New design methodologies for microwave oscillators based on negative impedance. Study and development of the solution space concept

The topic of this thesis concern the study of new design methodologies for microwave oscillators based on negative impedance and LC resonant circuits. For this class of systems, it is not ordinary possibile to predict the stationary behaviour of the circuit without use non linear analysis methodologies, but these are very e complicated and not very helpful for the design. Indeed, for microwave circuits, the design technique is that of reflection parameters "S" that describe with accuracy only linear systems and shaped them in response to small signal conditions. Therefore the only way to design a good oscillator is through experience and try and error procedures. By Developping a CAD tool that allows to represent in graphical form all possibile solutions (The Solution Space) for which an amplifier and two passive networks (feedback and loads) are able to give a negative impedance looking by other port, a new design methodology has been presented. This methodology use only S small signal parameters and allows to guarantee the start-up for a given frequency when the other port is colsed with a proper LC circuit, and moreover is able to predict the behaviour of the system in steady state. Then became easily possibile to design the system in order to maximize the output power and reduce the phase noise. The proposed methodology is then successfully used in the design of a 38GHz VCO. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ L’oggetto di questa tesi è lo studio di nuove metodologie di progetto per oscillatori a microonde costituiti da un blocco di impedenza negativa e un circuito risonante LC. Per tale classe di sistemi la difficoltà nella procedura di progettazione consiste nel non aver ancora trovato una chiave che permettesse di prevederne il comportamento a regime senza l’utilizzo di metodi di analisi non lineare, notoriamente molto complicati e poco utili per il progetto. Infatti, per i circuiti a microonde, la tecnica universalmente adottata è quella dell’utilizzo dei parametri di riflessione “S” che descrivono con veridicità solamente sistemi lineari e modellati in risposta a condizioni di piccolo segnale. Non esistono quindi metodologie per gli oscillatori che vengono progettati secondo esperienza procedure del tipo try and error. Sviluppando al calcolatore un tool che permette la rappresentazione grafica dell’insieme delle soluzioni (Spazio delle Soluzioni) per cui un sistema costituito da amplificatore e reti passive di reazione e di carico possono generare una resistenza negativa ad una porta si è messa appunto una metodologia che non solo garantisce le condizioni di innesco del sistema quando la restante porta viene chiusa da un opportuno circuito risonante, di cui è possibile estrarre le caratteristiche, ma anche di prevedere unicamente utilizzando i parametri a piccolo segnale, il comportamento del sistema a largo segnale e di progettare l’oscillatore in maniera scientifica secondo le specifiche desiderate. La metodologia proposta viene quindi applicata con successo al progetto di un VCO a 38GHz.