Advancing the extraction and robustness of admittance behavioural models for use in CAD design of nonlinear microwave circuits

Abstract

The design of nonlinear active analogue circuits for present and future wireless communications systems (WiFi, WiMAX, 5G mobile networks…), is a complex process, since transceiver modules are required to meet strict specs in terms of power, noise, bandwidth, linearity, efficiency and energy consumption, along with reduced weight and size, and the ability to operate with complex signals or multi-band/mode environments. As an example, power amplifier (PA) design using complex configurations, like continuous mode class B/J or Doherty, is nowadays providing very good performance in terms of energy efficiency. But bandwidth improvements in these circuit architectures is not a trivial task. In fact, achieving adequate PA behaviour in wideband usually degrades its performance in comparison with narrowband PAs. Still, continuous class J and wideband Doherty configurations are providing good results. Nevertheless, the design of this type of amplifiers for C- and higher bands is still a challenge. The present nonlinear circuits improved performance is not only the consequence of improvements in the transistor technology and circuit architectures, but also due to new nonlinear vector characterization techniques for active devices. The recent development of nonlinear device behavioural models, which show high accuracy in large signal and excellent computational efficiency in complex circuits, is another important contribution. Among these behavioural models, the X-parameters and the Cardiff model have been successfully used in the design of nonlinear circuits, like PAs, oscillators or mixers. These travelling wave (A-B) formulated behavioural models will be the starting point of this work. This thesis work will focus on the emerging admittance-based (V-I) behavioural formulation. It has been proposed that this modified frequency domain formulation is more appropriate for use in designing state-of-the-art nonlinear circuits where large bandwidth or dual-band requirements are the key drivers. This work will be performed at the University of Vigo (UVigo), initially in the framework of the project titled: “New nonlinear transistor behavioural models and design technologies for dual-band PAs for light weight multicopter drones” (cod. TEC2014-60283C3-3-R), a project in which are involved UVigo, UC y UPGC. The main objective of this thesis work is to advance the understanding of nonlinear behavioural admittance models (defined in the frequency domain) from the perspective of providing an accurate and robust tools for CAD-based design of nonlinear circuits in the microwave band. Aspects, such as, model optimum complexity and fundamental frequency scaling potential will be investigated. Approaches to improve the extraction of these models from load-pull data, and the development of the corresponding nonlinear characterization tools are also undertaken. As part of this work, a large-signal measurement system will be set-up, based on the NVNA PNA-X analyser from Keysight Technologies (available at the AtlantTIC research Center), to perform microwave high power vector calibrated measurements with variable load termination (passive load-pull), up to 25W peak RF power and up to 18GHz. Finally, the transistor characterization methodology and required control of the measurement system software for models extraction and validation will be developed, as well as the routines for model extraction.

O deseño de circuítos analóxicos activos non lineais para os sistemas de comunicacións sen fíos presentes e futuros (redes móbiles WiFi, WiMAX, 5G ...) é un proceso complexo, xa que os módulos transceptor deben cumprir unhas especificacións rigorosas en termos de potencia, ruído, anchura de banda, linearidade, eficiencia enerxética e consumo de enerxía, ademais dun peso e tamaño reducidos e a capacidade de operar con sinais complexos ou ambientes multibanda / modo. Como exemplo, o deseño de amplificadores de potencia (PA) a partir de configuracións complexas, como a clase B / J continua ou a configuración Doherty, ofrece actualmente un bo rendemento en termos de eficiencia enerxética. Pero a mellora do ancho de banda destas configuracións non é unha tarefa sinxela. De feito, conseguir un comportamento adecuado do PA ao longo de todo o ancho de banda degrada o seu rendemento en comparación cos PAs de banda estreita. A pesar diso, as configuracións de clase J en modo continuo e banda ancha Doherty ofrecen bos resultados. Non obstante, o deseño destes amplificadores para bandas C e superiores segue sendo un reto. As melloras no rendemento dos circuítos non lineais actuais non son só consecuencia das melloras tecnolóxicas dos transistores e arquitecturas de circuítos, senón tamén polas novas técnicas de caracterización vectorial non lineal de dispositivos activos. Outro importante aporte é o recente desenvolvemento de modelos de comportamento non lineal para estes dispositivos, que mostran alta precisión en gran sinal e unha excelente eficiencia computacional en circuítos complexos. Entre estes modelos de comportamento, os parámetros X e o modelo de Cardiff utilizáronse con éxito no deseño de circuítos non lineais, como PAs, osciladores ou mesturadores. Estes modelos de comportamento formulados por ondas (A-B) serán o punto de partida deste traballo. Este traballo de tese centrarase na formulación comportamental emerxente baseada no dominio de admitancias (V-I). Propúxose que esta formulación modificada no dominio da frecuencia é máis adecuada para o deseño de circuítos non lineais de próxima xeración nos que os requisitos para un gran ancho de banda ou banda dual son os principais motores. Este traballo levarase a cabo na Universidade de Vigo (UVigo), inicialmente no marco do proxecto titulado: " Nuevos modelos no lineales comportamentales de transistores y tecnologías de diseño para amplificadores de potencia de banda dual para drones multicóptero ligeros " (cod. TEC2014- 60283C3-3-R), un proxecto que implica a UVigo, UC e UPGC. O obxectivo principal da tese doutoral é avanzar na comprensión dos modelos comportamentais non lineais de admitancias (definidos no dominio da frecuencia) para que poidan ser unha ferramenta precisa e robusta para o deseño baseado en CAD de circuítos non lineais na banda de microondas. Investigaranse aspectos como a complexidade óptima do modelo e a posibilidade de escalar coa frecuencia fundamental. Tamén se fan melloras na extracción destes modelos a partir de datos de extracción de carga e desenvolvemento das ferramentas de caracterización non lineais correspondentes. Como parte deste traballo, configurarase un gran sistema de medición de sinais, baseado no analizador de redes non lineares de PNA-X Keysight Technologies (dispoñible no Centro de Investigación AtlantTIC), para realizar medicións vectoriais de sinais calibrados con impedancia de carga variable (carga pasiva), ata 25 W de potencia de pico de RF e ata 18GHz. Finalmente, desenvolveranse a metodoloxía de caracterización de transistor e o software de control do sistema de medidas para a extracción e validación de modelos non lineais, así como as rutinas de software para a extracción dos modelos.

