[pt] Nesta dissertação foram projetados e desenvolvidos osciladores apresentando ruído de fase otimizado. Em virtude das limitações dos equipamentos analisadores de espectro na precisa medição do ruído de fase dos osciladores desenvolvidos nos laboratórios do CETUC, foi implementada a técnica de medição Método do Detector de Fase. Esta técnica consiste no desenvolvimento de um segundo oscilador com as mesmas características do existente, e com auxílio de misturadores, realizar o batimento dos mesmos para freqüências próximas a DC, onde nesta região a medição do ruído de fase torna-se viável. Entretanto, em aplicações dedicadas, verificou-se que o batimento entre dois osciladores operando em torno de 10 GHz produz uma freqüência intermediária instável, variando de 10 kHz à 50 kHz. Para evitar a realização de uma medição extremamente instável, utilizou-se o método de sincronização de freqüências (Injection Locking) entre os osciladores. Foi também destacada a influência do ruído de cintilação (Flicker Noise) na medida final do ruído de fase. A melhor medida aferida foi em torno de -100 dBc/Hz @ 3,25 kHz. Foi verificado através de diversas simulações que a freqüência de cintilação int c f , situada em 10 MHz, apresenta grande influência sobre as medições do ruído de fase realizadas à 3,25 kHz da portadora, degradando-o em cerca de 30dB. / [en] In this dissertation, oscillators presenting optimized phase noise had been projected and develloped. Because of the limitation of the specter analyzer devices in the accurate measurements of the oscillators phase noise developed in the CETUC laboratories, it was implemented the measurement technique called Phase Detector Method. This technique consists on the development of a second oscillator with the same characteristics of the already existent one and, with aid of mixers, multiplies these signals together and provides the difference of the two signals next to DC, where, in this region, the measurement of the phase noise becomes viable. However, in dedicated applications, it was verified that the beating between two oscillators operating around 10GHz produces instable intermediate frequency, varying between 10kHz to 50kHz. To prevent the accomplishment of an extremely unstable measurement, the method of synchronization of frequency (Injection Locking) between the oscillators was used. Also the influence of the Flicker Noise in the final measure of the phase noise was detached. The best measure was around -100dBc/Hz@3,25kHz. It was verified through lots of simulations that the flicker corner frequency int c f , situated in 10MHz, presents great influence on the measures of the phase noise carried through to the 3,25kHz of the carrier, degrading it in about 30dB.

El objetivo de este trabajo es el desarrollo de técnicas para la simulación y optimización del diseño de circuitos osciladores y lazos de enganche en fase de microondas. La intención de estas técnicas es que puedan ser utilizadas por el diseñador para optimizar las prestaciones de este tipo de circuitos durante la etapa de diseño. Por este motivo, se ha intentado que en todo momento las técnicas puedan ser utilizadas en combinación con un programa comercial de simulación de circuitos de microondas.En el caso de los circuitos osciladores, inicialmente se han optimizado sus prestaciones cuando se utilizan como osciladores controlados por tensión. De esta forma, se han desarrollado una serie de técnicas que, en combinación con simulaciones en un programa comercial, permiten la linealización y extensión de la característica tensión-frecuencia. Mediante una técnica de control de estabilidad, se ha optimizado la respuesta dinámica del oscilador ante entradas variantes en el tiempo. En concreto, se ha aumentado la rapidez de respuesta eliminando transitorios lentos oscilantes que distorsionan la señal de salida deseada. Esta técnica se ha aplicado al caso particular de osciladores controlados por tensión utilizados para generar señales chirp, como puede ser en radares Frequency Modulated Continuos Wave (FMCW). Se ha analizado también el fenómeno del "injection-pulling", en el que una señal interferente desplaza la frecuencia de oscilación. Para ello, se ha desarrollado una formulación tipo transitorio de envolvente cuyos coeficientes pueden ser identificados mediante simulaciones de balance armónico en un simulador comercial. La técnica permite incrementar la robustez del circuito oscilador ante estas señales interferentes. Dados los problemas observados en el simulador comercial para simular la característica de ruido de fase en osciladores con estructuras acopladas, se ha desarrollado