Tesis:
Design of millimeter-wave frequency multipliers via electro-thermal modeling
- Autor: PÉREZ MORENO, Carlos Gustavo
- Título: Design of millimeter-wave frequency multipliers via electro-thermal modeling
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73197/
- Director/a 1º: GRAJAL DE LA FUENTE, Jesús
- Resumen: Para generar potencia en las bandas de ondas milimétricas y submilimétricas habitualmente se recurre al uso de cadenas de multiplicadores de frecuencia basados en diodos Schottky. Con el objetivo de alcanzar mayores niveles de potencia a frecuencias crecientes, los circuitos de las etapas iniciales de multiplicación tienen que ser capaces de soportar potencias de entrada altas y proporcionar suficiente potencia de salida para excitar las siguientes etapas de la cadena de multiplicación. Un diseño adecuado desde el punto de vista electrotérmico puede permitir que los circuitos multiplicadores soporten más potencia de entrada sin sacrificar eficiencia de conversión. Esta tesis doctoral propone una metodología de diseño para multiplicadores de frecuencia que tiene en cuenta conjuntamente consideraciones eléctricas y térmicas durante la optimización de la estructura del diodo Schottky y el circuito. Inicialmente, se emplea un modelo físico electrotérmico numérico desarrollado para diodos Schottky con el fin de optimizar la estructura del diodo. Posteriormente, se modela el entorno del diodo mediante herramientas comerciales de simulación térmica y electromagnética para mejorar las prestaciones de manejo de potencia de entrada y optimizar la respuesta eléctrica del circuito. Finalmente, se utiliza un modelo electrotérmico analítico para diodos Schottky implementado en software comercial de diseño de circuitos para optimizar el circuito y predecir la respuesta final del multiplicador. Se han diseñado y caracterizado dos circuitos triplicadores con frecuencias de salida en las bandas de 75 a 105 GHz y 225 a 325 GHz para validar la metodología propuesta.
ABSTRACT
Solid-state sources consisting of cascaded Schottky diode-based frequency multipliers are commonly used to generate power at millimeter and submillimeter-wave bands. In order to achieve increasing power at those frequencies, first-stage frequency multipliers have to handle a large amount of input power and generate enough output power to drive higher frequency multiplication stages. To that end, an appropriate electro-thermal design of multiplier circuits can result in improvement of power-handling capabilities without degradation of conversion efficiency. This Ph.D. thesis proposes an approach for the design of frequency multipliers where both electrical and thermal considerations are selfconsistently taken into account along the optimization of the Schottky diode structure and the circuit layout. Initially, a physics-based numerical self-consistent electro-thermal model developed for Schottky diodes is used to optimize the diode structure. For the purpose of improving the power-handling capabilities and optimizing the circuit electrical response, the diode environment is iteratively modeled with commercial 3-D thermal and electromagnetic simulation tools. Finally, an analytical self-consistent electro-thermal model for Schottky diodes implemented into commercial circuit design software is used to optimize the circuit layout and predict the overall multiplier performance. To validate the proposed design methodology, two split-block waveguide single-chip tripler circuits with output frequencies in the 75–105 GHz and 225–325 GHz bands are designed and characterized.