El diseño de circuitos analógicos activos no lineales para sistemas de comunicaciones inalámbricos presentes y futuros (WiFi, WiMAX, redes móviles 5G...) es un proceso complejo, ya que los módulos transceptores deben cumplir especificaciones estrictas en términos de potencia, ruido, ancho de banda, linealidad, eficiencia energética y consumo de energía, además de un peso y tamaño reducidos, y la capacidad de operar con señales complejas o entornos multibanda / modo. Como ejemplo, el diseño de amplificadores de potencia (PA) a partir de configuraciones complejas, como la clase B/J continuo o la configuración Doherty, ofrece en la actualidad un rendimiento muy bueno en términos de eficiencia energética. Pero las mejoras de ancho de banda de estas configuraciones no es una tarea fácil. De hecho, alcanzar un comportamiento adecuado del PA en todo el ancho de banda generalmente degrada su rendimiento en comparación con los PAs de banda estrecha. A pesar de eso, las configuraciones de clase J en modo continuo y Doherty de banda ancha ofrecen buenos resultados. Sin embargo, el diseño de este tipo de amplificadores para bandas C y superiores sigue siendo un desafío. Las mejoras en las prestaciones de los circuitos no lineales actuales no solo es consecuencia de las mejoras tecnológicas de los transistores y de las arquitecturas de circuitos, sino también por las nuevas técnicas de caracterización vectorial no lineal de dispositivos activos. El desarrollo reciente de modelos no lineales comportamentales para estos dispositivos, que muestran una alta precisión en gran señal y una excelente eficiencia computacional en circuitos complejos, es otra contribución importante. Entre estos modelos de comportamiento, los parámetros X y el modelo de Cardiff se han utilizado con éxito en el diseño de circuitos no lineales, como PAs, osciladores o mezcladores. Estos modelos de comportamiento formulados por ondas (A-B) serán el punto de partida de este trabajo. Este trabajo de tesis se centrará en la formulación comportamental emergente basada en admitancias (V-I). Se ha propuesto que esta formulación modificada en el dominio de la frecuencia es más adecuada para el diseño de circuitos no lineales de última generación donde los requisitos de gran ancho de banda o de banda dual son los impulsores clave. Este trabajo se realizará en la Universidad de Vigo (UVigo), inicialmente en el marco del proyecto titulado: “Nuevos modelos no lineales comportamentales de transistores y tecnologías de diseño para amplificadores de potencia de banda dual para drones multicóptero ligeros” (cod. TEC2014-60283C3- 3-R), un proyecto en el que participan UVigo, UC y UPGC. El objetivo principal de la tesis doctoral es avanzar en la comprensión de los modelos no lineales comportamentales de admitancias (definidos en el dominio de la frecuencia) de forma que puedan ser una herramienta precisa y robusta para el diseño basado en CAD de circuitos no lineales en la banda de microondas. Se investigarán aspectos como la complejidad óptima del modelo y el potencial de escalado con la frecuencia fundamental. También se realizan mejoras en la extracción de estos modelos a partir de datos load-pull, y el desarrollo de las correspondientes herramientas de caracterización no lineales. Como parte de este trabajo, se configurará un sistema de medidas de gran señal, basado en el analizador no lineal de redes PNA-X de Keysight Technologies (disponible en el Centro de Investigación AtlantTIC), para realizar medidas vectoriales calibradas de gran señal con impedancia de carga variable (carga pasiva), hasta 25W de potencia de RF pico y hasta 18GHz. Finalmente, se desarrollará la metodología de caracterización de transistores y el software de control del sistema de medidas para la extracción y validación de los modelos no lineales, así como las rutinas software para la extracción de los modelos.