Experimental Characterization and Control of Stability Margins in Microwave Amplifiers

170 Pages·2016·2.15 MB·English

Experimental Characterization and Control of
Stability Margins in Microwave Ampli(cid:12)ers
Dissertation
to obtain the degree of Doctor of the University of Basque
Country (UPV/EHU) presented by
Joana Pelaz S(cid:19)anchez
Supervisors:
Juan Mari Collantes Metola
Nerea Otegi Urdanpilleta
Leioa, 16th July 2016
Electrical and Electronics Department
(c) 2016 JOANA PELAZ SANCHEZ

Acknowledgements
Quisiera mostrar mi agradecimiento a todas aquellas personas que, de
una u otra manera, han contribuido a la realizaci(cid:19)on de esta tesis:
A mis directores de tesis Juan Mari Collantes y Nerea Otegi por estar
disponibles siempre que lo he necesitado pese a la carga de trabajo que
ten(cid:19)(cid:16)an, por explicarme algunos conceptos b(cid:19)asicos pero esenciales en el
(cid:19)ambito de las microondas y, <c(cid:19)omo no!, por sus continuos (cid:19)animos. Debo
agradecer, sobre todo, a Juan Mari, por su paciencia y empat(cid:19)(cid:16)a. Si he
continuado hasta el (cid:12)nal, en parte ha sido, (no para obtener un t(cid:19)(cid:16)tulo
m(cid:19)as, que tambi(cid:19)en, si no) para no defraudarte. Me elegiste a m(cid:19)(cid:16), (entre
otros tambi(cid:19)en aptos para "el puesto"), y me alegro por ello, porque eres,
enmiopini(cid:19)on, unejemplodepersona, profesor, director, ponenteaseguir,
del cual espero haber aprendido algo m(cid:19)as que de polos y ceros que tanto
te gustan. ;-P
A todo el equipo de RF. A Aitziber Anakabe por ensen~arme a mane-
jar el programa STAN y guiarme cuando he tenido algu(cid:19)n problemilla. A
NatanaelAyll(cid:19)on,queaunqueyanopertenezcaalgrupodeRF,meensen~(cid:19)oa
manejarlosequiposdemedida,realizarpedidoson-lineenRS...Enresum-
idas cuentas, me dio consejos y advertencias para un correcto uso/mante-
nimiento del laboratorio de RF. Y por u(cid:19)ltimo, pero no por ello menos
importante, a mi compan~ero de laboratorio durante estos an~os, Rigoberto
Jauregui, por ayudarme siempre que lo he necesitado, que no han sido
pocas.
Je remercie vivement tout le d(cid:19)epartement C2S2 pour le soutien re(cid:24)cu,
sp(cid:19)ecialement, Monsieur Denis Barataud et Monsieur Guillaume Neveux
pour toute leur aide et pour accepter de participer au jury de cette th(cid:18)ese.
Je remercie(cid:19)egalement Monsieur Jean-Michel Nebus pour d’avoir^etre mon
superviseur pendant mon stage chez laboratoire XLIM.
A(cid:18) Limoges, j’ai eu le plaisir de conna^(cid:16)tre de gens formidable (Anne
Berjon,Philippe,Guillaume,Kassem,Lot(cid:12),Suzy,Ra(cid:12)k,Ibtissam,Aloyse,
Max, Yoann...). Ils ont tous fait de mon stage une exp(cid:19)erience heureuse
di(cid:14)cile d’oublier.
Jetiens(cid:19)egalement(cid:18)aremercierMichelCampovecchioetTonyGasseling
d’avoir accept(cid:19)e d’examiner ce m(cid:19)emoire.
A tod@s los del Departamento de Electricidad y Electr(cid:19)onica que me
han acompan~ado durante las comidas. En especial, a Rau(cid:19)l Nistal, por
esos descansillos que tan bien me ven(cid:19)(cid:16)an, y por estar ah(cid:19)(cid:16) en los buenos
y malos momentos. Y tambi(cid:19)en a Echanove, por darme chocolatinas para
alegrarme la cara, porque sab(cid:19)(cid:16)a que con eso lo consegu(cid:19)(cid:16)a.
A tod@s mis excompan~er@s de ingenier(cid:19)(cid:16)a electr(cid:19)onica y f(cid:19)(cid:16)sicas que se
hanmolestadoenpreguntarmeydarme(cid:19)animosparaquesiguieraadelante,
en especial, a Dami(cid:19)an, a Muskiz y a Tere.
Poru(cid:19)ltimo,amispadres,quesinceramentesinsuaportetantoecon(cid:19)omi-
cocomoan(cid:19)(cid:16)micoestonohubierasidoposible. Yporsupuesto,aAitor,por
ser tan comprensible y apoyarme en todo momento en la recta (cid:12)nal...la
redacci(cid:19)on de esta tesis.
Lo dicho, <gracias a tod@s!
A mis padres Te(cid:19)o(cid:12)lo y Belinda
y a mis herman@s O(cid:19)scar y Belinda.
\Insanity is doing the same thing over and over
again and expecting di(cid:11)erent results."
by Albert Einstein.