una técnica de simulación de ruido de fase que solventa estos problemas. La técnica obtiene la característica de ruido de fase a través de simulaciones de transitorio de envolvente en combinación con el uso de generadores auxiliares. Estas simulaciones pueden realizarse sin problemas usando un simulador comercial. Los resultados de todas las técnicas han sido corroborados mediante medidas en varios tipos de osciladores de microondas. Finalmente, se ha realizado un estudio preliminar para combinar el uso de series de Volterra con la técnica de transitorio de envolvente para la simulación de la respuesta transitoria de los osciladores.En el caso de los lazos de enganche en fase, se ha desarrollado un programa propio que realiza un análisis no lineal de lazos acoplados o "Coupled Phase-Locked Loops" (CPLL). Estos sistemas son utilizados en aplicaciones tales como en control de apuntamiento de antenas "phased-array". El programa, basado en una formulación tempo-frecuencial del sistema, permite la obtención de los rangos de operación del CPLL mediante una caracterización no lineal de los elementos que componen el lazo. Se delimitan los rangos de histéresis, y se analiza la variación de estos rangos en función de los parámetros del sistema. Se analiza la estabilidad de las soluciones estacionarias, teniendo en cuenta parámetros tales como el retardo del lazo. Mediante el control de la estabilidad y un análisis de tipo transitorio de envolvente, se optimiza la rapidez del sistema en el seguimiento de entradas moduladas. Finalmente, se analiza el ruido de fase, separando la perturbación en fase en distintas componentes. Esta separación permite clarificar el efecto del ruido en el control de apuntamiento de un array de antenas. Las predicciones de las técnicas han sido validadas mediante medidas en un sistema CPLL a 2 GHz. / The objective of this work is the development of techniques for the simulation and optimization of the design of microwave oscillator circuits and phase-locked loops. The intention of these techniques is that they can be used by the designer to optimize the features of these kinds of circuits during the design stage. For this reason, a lot of effort has been put along this thesis to ensure that the techniques can be used in combination with commercial microwave circuit simulators.In the case of the oscillator circuits, initially, their features have been optimized when used as voltage controlled oscillators (VCO). In this way, different techniques are proposed for the computer aided design of these circuits. The first technique allows setting the operation frequency band for specific values of the tuning voltage. The second technique imposes a linear frequency-voltage characteristic with the aid of an auxiliary generator. To follow this characteristic, the circuit is solved in terms of an ideal capacitance, synthesized, at a later stage, with the tuning varactor embedded in a linear network. In the third technique, the oscillator response to a sawtooth input, used to generate a chirp signal, is improved, eliminating spurious frequencies, not observable in steady state. To illustrate the techniques, a VCO operating in the C-band has been optimized and used to generate a chirp signal with low nonlinear frequency distortion. The injection-pulling phenomenon in oscillator circuits has been also analyzed. Injection pulling by interference signals is an undesired phenomenon in front-end oscillators, which causes a shift of the oscillation frequency and degrades the output spectrum. A semi-analytical formulation for the insightful analysis of injection-pulling phenomena in the presence of a modulated carrier or chirp signal is presented. The formulation enables an efficient analysis of interference problems difficult to simulate with harmonic balance or standard envelope transient. It allows the modification of the original design in order to reduce the injection pulling to the desired levels. The techniques have been applied to an oscillator at 6 GHz. Considering the problems found in commercial software to simulate the phase noise characteristic of coupled oscillator topologies, a numerical technique for the determination of the phase-noise spectrum of free-running oscillators is presented. The technique is based on envelope transient and can be applied to any commercial simulator on which this analysis method is available. The main advantage of the technique is that it allows simulating the near carrier phase noise spectrum, including possible resonances. The elements providing the oscillator phase-noise spectrum are obtained from envelope-transient simulations of