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Contents
1 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 RFPowerAmplifierCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 FiguresofMerit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Drain Efficiency and Power Added Efficiency . . . . . . . 5
1.3.2 Intermodulation and Harmonic Distortions . . . . . . . . . 6
1.3.3 Adjacent Channel Power Ratio . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.4 ErrorVectorMagnitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 PowerAmplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Power Amplifier Design Methodologies . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.1 CAD-Based Design Methods . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.2 Measurement-Based Design Methods . . . . . . . . . . . . 15
1.6 Nonlinear Microwave Measurement System . . . . . . . . . . . . 16
1.6.1 What Is Load-Pull? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6.2 Why Load-Pull? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7 Important Load-Pull Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.7.1 Repeatability of Reflection Coefficients . . . . . . . . . . . 19
1.7.2 Tuning Range and Its Distribution . . . . . . . . . . . . . . 19
1.7.3 Tuning Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.7.4 Power Handling Capability . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.7.5 Tuner Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.7.6 Tuner Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.7.7 Tuner Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.8 Common Load-Pull Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2 Passive Load-Pull Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 Passive Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1 Electromechanical Tuner (EMT) . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2 Electronic Tuner (ETS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.3 ETSandEMTComparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Load-Pull Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Load-Pull Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2 SystemCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4 Harmonic Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.1 Triplexer Based Harmonic Load-Pull Setup . . . . . . . . . 44
2.4.2 Harmonic Rejection Tuner Based Harmonic Load-Pull Setup 45
2.4.3 Single Tuner Harmonic Load-Pull Setup . . . . . . . . . . 46
2.4.4 Harmonic Load-Pull Comparisons . . . . . . . . . . . . . 47
2.5 Tuning Range Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.1 Enhanced Loop Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5.2 Cascaded Tuner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3 Active Load-Pull Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Closed-Loop Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.1 SystemRealization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.2 AnalysisofClosed-LoopSystem . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3 Closed-Loop Load-Pull Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4 Optimized Closed-Loop Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . 64
3.5 Feed-Forward Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.6 Optimized Feed-Forward Load-Pull System . . . . . . . . . . . . 71
3.7 Harmonic Feed-Forward Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . 74
3.8 Open-Loop Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.9 Convergence Algorithm for Open-Loop and Feed-Forward
Load-Pull Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.10 Comparison of Active Load-Pull Techniques . . . . . . . . . . . . 83
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4 Six-Port Based Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Impedance and Power Flow Measurement . . . . . . . . . . . . . 88
4.3 SP in Reverse Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.1 SP Calibration in Reverse Configuration . . . . . . . . . . 89
4.3.2 ErrorBoxCalculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4 SP Based Source-Pull Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.5 SP Based Load-Pull Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.1 Passive Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.2 Active Branch Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . 97
4.5.3 Active Loop Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.6 On-Wafer Load-Pull Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.7 Applications of Source-Pull Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.7.1 LowNoiseAmplifierCharacterization . . . . . . . . . . . 102
4.7.2 MixerCharacterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.7.3 PowerAmplifierCharacterization . . . . . . . . . . . . . . 104
4.8 Oscillator Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.9 AM/AMandAM/PMMeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.9.1 PrinciplesofOperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.9.2 Measurement Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5 High-Power Load-Pull Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2 Limitations of Existing Load-Pull Systems . . . . . . . . . . . . . 113
5.2.1 Problems Due to High Standing Waves . . . . . . . . . . . 114
5.2.2 Problem of Large Load-Pull Power . . . . . . . . . . . . . 118
5.3 High-Power Load-Pull . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.3.1 Pre-matching Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.3.2 Enhanced Loop Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3.3 Quarter Wave Transformer Technique . . . . . . . . . . . . 124
5.3.4 Broadband Impedance Transformer Technique . . . . . . . 126
5.4 Impact of a Transformation Network on PLP andVSWR . . . . . . 127
5.5 Hybrid Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.6 CalibrationandDataExtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6 Envelope Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.2 Envelope Load-Pull Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.2.1 MathematicalFormulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3 PracticalRealization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.3.1 DesignofControlUnit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.4 ELPCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.4.1 Error Flow Model Formulation . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.4.2 Simplification of the Error Flow Model . . . . . . . . . . . 146
6.4.3 Calibration Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.4.4 Evaluation of the Calibration Technique . . . . . . . . . . 150
6.5 Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.6 Features of the Envelope Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . 154
6.7 Harmonic Envelope Load-Pull System . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.8 UniqueMeasurementApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7 Waveform Measurement and Engineering . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.2 Theoretical Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.3 Historical Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7.4 PracticalWaveformMeasurementSystem . . . . . . . . . . . . . 169
7.5 SystemCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.5.1 FirstStepowerFlowCalibration . . . . . . . . . . . . . 171
7.5.2 Second Step: S-Parameter Calibration . . . . . . . . . . . . 172
7.5.3 Third Step: Enhanced Calibration . . . . . . . . . . . . . . 174
7.5.4 CalibrationEvaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.6 Six-PortBasedWaveformMeasurementSystem . . . . . . . . . . 177
7.6.1 Multi-harmonic Reference Generator . . . . . . . . . . . . 178
7.6.2 SP Reflectometer Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.6.3 Multi-harmonic SP Reflectometer Architecture . . . . . . . 179
7.6.4 Multi-harmonic SP Reflectometer Calibration . . . . . . . 181
7.6.5 CalibrationVerification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.7 Waveform Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.8 Applications of Waveform Engineering . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.8.1 TransistorCharacterization . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.8.2 CAD Incorporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.8.3 PowerAmplifierDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8 Advanced Configurations and Applications . . . . . . . . . . . . . . 191
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.2 Multi-tone Load-Pull Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.3 Real-Time Multi-harmonic Load-Pull Technique . . . . . . . . . . 197
8.4 Modulated Signal Load-Pull Technique . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.5 Multi-tone Envelope Load-Pull Technique . . . . . . . . . . . . . 204
8.6 Wideband Load-Pull Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.6.1 Wideband Load-Pull Approach . . . . . . . . . . . . . . . 209
8.6.2 SetupDescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.7 NoiseCharacterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.7.1 NoiseParameterMeasurement . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.7.2 NoiseParameterTestSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.8 MixerCharacterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.8.1 MeasurementSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.8.2 Experimental Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
About the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

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