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Die
vorliegende Erfindung betrifft Vector-Modulatoren im allgemeinen
und insbesondere einen Vector-Modulator, der in einer kleinen Verpackung
in Chip-Größe (Chip
Scale Package; CSP) enthalten ist, und der eine neuartige Quadratur-Hybrid
Schaltung verwendet.
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Ein
Quadratur-Hybrid ist ein Typ von Schaltung, der üblicherweise verwendet wird,
um Signale zu splitten und zu kombinieren. Quadratur-Hybride werden
extensiv in Leistungsverstärkern
und anderen Anwendungen, die eine Rauschreduktion und eine Signalklarheit
erfordern, verwendet. Sie werden üblicherweise auch als Koppler
in Anwendungen verwendet, die erfordern, dass Signale aufgeteilt
oder gemeinsam verwendet werden, wie beispielsweise Abtast-Anwendungen,
Test-Anwendungen und Detektor-Anwendungen.
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Das
Quadratur-Hybrid ist ein effektives Werkzeug zum Erzeugen von Rauschreduktionsschaltungen,
weil es verwendet werden kann, um sowohl eine Leistungsteilung als
auch eine Phasenverschiebung zu erzielen. Eine populäre Technik
zum Beseitigen von unerwünschten
Rauschsignalen, wie eine Intermodulations-Verzerrung, besteht darin,
das Signal in der Hälfte
aufzuteilen, um zwei getrennte Signale zu bilden, die sich in der
Phase um 180° unterscheiden,
und dann die zwei Signale zu rekombinieren. Dies verursacht, dass
sich die zwei Signale auf eine Rekombination hin löschen; somit
wird das unerwünschte
Rauschsignal beseitigt.
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Vor
der Entwicklung von Quadratur-Hybriden wurde dieser Prozess durch
Verwendung von Leistungsteilerschaltungen zum Aufsplitten von Signalen und
durch Erzeugen einer Phasenverschiebung unter Verwendung von Übertragungsleitungen
mit unterschiedlichen Längen,
die berechnet wurden, um zu der gewünschten Phasenverschiebung
zu führen, erreicht.
Jedoch erfordert die Erzeugung einer Phasenverschiebung unter Verwendung
von Übertragungsleitungen
einen extrem großen
Abschnitt von wertvoller Fläche
der integrierten Schaltung und ist somit für viele Anwendungen nicht praktisch.
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Im
Ansprechen auf die Notwendigkeit für eine bessere Einrichtung
zum Aufteilen und Verschieben von Signalen wurde die Quadratur-Hybrid Schaltung
entwickelt. Das Symbol, welches verwendet wird, um ein Quadratur-Hybrid
in einem Schaltungsdiagramm darzustellen, ist in 1 gezeigt. Das
Symbol, wie in der 1 gezeigt, illustriert die Funktion
des Quadratur-Hybrids. Ein Eingang wird an dem RF IN Anschluss 101 angelegt.
Das Eingangssignal wird zwischen zwei Ausgängen 102a und 102b aufgeteilt.
Die zwei Ausgänge
haben die gleiche Amplitude, unterscheiden sich aber in der Phase
um 90°.
Der verbleibende Ausgang des Quadratur-Hybrids 103 wird
durch einen 50 Ohm Abschlusswiederstand nach Masse geführt. Dieser
Anschluss stellt die erforderliche Isolation zu dem Quadratur-Hybrid
bereit. Die tatsächliche
Schaltungsstruktur eines Quadratur-Hybrids umfasst typischerweise
wenigstens ein Paar von Induktoren und ein Paar von Kondensatoren.
Verschiedene Hybridschaltungs-Strukturen sind in dem Stand der Technik
alt bekannt.
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Quadratur-Hybride
in Übereinstimmung
mit dem Stand der Technik sind unter Verwendung von diskreten Komponenten
konstruiert worden. Ein Paar von diskreten Induktoren und eine Serie
von diskreten Kondensatoren werden auf einer gedruckten Schaltungsplatine
angebracht, um dieses Quadratur-Hybrid zu bilden. Dieses Verfahren
ist extrem platzaufwendig und für
viele Anwendungen nicht praktisch. Es erfordert auch eine große Anzahl
von Komponenten und eine langwierige Zusammenbauzeit.