low-computational cost. Comparisons are performed between the presented technique and other existing techniques, such as the carrier modulation approach. The technique has been successfully tested on the simulation of the near carrier phase noise spectrum of an oscillator circuit at 6.3 GHz. Finally, a preliminary study has been carried out to combine the use of Volterra series with the envelope transient technique for the simulation of oscillator transients.Regarding the phase-locked loops, in this thesis, harmonic-balance (HB) and envelope-transient formulations of coupled phase-locked loops (CPLLs) are presented. The CPLL has the added difficulty of its autonomous behavior since no reference oscillator is present. The new formulation takes into account the autonomy of the system, introducing a special set of state variables, which depend on the autonomous frequencies. The hysteresis phenomenon in CPLLs is analyzed in detail, efficiently obtaining the pull-in and hold-in ranges through HB. The pole analysis of the perturbed HB system enables an accurate prediction of instabilities and resonances. Due to the CPLL autonomy, there exists an inherent noise accumulation effect. This effect is taken into account, analyzing the perturbation in terms of accumulation and deviation components. The envelope formulation allows simulating the CPLL behavior in presence of modulation signals. The influence of the stability of the steady-state solution on the modulated signals is investigated. The simulation results have been successfully compared with the measurements in a manufactured CPLL system at 2 GHz.

[pt] As características do canal rádio móvel são essenciais ao desenvolvimento de equipamentos e sistemas modernos de telecomunicações sem fio. Para os ambientes nos quais o sistemas operarão, o conhecimento dos principais parâmetros do canal em banda larga é obtido através do uso do conjunto formado por um equipamento transmissor e outro equipamento receptor com suas respectivas antenas. A este conjunto transmissor e receptor atribui-se o nome de sonda. Existem diversas tecnologias sobre as quais as sondas são projetadas e construídas. Em particular mencionam-se as técnicas STDCC (swept time-delay cross-correlation), o Filtro Casado e o OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing). Esta tese compara, por simulação, o desempenho de sondas que utilizam estas três técnicas. São propostas alterações nos métodos Filtro Casado e OFDM, de forma que estes proporcionem resultados mais precisos. Além disto, são estudadas imperfeições em dispositivos comuns a todas elas e comparadas sua influência sobre a qualidade das estimações, de forma isolada e combinada. Para o amplificador de potência é considerado o seu principal fator de degradação: suas não linearidades. Para o oscilador local existente no receptor é analisada a contribuição do ruído de fase. O ruído térmico, sempre presente à entrada do receptor em qualquer situação, é variado em uma extensa faixa de valores e o seu efeito sobre a precisão de cada método é analisado. Os resultados obtidos são apresentados na forma de tabelas e gráficos representando, diretamente, o resultado da comparação com o canal de referência ou por meio dos indicadores erro RMS e desvio padrão. / [en] The mobile radio channel characterization is essential to the development of modern wireless telecommunication equipment and systems. The main wideband channel parameters of the environments where these systems will operate are collected by the use of a set comprising a transmitter, a receiver and an aerial system. This set is named sounder. There are many techniques used to project and implement these sounders, such as STDCC (Swept Time-Delay Cross-Correlation), Matched Filter and OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). This thesis compares, by means of computer simulations, the performance of these three techniques. Some changes are proposed on the Matched Filter and OFDM methods to reach more precise results. Moreover, imperfections in common devices used by all sounders are studied, both independently and jointly, and the impact over the precision of channel estimations is analyzed. The main degradation factor of power amplifiers, which are the nonlinearities, was also considered, as well as the contribution of the phase noise in the receiver local oscillator. The effect of the thermal noise, always present on the receiver input, was also considered, over a large range of values. The results are presented by diagrams and tables showing results of comparisons with a reference channel or by mean of RMS errors and standard deviations.