Harmonic load pull methods

Abstract

Harmonic load-pull systems gained importance for industry and academic research during the last years. Such setups allow applying different loads at several frequencies to a transistor amplifier. There are two main applications for harmonic load-pull. So it is possible to verify nonlinear transistor models for a large number of terminations. This allows detailed tests of models as well as their further improvement. Another application is found in the design of highly efficient and linear amplifiers. The optimum load for an application can be determined empirically and does not require a nonlinear large signal model. Hence, the design times are dramatically shortened. This thesis deals with the problems and limitations of harmonic load-pull systems for the design of a microwave class F amplifier. Starting from a commercially available passive system, different methods are shown to improve the performance. At first a passive harmonic solution is presented which offers better performance without the need for special parts. To further improve this setup, two active solutions are presented. One setup uses standard RF measurement equipment to set up a single carrier active load-pull system. It is further shown how time domain-measurements can be used for the calculation of the intrinsic voltage and current waveforms. Another active system investigates the application of modulated sources for active loads. This allows overcoming the bandwidth limitation of conventional systems.

Harmonische Load-Pull Systeme finden seit einigen Jahren verstaerkt Einsatz in Industrie und Forschung. Diese Systeme erlauben es einem Verstaerker beliebige Lastimpedanzen bei verschiedenen Frequenzen anzubieten. Seine Anwendung findet harmonisches Load-Pull vor allem in zwei Bereichen: So koennen nichtlineare Modelle fuer Transistoren unter einer Vielzahl von Abschluessen verifiziert werden. Dadurch koennen die Modelle einerseits detailliert ueberprueft werden und in einem weiteren Schritt verbessert werden. Eine andere Anwendung stellt der Entwurf von hocheffizienten und linearen Leistungsverstaerkern dar. Da die Optimalbeschaltung durch "Ausprobieren" gefunden werden kann, benoetigt man keine nichtlinearen Grosssignalmodelle, was einen deutlichen Zeitgewinn beim Entwurf darstellt. Diese Arbeit setzt sich mit den auftretenden Problemen und Einschraenkungen von Load-Pull Systemen zum Entwurf von Klasse F Verstaerkern im Mikrowellenbereich auseinander. Ausgehend von einer passiven Realisierung mit Filtern werden drei verschiedene Moeglichkeiten zur Verbesserung aufgezeigt. Zunaechst wird eine rein mechanisch-passive Loesung praesentiert, welche ohne Spezialbauteile auskommt und leicht zu realisieren ist. Um deren Einschraenkungen zu umgehen, werden im weiteren zwei aktive Systeme vorgestellt. Einerseits wird ein harmonisches Load-Pull System fuer Eintonsignale mit Standardmessgeraeten realisiert und dessen Funktion aufgezeigt. Durch die verwendete Zeitbereichsmessung ist es zusaetzlich moeglich, die internen Strom- und Spannungsverlaeufe im Transistor zu ermitteln. Als weiteres aktives System wird die Verwendung von modulierten Generatoren als aktive Lasten untersucht. Dadurch kann die Beschraenkung von konventionellen Systemen auf schmalbandige Signale umgangen werden.