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Bei
einer Anstrengung, die Größe und die Kosten
des Quadratur-Hybrids zu verringern, sind Anstrengungen durchgeführt worden,
um die Elemente in eine integrierte Schaltung einzubauen. Jedoch
haben diese Anstrengungen nur zu einem begrenzten Erfolgt geführt. Die
erforderlichen Induktoren können
in eine integrierte Schaltung eingebaut werden; jedoch sind zusätzliche
Kondensatoren für das
Quadratur-Hybrid
notwendig, um richtig zu arbeiten. Die Hinzufügung von diskreten Kondensatoren erhöht den Platz,
der erforderlich ist, um das Quadratur-Hybrid zu bilden. Die Kondensatoren
sollten in die integrierte Schaltung durch Dünnfilm-Aufbringungstechniken
eingebaut werden. Jedoch würde
dies wesentlich die erforderliche Chip-Fläche für die Hybrid-Schaltung erhöhen, da
Kondensatoren große
Flächen
der integrierten Schaltung erfordern, typischerweise mehr als ein
Induktor.
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Die
GB-A-1 297 779 beschreibt Koppler-Netze und Filter, die erste und
zweite symmetrische, selbst-duale, Quadraturkoppler-Abschnitte mit
vier Anschlüssen
umfassen, die unterschiedliche Mittenbetriebsfrequenzen aufweisen
und die jeweils Signale in Quadratur an ersten und zweiten Anschlüssen im
Ansprechen auf ein an entweder einen dritten oder vierten Anschluss
angelegtes Eingangssignal erzeugen. Die ersten und zweiten Anschlüsse des
ersten Koppler-Abschnitts sind jeweils mit den dritten und vierten
Anschlüssen
des zweiten Koppler-Abschnitts verbunden. Wenn registrierte Leiter
verwendet werden, um die Induktivität von jedem Kopper-Abschnitt zu
bilden, ist die Zwischenwicklungskapazität gewöhnlicherweise ausreichend,
um die gesamte, oder im wesentlichen die gesamte, erforderliche
Kapazität zu
bilden.
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Eine
Schaltung, die üblicherweise
Quadratur-Hybride für
eine Rauschbeseitigung in Leistungsverstärkern verwendet, ist ein Vector
Modulator. Vector Modulator-Schaltungen verwenden eine Serie von
Quadratur-Hybriden, um eine Einrichtung bereitzustellen, um die
Fasernamplitude von RF-Signalen zu
verändern.
Sie werden üblicherweise
in Leistungsverstärkern
verwendet, um eine Signalreinheit zu verbessern und eine digitale
Modulation bereitzustellen.
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Leistungsverstärker verwenden
Vorwärtssteuerungsschleifen,
um eine Signalreinheit zu verbessern. Eine Intermodulations-Verzerrung
von Signalen kann aus der Mischung von mehreren RF-Signalen auftreten.
Diese unerwünschten
Verzerrungssignale sind als Intermodulations-Produkte bekannt. Um
diese unerwünschten
Intermodulations-Produkte zu beseitigen, wird ein Signal, das die
gleiche Amplitude und eine Phasenverschiebung von 180° dazu aufweist,
erzeugt, und mit jedem Intermodulations-Produkt kombiniert.
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Bis
vor kurzem wurde dies unter Verwendung von variablen Dämpfern erreicht,
um eine Amplitude zu steuern, und zwar in Serie mit variablen Phasenverschiebern,
um die Signalphase zu steuern. Dieses Verfahren war jedoch eine
schlechte Lösung
in Herstellungsumgebungen mit einem hohen Volumen wegen der zahlreichen
Komponenten und der komplexen Schaltungsanordnung, die benötigt werden.
Zusätzlich
enthalten variable Phasenverschieber eine inhärente Phasenänderungsbegrenzung.
