Optimización no lineal de circuitos multifuncionales basados en osciladores mediante el uso de cargas multiarmónicas basadas en líneas microstrip de anchura arbitrariamente modulada

Resumen

En la presente tesis doctoral se ha realizado un estudio de las técnicas de análisis y optimización de los circuitos basados en osciladores realizados en tecnología microstrip en la banda de microondas. Estos circuitos se utilizan en los sistemas de comunicaciones para realizar las funciones de oscilador local, desfasador variable, mezclador, generador de señal y otras tareas necesarias. Se ha desarrollado un nuevo método de diseño y optimización no lineal de circuitos basados en osciladores mediante el uso de cargas multiarmónicas basadas en líneas microstrip de anchura arbitrariamente modulada. Se han presentado estas cargas y se han desarrollado unas nuevas cargas realizadas con grafeno que permiten la modificación de su respuesta en frecuencia una vez fabricadas, mediante la aplicación de una diferencia de tensión en sus extremos. Para esta tarea se ha caracterizado el comportamiento del grafeno sobre un sustrato microstrip en la banda de microondas. Las cargas con grafeno diseñadas se han utilizado para la optimización de un oscilador de alta eficiencia, obteniendo buenos resultados en el ajuste de su eficiencia y potencia de salida. La memoria se divide en cuatro capítulos. En el primer capítulo se exponen los conceptos matemáticos y los métodos de análisis aplicados a los circuitos estudiados en capítulos posteriores. Se describe la dinámica de los sistemas no lineales, presentando sus posibles soluciones, y las técnicas de análisis no lineal aplicadas a os circuitos diseñados. El estudio de los sistemas no lineales se completa con la explicación de las técnicas de análisis de estabilidad y la definición de las bifurcaciones. Por otro lado, se describe brevemente el método de los momentos, método en el que se basa el simulador electromagnético aplicado en el diseño de los circuitos desarrollados en la tesis. Por último, en este capítulo también se describe el concepto de ruido de fase, muy a tener en cuenta en circuitos osciladores dado que la estabilidad en frecuencia del oscilador puede condicionar el comportamiento de todo el sistema. En el segundo capítulo se presentan las cargas multiarmónicas basadas en líneas microstrip de anchura arbitrariamente modulada y se exponen sus ventajas y su aplicación en los circuitos basados en osciladores. El resto del capítulo se dedica al diseño y optimización de un oscilador sincronizado controlado por tensión de alta eficiencia en la banda de microondas. Se presenta un nuevo método de optimización de la eficiencia del oscilador basado en la utilización de cargas multiarmónicas de anchura arbitrariamente modulada en varios puntos del circuito, lo que añade gran flexibilidad al diseño permitiendo conseguir una alta eficiencia. Se ha estudiado el comportamiento del oscilador como oscilador libre y sincronizado, este último bajo dos regímenes de operación, oscilador sincronizado y desfasador variable. A lo largo del capítulo se presentan tanto los resultados de simulación como los experimentales para los distintos tipos de funcionamiento estudiados, obteniendo un buen acuerdo entre ellos. En un tercer capítulo se estudian las nuevas cargas fabricadas con tinta de grafeno que permiten un ajuste de su respuesta en frecuencia, que puede traducirse en una variación de su impedancia de entrada a distintas frecuencias, en función de la diferencia de tensión aplicada a las mismas. Se presenta el proceso seguido para la fabricación de las cargas, exponiendo diferentes formas de obtención del grafeno integrado en sustrato microstrip. Para terminar el capítulo se realiza un estudio del comportamiento de estas cargas de grafeno en la banda de microondas y se exponen sus posibles aplicaciones dentro de un circuito multifuncional basado en osciladores. Por último, en el cuarto capítulo se muestra la utilidad de las nuevas cargas de grafeno estudiadas en el capítulo 3 para el ajuste de la eficiencia y la potencia de salida de un oscilador controlado por tensión de alta eficiencia. RESUMEN (en Inglés) In this Thesis, a study of the techniques for the optimization and analysis of microwave circuits based on oscillators has been made. This kind of circuit is very important in communication systems because it can be used in different blocks of the system, realizing functions such as local oscillator, variable phase shifter and mixer among others. A novel nonlinear method for the design and optimization of microwave circuits based on oscillators has been developed. This method is based on the use of multi-harmonic loads based on Arbitrarily Width-Modulated Microstrip Lines (AWMML). A presentation of the multi-harmonic loads based on AWMML has been made, and new loads with the two-dimensional material graphene have been developed. This new type of loads allows a change of its frequency response once manufactured by applying a voltage difference. For this task the behaviour of the material graphene on a microstrip substrate has been characterized in the microwave frequency band. Graphene loads were used for the optimization of a high efficiency oscillator with good results in the adjustment of its efficiency and output power. The document is divided into four chapters. In the first one, fundamental mathematical concepts and analysis methods applied to the circuits discussed in later chapters are presented. The dynamics of nonlinear systems are described and an explanation of all the possible solutions and nonlinear analysis techniques are presented. The study of nonlinear systems is completed by the explanation of the stability analysis techniques and a description of bifurcations. Furthermore, the method of moments is briefly described. MoM is the base of the electromagnetic simulator used in the design of the developed circuits. Finally, the phase noise is also described. In the second chapter the multi-harmonic loads based on AWMML structures are described along with their advantages and applications. In the second part of the chapter the design and optimization of an injection-locked voltage controlled oscillator with high efficiency in the microwave band is developed. A new method for the optimization of the efficiency of the oscillator has been presented. The method is based on the use of multi-harmonic loads based on AWMML structures, these loads add flexibility to the design allowing to achieve high efficiency. The behaviour of the free running VCO along with the ILVCO working as a fundamental synchronized oscillator and as an electronically tunable phase shifter has been studied. The third chapter is focused on the study of the new loads made with graphene. These loads allow the adjustment of their frequency response with the application of a DC-voltage. The process followed to manufacture the loads is presented, exposing different ways of obtaining graphene on a microstrip substrate. Finally a study of the behaviour of the graphene loads is performed in the microwave band and its possible applications with a multifunctional circuit based on oscillators are presented. In the fourth and last chapter the functionality of the new graphene loads is shown. The design of a high efficiency voltage controlled oscillator with a graphene load is presented obtaining good results adjusting the efficiency and output power of the oscillator.