par le train d’impulsions sur l’amplificateur de puissance tout en mesurant les trois premiers tons du signal complexe au meilleur rapport signal à bruit disponible grâce à l’architecture de l’instrument. / Radar high power amplifier, that is one of the performance defining elements of a radar system, is under constant investigation to improve its power and efficiency. Improvement can be provided through the combination of relatively new transistor technology such as HEMT GaN and the use of high efficiency functioning class such as commutation classes. Commutation classes making use of harmonic tones of the complex signal of the amplifier at compression, non- linear characterization is required. Such characterization already available for CW and periodic pulse signal. However periodic pulse only provide an approximation of the actual radar pulse train the amplifier will be submitted to, overlooking effects cause by the pulse train. This affect especially on HEMT GaN which is prone to thermal and memory effects. This work propose a new measurement technique relying on a developed mixer based NVNA prototype able to measure three frequencies simultaneously, allowing the non linear characterization of a power amplifier in actual non periodic radar pulse train. The instrument was validated in CW and periodic pulse condition using commercially available NVNA and a LSNA. The measurement technique, optimized in this work to be performed up to 12GHz, allowed to see effects caused by the radar pulse train on a power amplifier performance while recording all three tones at best signal to noise ratio available thanks to the instrument architecture.

La technologie Nitrure de Gallium s’impose actuellement comme le candidat idéal pour les applications de forte Puissance en gamme d’ondes millimétriques. Les caractéristiques de ce matériau le prédisposent à un fonctionnement à haute tension sans sacrifier la montée en fréquence, illustrées par son champ de claquage et sa vitesse de saturation des électrons élevés. Ces travaux de recherche s’inscrivent, dans un premier temps, dans le développement d’un banc de mesures permettant la caractérisation « grand signal », dite LoadPull dans la bande Ka et Q, en mode continu et impulsionnel de cette technologie émergente. En effet, la forte densité de puissance qu’est capable de générer la technologie GaN a rendu le développement de ce banc indispensable et relativement unique. Par ailleurs, cette étude s’est focalisée, dans la caractérisation de plusieurs filières innovantes qui ont mis en évidence des performances à l’état de l’art, avec un rendement en puissance ajoutée PAE de 46.3% associée à une densité de puissance de 4.5W/mm obtenue pour une fréquence d’opération de 40 GHz en mode continu. Enfin, ces travaux de thèse ont permis de générer la conception et la réalisation de deux amplificateurs de puissance en technologie GaN sur substrat silicium (basée sur la filière industrielle OMMIC) en bande Ka, représentant la finalité d’une démarche cohérente de l’étude de transistors en technologie GaN à la réalisation de circuits de type MMIC. Ces deux amplificateurs ont été conçus pour des objectifs biens précis : combiner puissance élevée et rendement PAE élevé et repousser les limites en termes de largeur de bande. / Gallium Nitride (GaN) technology is now the ideal candidate for high power applications in the millimeter wave range. The characteristics of this material enable high voltage operation at high frequency, as illustrated by its breakdown field and high electron saturation velocity. This research work has initially allowed the development of a test bench capable of "Large Signal" characterization, called LoadPull up to Q band, in continuous-wave and pulsed mode of this emerging technology. Indeed, the high power density generated by the GaN technology has made the development of this bench unavoidable and relatively unique. In addition, this study has focused on the characterization of several innovative types of devices that have demonstrated state-of-the-art performance, with a power added efficiency (PAE) above 46% associated to a power density of 4.5 W/mm obtained for an operating frequency of 40 GHz in continuous-wave. Finally, this work aimed the design and fabrication of two power amplifiers on silicon substrate (based on the industrial OMMIC technology) in the Ka-band, showing the possibility of achieving MMIC type circuits from advanced GaN transistors technology. These two amplifiers were designed for specific purposes: combining high power and high PAE performance and pushing bandwidth limits.

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