Während
es möglich
ist, einen vollständigen Bereich
von 360° einer
Phasenverschiebung unter Verwendung von variablen Phasenschiebern
zu erreichen, ist ein wahlfreier Zugriff auf spezifische Phasenwerte
nicht möglich.
Dies bedeutet, dass zum Erreichen eines spezifischen Phasenwerts
der variable Phasenschieber sequentiell durch einen Bereich von Werten
gehen muss, um die gewünschte
Phasenverschiebung zu erreichen. Dies bewirkt, dass die transiente
Antwortzeit im Zusammenhang mit dieser Technik relativ lang ist.
Dies kann eine dramatische Verschlechterung in dem Vorwärtssteuerungs-Verstärkungsverhalten
verursachen.
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Um
diese Bedenken zu beseitigen, wurden Vector Modulatoren entwickelt.
Vector Modulatoren werden verwendet, um sowohl die Phase als auch die
Amplitude von RF-Signalen zu verändern.
Ein Vector Modulator verwendet eine Serie von Quadratur-Hybriden,
um eine Phasen- und Amplituden-Einstellung zu erreichen. 2 zeigt
einen Vector Modulator, der ein Eingangsquadratur-Hybrid 201 umfasst, das
zwei isolierte Ausgänge 202a, 202b enthält. Jeder
Ausgang speist einen getrennten in der Spannung variablen Dämpfer. Jeder
der Spannung variabler Dämpfer
besteht aus einem Quadratur-Hybrid (203a und 203b),
der auf den zwei Ausgangsanschlüssen
mit angepassten Dioden (205a, 205b, 205c, 205d)
oder Feldeffekttransistoren (FETs) abgeschlossen ist. Dies bildet
einen absorptionsmäßigen Dämpfer. Der
isolierte Anschluss von jedem in der Spannung variablen Dämpfer wird
an eine andere Quadratur-Hybridschaltung 207 geführt, die
als ein Leistungskombinierer arbeitet. Das Ausgangssignal von dem
Leistungskombinierer 207 ist das RF-Eingangssignal mit
einer neuen Phase und Amplitude.
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Vector
Modulatoren werden in Vorwärtssteuerungs-Verstärkern eingebaut,
um eine Zwischenmodulationsverzerrung ohne die Probleme in Zusammenhang
mit den variablen Dämpfern
und variablen Phasenverschiebern, die vorher verwendet wurden, zu
beseitigen.
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Während die
Verwendung von Vector Modulatoren eine signifikante Verbesserung
gegenüber den
Schaltungen ist, die variable Dämpfer
in Serie zu variablen Phasenverschiebern umfassen, weisen sie noch
mehrere Beschränkungen
auf. Vector Modulatoren in Übereinstimmung
mit dem Stand der Technik sind nicht für Herstellungstechniken mit
einem hohen Volumen geeignet, weil sie aus mehreren getrennten Elementen
bestehen, wie voranstehend beschrieben. Eine beträchtliche
Menge von Handarbeiten werden benötigt, um den Vector Modulator
zu bauen, was bewirkt, dass die Einrichtungen kostenaufwendig sind.
Wegen der Elemente, die die Quadratur-Hybride umfassen, wie voranstehend
diskutiert, sind Vector Modulatoren nicht für eine leichte Integration in
eine integrierte Schaltung geeignet.
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Zusätzlich sind
Vector Modulatoren des Standes der Technik relativ große Einrichtungen
als Folge der großen
Größe, die
von den darin enthaltenen Hybriden benötigt wird. Die minimalen x
und y Dimensionen eines typischen Vector Modulators in Form einer
integrierten Schaltung, der in dem Stand der Technik verwendet wird,
sind ungefähr
25 mm × 31
mm, was den Vector Modulator eine flächenintensive Komponente des
Vorwärtssteuerungs-Verstärkers macht.
