Loading...

Nonlinear Microwave Circuits Design and Modeling using Behavioral Models Based on Volterra Series and X-parameter

Zargar, Hossein | 2016

1679 Viewed
  1. Type of Document: Ph.D. Dissertation
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 48650 (05)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Electrical Engineering
  6. Advisor(s): Banai, Ali
  7. Abstract:
  8. Modern microwave and wireless communications systems are too complex today to permit the complete simulation of the nonlinear behavior at the transistor level of description. This problem presents a significant productivity bottleneck for design engineers. At the bridge between the transistor circuit and the multichip module or RF integrated circuit (RFIC) we use “behavioral models” to describe the nonlinear circuit blocks or ICs in the system. The behavioral models are simplified models of the essential nonlinear behavior of the complex sub-circuits; this simplification means that these models will execute more quickly, and use much less memory than if an entire complex subsystem was simulated at the transistor level. In the recent decade,several approaches are pursued to develop the behavioral models and improve their accuracy.To study and development of RF and microwave circuits’ modeling, we focused on two major aspects of behavioral modeling. in the first part of the thesis, we presented several effective approaches to design microwave amplifiers and oscillators using Xparameters. This modeling approach which provides multi-port, multi-harmonics properties, has a quasi-linear formulations. So X-parameters can be useful for analytical circuits design. In this thesis the proposed design approaches are validated with the simulated data in ADS EDA software.On the other hand, in the later part of the thesis, the behavioral models in time domain are in our scope which describe the memory effects and nonlinear behavior of the microwave circuits. Specially, in this study we have presented a double inputdouble output (DIDO) bilateral low-pass equivalent amplifier behavioral model that takes into account input source and output load termination mismatches. The model is intended for the system-level simulation of amplifier chains subjected to wide band modulated signals, since it can predict the device’s input and output scattered waves and their memory effects, in a wide range of voltage standing wave ratios (VSWR).The model is validated comparing the predicted and measured data of a real 15 W GaN based PA circuit attached to different loads. The obtained results show that, in terms of normalized mean square error, this model can provide dB for VSWR in comparison to a much poorer performance of the conventional single input-single output model.In addition, the model extraction methodology, and its associated laboratory test bench are discussed, noting the limitations of conventional setups for behavioral model extraction and validation. Several extraction procedures for DIDO behavioral model according to their required excitation signals are discussed. The performance of the discussed methods are compared based on the datasets extracted from simulation results in ADS
  9. Keywords:
  10. Constitutive Modeling ; Volterra Series ; Nonlinear Circuits ; Nonlinear Circuit Design ; X-Parameters

