LOW-FREQUENCY LOAD-PULL FOR TRANSISTOR CHARACTERIZATION AND MICROWAVE POWER AMPLIFIER DESIGN

La progettazione dei sistemi RF ad alta efficienza energetica è molto importante per le comunicazioni mobili. Questi sistemi utilizzano circuiti RF in forma integrata e ibrida con alti costi di produzione che impongono vincoli stringenti sulla corretta predizione delle prestazioni del prototipo finale. Il progetto di circuiti RF è realizzato mediante strumenti CAD che consentono di stimare le prestazioni finali con una accuratezza dipendente dall’accuratezza dei modelli utilizzati. In particolare, i modelli di transistor utilizzati nella progettazione di amplificatori a microonde sono spesso ottenuti da misure eseguite mediante sistemi di load-pull. Questi sistemi possono anche essere utilizzati per caratterizzare le prestazioni dell'amplificatore finale in diverse classi operative, da quelle più comuni come A, AB, B o C a quelle denominate a “manipolazione armonica”, dove le terminazioni del carico devono essere gestite in modo adeguato alla frequenza fondamentale e alle armoniche. Nei sistemi load-pull ad alta frequenza, è complesso applicare le terminazioni teoriche al piano del generatore di corrente del transistor, a causa della rete parassita del transistor e degli effetti non lineari dinamici. Al contrario, sfruttando i sistemi di load-pull a bassa frequenza, risulta piuttosto semplice imporre le terminazioni al piano del generatore di corrente del transistor; inoltre, mediante una procedura chiamata “nonlinear embedding”, è possibile ottenere le prestazioni e le relative terminazioni di carico alla frequenza di progetto dell’amplificatore. I sistemi di load-pull a bassa frequenza possono essere implementati utilizzando strumentazione convenzionale presente in ogni laboratorio a microonde, cioè generatore di funzioni arbitrarie, oscilloscopio, alimentatori a tensione continua e analizzatore vettoriale di reti. Questi strumenti sono decisamente più economici rispetto a quanto richiesto per eseguire misure di load-pull a microonde. Nei sistemi di load-pull, le terminazioni di carico e sorgente possono essere sintetizzate in modo attivo o passivo. Nella tecnica attiva, il carico viene sintetizzato applicando opportune forme d'onda all'ingresso e all'uscita del transistor, ma questa procedura è spesso complessa e richiede molto tempo. L'alternativa è la tecnica passiva che utilizza componenti passivi come tuner e multiplexer per applicare il carico alla frequenza fondamentale e alle armoniche. Nella versione ad alta frequenza, questi componenti sono solitamente implementati in tecnologia a microstriscia o coassiale, mentre, nella loro versione a bassa frequenza, possono essere adottati componenti concentrati, come induttori, resistori e condensatori. Questa tesi si concentra principalmente sulla progettazione e l'implementazione di soluzioni circuitali e componenti per realizzare un sistema di load-pull passivo a bassa frequenza. In particolare, è stata progettata una bias tee di potenza in grado di gestire fino a 500 Vdc, 3.4 Adc e una potenza RF di 300 W (a 725 MHz). Inoltre, sono stati progettati un multiplexer a bassa frequenza in grado di gestire i carichi di terminazione fino alla quarta armonica e un tuner resistivo a bassa frequenza in grado di gestire una potenza minima di 15 W. La tesi è organizzata come segue. Nel primo capitolo verranno trattati i principali sistemi di misura e le tecniche utilizzate per implementare la metodologia di progetto nota come “waveform engineering”. Il secondo capitolo descriverà la progettazione di diversi componenti necessari all’implementazione di un sistema di load-pull a bassa frequenza. Infine, nel terzo capitolo, verrà presentato il progetto di due amplificatori di potenza RF come esempi applicativi del setup di misura sviluppato e del waveform engineering.

The design of RF systems with high energy-efficiency is very important for mobile communications. These systems are based on integrated and hybrid RF circuits, with high production costs, which lead to stringent constraints on the exact prediction of the final prototype performance. The design of RF circuits is typically carried out by means of CAD tools that allow estimating the final performance with an accuracy depending on the accuracy of the available component models. In order to improve their prediction capability, transistor models used in the design of microwave amplifiers can be identified by measurements performed with load-pull systems, that are able to put the transistor under actual operating conditions. These measurement systems are also used to directly estimate the performance of the final amplifier to be designed in different operating classes, from the most common ones as A, AB, B or C to the harmonic-manipulated ones, where the load terminations must be suitably controlled also at harmonics. In high-frequency load-pull systems, it is complex to apply the theoretical terminations required by the waveform engineering theory at the transistor current-generator plane, due to the linear and nonlinear dynamic effects of the transistor that tend to hide the intrinsic device behavior. On the contrary, the required electrical regime can be easily imposed at the transistor current source by using low-frequency load-pull systems; furthermore, by means of a procedure called “nonlinear embedding”, it is possible to obtain the source/load terminations at the design frequency that guarantee the desired performance. Low-frequency load-pull systems can be implemented by using conventional instrumentation present in each microwave laboratory, i.e., arbitrary function generator, oscilloscope, dc voltage supplies and vector network analyzer. These instruments are definitely cheaper than the expensive setups required for microwave load-pull measurements. In the load-pull systems, the load terminations can be synthesized in an active or passive way. In the active technique, the load is synthesized by applying appropriate incident signals at the output port of the transistor, but this procedure is often complex and time-consuming. The alternative is the passive technique that uses passive components, such as tuners and multiplexers, to apply the load at the fundamental frequency and at the harmonics. In the high-frequency version, these components are usually implemented in microstrip or coaxial technology, while, in their low-frequency version, lumped components, i.e., inductors, resistors, and capacitors, can be adopted. This thesis is mainly focused on the design and implementation of circuit and component solutions to implement a low-frequency passive load-pull system. In particular, a power bias tee able to handle up to 500 Vdc, 3.4 Adc and RF power of 300 W (at 725 MHz) was designed. Moreover, a low-frequency multiplexer capable of handling load terminations up to the fourth harmonic and a low-frequency resistive tuner capable of handling a minimum power of 15 W, were designed. The thesis is organized as follows. In the first chapter, the main measurement systems and techniques used to implement the so-called “waveform engineering” design technique will be dealt with. The second chapter will describe the design of different components required for the efficient implementation of a passive low-frequency load-pull system. Finally, in the third chapter the designs of two RF power amplifiers will be presented as application examples of the developed measurement setup and the waveform engineering approach.