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Es
ist wünschenswert,
eine Einrichtung zu entwickeln, die die erforderliche Vector Modulation (Phasenverschiebung
und Amplitudendämpfung) ausführen könnte, aber
kleiner ist und für
den Einbau in eine integrierte Schaltung geeignet ist und somit für Herstellungstechniken
mit einem hohen Volumen mehr geeignet ist. Dies würde Verringerungen
in den Kosten und der Menge von Einrichtungen, die auf der Schaltungsplatine
benötigt
werden, erlauben, während
die Betriebsvorteile des Vector Modulators beibehalten werden.
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Die
vorliegende Erfindung besteht aus einer Schaltung zum Ausführen einer
Vector Modulation, wie im Anspruch 1 hier aufgeführt. Das Quadratur-Hybrid,
das mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, entfernt die
getrennten Kondensatoren, die in dem Stand der Technik erforderlich
waren, und modifiziert anstelle davon das physikalische Layout der
Induktoren des Quadratur-Hybrids, um in einer eigentümlichen
Weise die Kapazität
für das
Quadratur-Hybrid (die Quadratur-Hybrideinheit) bereitzustellen.
Durch Entfernen der Kondensatoren ist die Quadratur-Hybrideinheit
geeignet für
eine Herstellung in eine kleine integrierte Schaltung und kann bei
Anwendungen in Chip-Größe verwendet
werden.
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Die
Quadratur-Hybrideinheit stellt die Signalkopplung und Phasenverschiebung
bereit, die in dem Stand der Technik erreicht wurde; jedoch erfordert die
Quadratur-Hybrideinheit nicht getrennte Induktoren und Kondensatoren,
um die gewünschten
Ergebnisse zu erzielen.
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Die
Quadratur-Hybrideinheit umfasst zwei spiralförmige Induktoren, die auf einer
integrierten Schaltung gebildet sind. Ein erster spiralförmiger Induktor
und ein zweiter spiralförmiger
Induktor sind auf getrennten Substratschichten innerhalb der integrierten
Schaltung gebildet. Der erste und der zweite Induktor sind parasitär über das
Dielektrikum gekoppelt, um zu ermöglichen, dass ein RF-Signal,
das in die Quadratur-Hybrideinheit über einen RF-Eingang eintritt,
zwischen zwei Ausgängen
aufgeteilt wird.
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Die
spiralförmigen
Induktoren sind so angeordnet, dass der erste spiralförmige Induktor
und der zweite spiralförmige
Induktor auf getrennten Metallschichten gebildet sind, die durch
eine Isolationsschicht getrennt sind. Infolgedessen wirken die zwei Induktoren
in Kombination mit der Isolationsschicht als zwei Platten eines
Kondensators, die durch eine dielektrische Schicht getrennt sind.
Durch Konstruktion der spiralförmigen
Induktoren, um die Kapazität
zu erreichen, die für
die Quadratur-Hybrideinheit benötigt
wird, wird die Notwendigkeit für
eine Hinzufügung von
zusätzlichen
Kondensatoren beseitigt. Die Größe und die
Trennung der spiralförmigen
Induktoren wird gesteuert, um zu ermöglichen, dass die erzeugte Kapazität der Kapazität gleicht,
die für
die Quadratur-Hybrideinheit benötigt
wird, um wie gewünscht
zu funktionieren.
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Der
Vector Modulator dieser Erfindung beinhaltet eine Reihe von Quadratur-Hybrideinheiten,
die in einer monolithisch integrierten Mikrowellenschaltung (Monolithic
Microwave Integrated Circuit; MMIC) hergestellt werden. Der Vector
Modulator in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung kann einen MMIC Chip in Kombination
mit einer Serie von Dioden verwenden, um die Vector Modulation aufzuführen. Sämtliche
Komponenten werden in eine einzelne kleine Verpackung in Chip-Größe kombiniert.
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Ein
Vector Modulator in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung kann in eine kleine Verpackung von Chip-Größe verpackt
werden, in der Größe ungefähr 4 Millimeter × 6 Millimeter.