 Digital Object List

 Bookmark

  • فهرست مطالب
  • فهرست شکل‌ها
  • فهرست جداول
  • مقدمه
    • مدل‌های رفتاری به عنوان یک نگرش جدید
    • شبیه‌سازی سطح مداری و سیستمی
    • مدل‌های رفتاری در مقایسه با دیگر رهیافت‌ها
      • مدل‌های رفتاری
      • مدل‌های قطعات فعال مبتنی بر فیزیک
      • مدل‌های تجربی قطعات فعال
      • مقایسه مدلسازی‌های جعبه شفاف، جعبه سیاه و جعبه خاکستری
    • مدل‌های رفتاری قطعات RF و مایکروویو
      • مدل‌های رفتاری حوزه زمان
      • مدل‌های رفتاری حوزه فرکانس
    • اهداف این رساله
    • بخش بندی این رساله
  • معرفی پارامتر‌های X و روش‌های اندازه‌گیری آن
    • مقدمه
    • پارامترهای S و محدودیت‌های آن‌ها
      • مدل پارامترهای S
      • خاصیت زنجیره‌ای شدن در پارامترهای S
      • پارامترهای S قطعات غیرخطی
      • محدودیت‌های مدل پارامترهای S
    • پارامترهای پراکندگی سیگنال بزرگ (LSSP)
    • توسعه و بهبود روش‌های اندازه­‌گیری پارامترهای معکوس
    • توسعه پارامترهای پراکندگی داغ با استفاده از توابع توصیفی
      • معرفی نقطه‌کاری سیگنال بزرگ
      • خطی‌سازی سیستم غیرخطی حول LSOP
    • تئوری مدل PHD
      • نرمالیزاسیون فاز
      • خاصیت جمع آثار هارمونیکی
      • مفهوم جملات مدل پارامترهای X Xparam-ROOT2014
      • پارامترهای S به عنوان زیرمجموعه پارامترهای X Xparam-ROOT2014
      • پیش بینی رفتار قطعه غیرخطی در کنار دیگر المان‌های خطی
      • پارامترهای X چارچوبی برای مدلسازی ولتاژ و جریان DC
    • اندازه‌گیری پارامترهای X
      • ملزومات میز اندازه‌گیری
      • تکنیک‌های اندازه‌گیری Xparam-ROOT2014
    • مدل پارامترهای X در شبیه‌سازها
  • طراحی تقویت‌کننده‌های مایکرویو در رژیم سیگنال بزرگ با استفاده از پارامترهای X
    • مقدمه
    • بررسی تحلیلی تکنیک Load-pull مبتنی بر توان تحویلی به بار
      • مدلسازی و محاسبه بار بهینه و حداکثر توان تحویلی
      • محاسبه کانتورهای توان ثابت
      • مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی HB و روش تحلیلی
      • بررسی روش تحلیلی ارائه شده در رژیم سیگنال کوچک
    • بررسی تحلیلی تکنیک Load-pull جهت بهینه نمودن بازده عملکردی
      • مدلسازی مسئله برای محاسبه بار بهینه جهت حداکثر نمودن بازده
      • محاسبه امپدانس بهینه و کانتورهای Load-pull برای بازده عملکردی
      • مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی HB و روش تحلیلی
    • بررسی مسئله Source-pull برای یک شبکه یک دهانه‌ای با استفاده از پارامترهای X
      • بررسی مسئله و تعریف چارچوبی برای حل آن
      • محاسبه امپدانس بهینه منبع
      • مقایسه شبیه‌سازی Source-pull و نتایج تئوری
      • محاسبه کانتورهای توان ثابت برای مسئله Source-pull
    • محاسبه تحلیلی امپدانس بهینه بار و منبع برای حداکثر توان خروجی تقویت‌کننده توان
      • محاسبه امپدانس بهینه بار با فرض منبع با امپدانس مرجع
      • محاسبه امپدانس ورودی شبکه غیرخطی بارگذاری شده
      • محاسبه امپدانس بهینه منبع شبکه غیرخطی بارگذاری شده
      • محاسبه امپدانس بهینه بار با فرض امپدانس غیر مرجع در منبع
      • مقایسه نتایج شبیه‌سازی تطبیق همزمان با نتایج ADS
    • خلاصه و نتیجه‌گیری
  • تحلیل و بررسی پایداری نوسانسازهای مایکرویو با استفاده از پارامترهای X
    • مقدمه
    • شرط نوسان برای نوسانسازهای مقاومت منفی
    • تئوری پایداری نوسان Kurokawa
    • معیاری برای بررسی پایداری نوسان مبتنی بر پارامترهای X
      • استخراج شرط نوسان بر اساس پارامترهای X
      • محاسبه شرط پایداری
      • شرط پایداری نوسان درحالت بخش غیرخطی تابع فرکانس
      • مقایسه نتایج بدست آمده با نتایج کلاسیک شرط پایداری نوسان
    • نتایج شبیه سازی برای بررسی پایداری یک نوسانساز
    • خلاصه و نتیجه‌گیری
  • مروری بر رهیافت‌های مختلف مدل‌سازی رفتاری حوزه زمان
    • مقدمه
    • مقدمه‌ای بر شناسایی سیستم‌های غیرخطی
    • مدل‌های سطح سیستمی تقویت‌کننده‌های توان
      • مدل‌های بی‌حافظه
      • اثر حافظه
    • سری‌های ولترا
      • سری‌های ولترا در حوزه پوش مختلط
      • مدل وینر
      • مدل هامشتین
      • مدل وینر-هامشتین
      • مدل Memory Polynomial
      • مدل EMP
      • مدل MP توسعه یافته
    • مدل‌های رفتاری سطح مداری در حوزه زمان
    • خلاصه و نتیجه‌گیری
  • مدلسازی رفتاری دو ورودی-دو خروجی
    • مقدمه
    • مدل‌های رفتاری مورد مطالعه
      • مدل SISO
      • مدل DIDO جدید
      • مدل PHD دینامیک
    • فرآیند استخراج مدل
      • محاسبه پارامترهای مدل
    • بررسی نتایج عملی
      • مدل SISO و DIDO برای سیگنال 2(n)
      • مدلی برای سیگنال بازگشتی از دهانه ورودی
    • خلاصه و نتیجه‌گیری
  • تکنیک‌های استخراج مدل‌های رفتاری دو ورودی- دو خروجی
    • مقدمه
    • تغییرپذیری سیگنال‌های تحریکی مورد نیاز برای استخراج مدل‌های DIDO
    • الزامات میز اندازه‌گیری جهت استخراج مدل‌های DIDO
    • کالیبراسیون میز تست
      • پروسه کالیبراسیون نسبی
      • کالیبراسیون دامنه و فاز مطلق موج­‌های تابشی و بازگشتی
    • روند مدلسازی DIDO
      • روش بارگذاری پسیو (PLP)
      • روش بارگذاری اکتیو همدوس (CALP)
      • روش بارگذاری اکتیو ناهمدوس (UCALP)
      • روش بارگذاری اکتیو شبه تصادفی (SRALP)
    • بررسی نتایج شبیه‌سازی و اندازه‌گیری‌ها
    • خلاصه و نتیجه‌گیری
  • نتیجه‌گیری و پیشنهادات
    • نتیجه گیری
    • پیشنهاداتی برای آینده
  • پیوست تعبیر فیزیکی وجود جملات T در مدل PHD
  • پیوست تکنیک های ریاضی بکار رفته در محاسبات پارامتراهای X
    • محاسبه مشتق و اکسترمم مختلط از یک تابع حقیقی
    • حل دستگاه معادلات مختلط
  • پیوست محاسبه پاسخ مدل رفتاری بارگذاری شده با استفاده از روش نیوتن-رافسون
    • روش نیوتن برای محاسبه ریشه معادله غیرخطی
    • محاسبه پاسخ مدل DIDO با حضور بار غیرمنطبق خروجی
  • مراجع
  • علائم و واژگان
...see more