New non-linear microwave network parameters with application to gallium nitride high electron mobility transistor modeling with x-parameters

Essaadali, Riadh (2016). New non-linear microwave network parameters with application to gallium nitride high electron mobility transistor modeling with x-parameters. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

High power amplifiers have been receiving increasing attention as key components responsible for a sizable portion of base station cost in wireless communication systems. Higher performance and lower cost can be achieved on a device technology and a circuit design. On the device technology, Gallium Nitride (GaN) technology brings unparalleled performance in efficiency and linearity thanks to its higher energy bandgap, higher breakdown electric field, higher electron velocity and higher operating temperature.

Large- and small- signal modeling of GaN HEMTs, which is the aim of our work, is an important step for high power amplifier designer. In general, most of the published models are accurate only in linear mode since they rely on DC and multi-bias S-parameters measurements for model parameters extraction. The availability of X-parameters measurements and their benefits compared to S-parameters presents an opportunity for incorporating non-linear data directly in the modeling process. The main objective of this research is how to exploit X-parameters to more accurately and quickly build a nonlinear device model that captures the device behavior at the fundamental and harmonic frequencies.

Nonlinear network Z-, Y-, ABCD-, T-, G- and H-parameters are essential to extract and validate large-signal model based on X-parameters. The expression of nonlinear impedances, admittances, ABCD-, T-, G- and H- are derived from X-parameters. Moreover, standard conversion rules between these nonlinear network parameters are established. The nonlinear network parameters can describe any topology of pure linear or nonlinear or a mix of linear and nonlinear components.

In this work, a new equivalent circuit modeling technique based on X-parameters measurements was proposed. The new model is subdivided into extrinsic and intrinsic parts. Extrinsic elements are extracted with a technique based on de-embedding open structure fabricated on the same wafer of the device under test and forward measurements. Xparameters of the intrinsic part are determined thanks to X-parameters de-embedding technique. The intrinsic part is modeled as a modified Pi-Network of nonlinear characteristic impedances modeling the drain-to-source, gate-to-source, drain-to-gate and gate-to-drain junctions.

Titre traduit

Nouveaux paramètres de réseau nonlinéaires et application à la modélisation des transistors GaN HEMTS avec paramètres X

Résumé traduit

L’amplificateur de puissance radio fréquence est un composant important dans les transmetteurs de communication sans fils. De bonnes performances à faible coût peuvent être accomplies au niveau de la technologie du transistor et de la conception du circuit. Au niveau transistor, la technologie GaN a un grand potentiel pour l’efficacité et la linéarité grâce à sa largeur de bande interdite plus élevée, son grand champ électrique de claquage, à la vélocité des électrons et à sa capacité de fonctionnement sous températures élevées.

La modélisation petit et grand signal des transistors de type GaN HEMT est une étape importante et primordiale à la conception des amplificateurs de puissance RF. En général, les modèles publiés sont précis uniquement en mode linéaire car ils sont extraits des mesures DC et des paramètres S multi-polarisés. La disponibilité des mesures des paramètres X et leurs avantages par rapport aux paramètres S présente une opportunité pour incorporer les données non-linéaires directement dans le processus de modélisation. L’objectif principal de ce travail est d’exploiter les paramètres X pour un développement rapide d’un modèle précis qui capture le comportement du composant à la fondamentale et aux harmoniques.

Les paramètres du réseau non-linéaires Z, Y, ABCD, T, G et H sont essentiels pour extraire et valider un modèle grand-signal basé sur les paramètres X. L’expression des paramètres du réseau non-linéaire sont dérivés des paramètres X. De plus, les règles de conversion standard entre ces paramètres sont établies. Les paramètres de réseau non linéaires peuvent décrire n’importe quelle topologie linéaire pure ou non linéaire pure ou un mélange de composants linéaires et non linéaires.

Dans ce travail, une nouvelle technique de modélisation basée sur les mesures des paramètres X est proposée. Le nouveau modèle à circuit équivalent est subdivisé en deux parties extrinsèques et intrinsèques. Les éléments extrinsèques sont déterminés à l’aide d’une technique basée les mesures de type ‘forward’ et sur les caractéristiques de la structure ouverte de distraction fabriquée sur la même plaquette du dispositif. Les paramètres X de la partie intrinsèque sont déterminés à l’aide de la technique de distraction. La partie intrinsèque est modélisée comme un réseau en forme de Pi modifié composé d’impédances caractéristiques non linéaires modélisant les jonctions drain-source, grille-source, drain-grille et grille-drain.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis PH.D presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 240-248).
Mots-clés libres:	paramètres X, réseau non-linéaire, paramètres non-linéaires, série, parallèle, cascade, série-à-parallèle, parallèle-à-série, modèle à base de circuit équivalent, modèle petit et grand-signal, impédance intrinsèque nonlinéaire, distraction, GaN HEMT
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kouki, Ammar B.
Codirecteur:	Codirecteur Ghannouchi, Fadhel
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 avr. 2018 20:47
Dernière modification:	03 juill. 2019 15:23
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1657

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