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Die
Verpackung in Chip-Größe des Vector Modulators
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung erlaubt ein überlegenes elektrisches Betriebsverhalten
als Folge von seiner einzigartigen Konfiguration. Durch Platzieren
der Quadratur-Hybrideinheiten des Vector Modulators in eine Verpackung
in Chip-Größe mit einer
Lasche, die eine RF-Masse bereitstellt, werden die Pfadlängen verringert.
Dies wiederum verringert den Betrag der erzeugten Induktivität, so dass
das elektrische Betriebsverhalten des Vector Modulators verbessert wird.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnung beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 das
Symbol, welches verwendet wird, um eine Quadratur-Hybrideinheit
in einem Blockdiagramm einer Schaltung darzustellen;
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2 ein
Blockdiagramm eines Vector Modulators in dem Stand der Technik;
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3 ein
Schaltungsdiagramm einer Quadratur-Hybrideinheit, die mit der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
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4 eine
Zeichnung, die die Strukturbeziehung der Komponenten der Quadratur-Hybrideinheit der 3 darstellt;
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5 ein
Blockdiagramm eines Vector Modulators in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
und
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6 ein
Zusammenbaudiagramm der Verpackung in Chip-Größe in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung.
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Eine
Quadratur-Hybrideinheit, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet
wird, umfasst einen ersten spiralförmigen Induktor und einen zweiten spiralförmigen Induktor,
die auf einer integrierten Schaltung kombiniert sind, wobei eine
dielektrische Schicht zwischen den zwei spiralförmigen Induktoren angeordnet
ist. Die Kapazitäten
werden durch Konfigurieren des physikalischen Layouts der Induktoren und
der dielektrischen Schicht bereitgestellt, um in einer eigentümlichen
Weise die gewünschten
Kapazitäten
bereitzustellen; somit wird die Notwendigkeit, dass getrennte Kondensatoren
gebaut werden, beseitigt.
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3 ist
ein perspektivisches Explosionsdiagramm einer Quadratur-Hybridschaltung,
die sich zur Verwendung mit einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eignet, und 4 ist das Ersatzschaltbild davon.
Bezugnehmend zunächst
auf das Schaltungsdiagramm der 4 umfasst
die Schaltung ein Paar von parallelen Induktoren 409, 410 mit Kondensatoren 401, 402,
die zwischen den Anschlüssen
der Induktoren gekoppelt sind, wie gezeigt. Der Eingang wird an
dem Knoten 411 angelegt. Ein Teil des Signals, das an den
Eingangsanschluss 411 angelegt wird, wird durch den Kondensator 401 (wobei
der Wert davon relativ zu dem Frequenzband des Eingangssignals gewählt wird,
um das Eingangssignal frei weiter zu geben) an den Ausgangsknoten 413 mit
einer ungefähren
Phasenänderung
von 45 Grad transferiert und in der Amplitude verringert. Ein anderer
Teil des Eingangssignals tritt auf dem Ausgangsanschluss 415 auf,
nachdem er durch die Induktoren geht, die eine Ausgangsphase von – 45 Grand
bereitstellen. Die Phasendifferenz zwischen den zwei Ausgängen beträgt 90 Grad.
Die verbleibenden Kondensatoren stellen parasitäre Kapazitäten bereit, die typischerweise
in praktischen Implementierungen von derartigen Schaltungen inhärent sind.
Somit weisen die Kondensatoren 403, 404, 405, 406, 407 und 408 viele
kleinere Werte als die Kondensatoren 401 und 402 auf.
Trotzdem sind die Kondensatoren 403, 404, 405, 406, 407 und 408 für den Zweck
einer Genauigkeit und Vollständigkeit
gezeigt, sind aber in der Tat oft unerwünscht.
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Die
Kondensatoren 401 und 402 sind die dominanten
Kondensatoren in Bezug auf sämtliche
anderen Kondensatoren, die in dem Schaltbild gezeigt sind. Es handelt
sich genau um diese Kapazitäten, die
absichtlich in die Schaltung konstruiert werden, um die Quadratur-Hybrideinheit
zu veranlassen, wie gewünscht
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zu arbeiten.