Abstract
Robust design of microwave ampli(cid:12)ers implies the lack of undesired
autonomous frequency components for operating conditions that can be
veryfarfromnominal. However,microwaveampli(cid:12)ersarepronetoexhibit
spurious oscillations of di(cid:11)erent nature and at di(cid:11)erent frequencies due
to the large band gain of microwave transistors and their intrinsic non-
linear behavior. To analyze the robustness of a design with respect to
spurious oscillations, local stability analyses at simulation level could be
performed. However, reliable models and (cid:12)ne circuit descriptions are not
always available which often makes simulation impractical to analyze the
robustness of an ampli(cid:12)er in terms of stability margin.
In this context, the goal of this thesis is to develop an experimen-
tal technique to characterize critical resonances departing from accurate
measurement data that are coherent with the ampli(cid:12)er normal function-
ing. The method is based on applying pole-zero identi(cid:12)cation technique
to analyze the stability of microwave circuits in small-signal and large-
signal periodic regimes. A systematic methodology for microwave circuit
stabilization has also been presented, since this can be very useful for the
experimental control of the stability margins.
The proposed experimental technique for microwave circuit stability
analysis has been applied to several prototypes in hybrid microstrip tech-
nology to demonstrate its reliability: an L-band FET ampli(cid:12)er in DC
regime, a dual mode WiFi-WIMAX ampli(cid:12)er in large-signal regime, and
a GaN power ampli(cid:12)er in both regimes.
Contents
General introduction 1
1 Estabilidad en circuitos de microondas 5
1.1 Introducci(cid:19)on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Principales m(cid:19)etodos de an(cid:19)alisis de estabilidad en circuitos
de microondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 M(cid:19)etodos de an(cid:19)alisis de estabilidad en r(cid:19)egimen DC . 9
1.2.2 M(cid:19)etodos de an(cid:19)alisis de estabilidad en r(cid:19)egimen gran
sen~al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 An(cid:19)alisis de estabilidad mediante identi(cid:12)caci(cid:19)on polo-cero . . 15
1.3.1 Obtenci(cid:19)on de la respuesta frecuencial. . . . . . . . . 16
1.3.2 Obtenci(cid:19)on de la funci(cid:19)on de transferencia . . . . . . . 23
1.4 estabilizaci(cid:19)on a partir de la identi(cid:12)caci(cid:19)on polo-cero . . . . . 25
1.4.1 Redes de estabilizaci(cid:19)on en serie o en paralelo . . . . 25
1.4.2 T(cid:19)ecnicas de control: lugar de las ra(cid:19)(cid:16)ces . . . . . . . . 28
1.5 M(cid:19)etodos experimentales de an(cid:19)alisis de estabilidad . . . . . . 32
1.5.1 Sondas coaxiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
I
Contents
1.5.2 Criterio de arranque de una oscilaci(cid:19)on a partir de
coe(cid:12)cientes de re(cid:13)exi(cid:19)on en modo mezclador . . . . . 32
1.6 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 Caraterization and pole control in DC regime 37
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2 Obtaining H(j!) from S parameters . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.1 Obtention of Z(j!) from S parameters . . . . . . . . 39
2.2.2 Obtention of Y(j!) from S parameters . . . . . . . . 43
2.3 Addinga3rdportforobservationandcontroloflow-frequency
dynamic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.1 Measurements of critical resonance . . . . . . . . . . 47
2.3.2 Control of critical poles . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4 Application example: L-band FET ampli(cid:12)er . . . . . . . . . 51
2.4.1 Measurements of critical resonance . . . . . . . . . . 53
2.4.2 Control of critical poles . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.3 Measurement of critical resonances from the RF in-
put port . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3 Caracterizaci(cid:19)on de polos en r(cid:19)egimen gran sen~al 69
3.1 Introducci(cid:19)on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2 Obtenci(cid:19)on de una respuesta frecuencial experimental . . . . 72
3.3 Requerimientos del sistema de medida . . . . . . . . . . . . 75
3.4 Ejemplo de aplicaci(cid:19)on 1: Ampli(cid:12)cador recon(cid:12)gurable para
aplicaciones WiFi/WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.1 Con(cid:12)guraci(cid:19)on de medida . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.2 Validaci(cid:19)on del sistema de medida . . . . . . . . . . . 80
II