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3 zeigt
den Aufbau der Quadratur-Hybrideinheit. Ein erster spiralförmiger Induktor 301 ist
in einer Metallschicht einer integrierten Schaltung gebildet. In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine monolithische integrierte Mikrowellenschaltung (Monolithic
Microvawe Integrated Circuit; MMIC) verwendet; jedoch sei darauf
hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung unter Verwendung von
verschiedenen Typen von integrierten Schaltungen hergestellt werden
könnte.
Eine Isolationsschicht 317, die als Luft oder Raum in 3 gezeigt
ist, ist oben auf dem ersten spiralförmigen Induktor 301 aufgebracht
und ein zweiter Induktor 303 ist oben auf der Isolationsschicht 317 aufgebracht.
In einer tatsächlichen
praktischen Implementierung der vorliegenden Erfindung würde die
Isolationsschicht wahrscheinlich ein dielektrisches Material sein.
Um jedoch die anderen Schaltungselemente nicht zu verdecken, ist
die Isolationsschicht 317 lediglich als Raum in 3 gezeigt. Die
Isolationsschicht dient für
zwei Zwecke. Zunächst
stellt sie die Trennung bereit, die zwischen den zwei spiralförmigen Induktoren 301, 303 benötigt wird,
um den geeigneten Grad einer parasitären Kopplung zu erlauben. Zweitens
wirkt es als das Dielektrikum, welches erforderlich ist, um den
zwei Spiralen der Induktoren zu erlauben, als ein Kondensator zu
arbeiten, so dass die Notwendigkeit für die getrennte Kondensatoren
beseitigt wird.
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Der
zweite spiralförmige
Induktor 303 ist auf einer Metallschicht gebildet, die
oben auf der Isolationsschicht 317 angeordnet ist. In der
bevorzugten Ausführungsform
ist der zweite spiralförmige
Induktor 303 eine exakte Kopie des ersten spiralförmigen Induktors 301 und
ist direkt über
der ersten Spirale positioniert. Ein RF-Signal wird an den RF-Eingang 305 des
oberen spiralförmigen
Induktors 303 angelegt. Das Signal wird zwischen den zwei
spiralförmigen
Induktoren als Folge der parasitären
Kopplung aufgeteilt. Das Ende 308 der spiralförmigen Bahn
des oberen Induktors 303 (das gegenüberliegende Ende von dem Eingang)
ist mit einem Kontaktloch 313 verbunden, das sich nach
unten durch die Isolationsschicht 317 zu dem zweiten Eingang 309 erstreckt. Das
Ende des unteren spiralförmigen
Induktors 301, das direkt unter dem Eingangsende des oberen
spiralförmigen
Induktors 303 angeordnet ist, umfasst einen ersten Ausgang 307.
Der Ausgang, der auf dem ersten Ausgang 307 erhalten wird,
und der zweite Ausgang 302 sind in der Amplitude gleich
(wobei es jeweils eine Hälfte
des Eingangssignals sind) und in der Phase um 90 Grad unterschiedlich.
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Das
Ende 310 des unteren spiralförmigen Induktors 301,
gegenüberliegend
zu dem ersten Ausgang 307, wird nach Masse über einen
50 Ohm Abschluss 311 abgeschlossen. Dies erlaubt, dass
irgendein Teil des Eingangssignals, der von dem unteren spiralförmigen Induktor 301 reflektiert
wird, nach Masse abfließt,
um zu verhindern, dass diese Reflektionen zurück an den Eingang gehen.
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Die
parallelen spiralförmigen
Induktoren 301, 303 sind physikalisch so konfiguriert,
dass sie in einer eigentümlichen
Weise Kapazitäten 401, 402 zwischen
den zwei Induktoren 409, 410 bereitstellen. Die
Kapazität
zwischen zwei parallel leitenden Platten wird mit der folgenden
Gleichung gegeben: C = E0ErA/Dwobei
- C
- = Kapazität
- Eo
- = Permitivitätskonstante
des freien Raums (gleich zu 8,854e–12)
- Er
- = dielektrische Konstante
des Isolators zwischen den zwei Platten
- A
- = Fläche von
jeder kapazitiven Platte
- D
- = Abstand zwischen
den kapazitiven Platten, der gleich zu der Dicke der Isolationsschicht ist.
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Unter
Verwendung dieser Gleichung können die
Layoutparameter der spiralförmigen
Induktoren und/oder der Isolationsschicht zwischen diesen gewählt werden,
um effektive Kapazitäten 401, 402 von Werten
gleich zu den gewünschten
Werten bereitzustellen. In der obigen Gleichung ist C die Variable,
die wünschenswerterweise
auf einen bekannten Wert gesetzt werden soll. Eo ist
eine Konstante. Demzufolge kann man eine der folgenden Parameter
oder alle einstellen: (1) die Dicke der dielektrischen Schicht, die
D in der Gleichung ist, (2) die dielektrische Konstante der dielektrischen
Schicht, die Er in der Gleichung ist, (3)
die Weite der leitenden Bahnen der spiralförmigen Induktoren und (4) die
Länge der
leitenden Bahnen der spiralförmigen
Induktoren, wobei die Breite die und die Längen der Bahnen kollektiv die Variable
A in der Gleichung vorgeben. Die Dicke D der dielektrischen Schicht
und ihre dielektrische Konstante ET kann
in einigen Situationen wegen der Anforderungen oder Präferenzen
in dem Herstellungsprozess der Schaltung praktisch nicht einstellbar sein.
In derartigen Fällen
würde der
Konstrukteur mit der Breite und/oder Länge der Bahnen der Induktoren
arbeiten. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Isolationsschicht
Siliziumnitrit, was eine dielektrische Konstante von 3,9 aufweist.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist diese Schicht 0,75 Mikron dick. Diese Dicke wird durch den Herstellungsprozess
definiert, der verwendet wird, um die Schicht zu bilden.
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Unter
der Annahme, dass Eo, Er und
D bekannte Größen sind,
muss die Fläche
A gesteuert werden, um den gewünschten
Betrag der Kapazität
C zu erreichen. Die Gesamtfläche
A ist im wesentlichen die gesamte Länge der Bahn multipliziert
mit ihrer Breite.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die Breite der Bahnen, die verwendet wird, um die spiralförmigen Induktoren
zu bilden, ungefähr
0,6 Mikron. Diese Breite wurde gewählt, weil sie die kleinste praktische
Breite war, die mit dem bestimmten gewählten Herstellungsprozess erreicht
werden kann, und es wurde angenommen, dass eine Auswahl der kleinsten
möglichen
Breite zu der kleinsten insgesamten Chip-Fläche
für die
Schaltung führen
wird. Demzufolge wurde die Länge
der Bahnen eingestellt, um an einer Fläche A anzukommen, die die erforderliche
Kapazität
für die
Quadratur-Hybrideinheit zum richtigen Funktionieren hervorbringt.
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Jedoch
kann eine Einstellung der Länge
der Bahnen der spiralförmigen
Induktoren, um die gewünschten
Kapazitäten
hervorzubringen, auch die Induktivitätswerte der spiralförmigen Induktoren
beeinflussen. Der Induktivitätswert
wird auch durch die Beabstandung der verschiedenen Zweige der Bahn relativ
zueinander beeinflusst. Demzufolge kann der Abstand zwischen den
verschiedenen Beinen der spiralförmigen
Bahn, bei gegebener Fläche
der Bahn, eingestellt werden, um den gewünschten Induktivitätswert hervorzubringen.
Durch Verwendung der geeigneten Gleichung und/oder der geeigneten Schaltungssimulations-Software
kann der Beabstandungsparameter bestimmt werden, so dass die gewünschte Induktivität der gewünschten
Kapazität
angepasst wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Beabstandung
zwischen den Bahnen auf jedem spiralförmigen Induktor gleich zu der
Breite der Bahnen, wobei beide gleich zu 0,6 Mikron sind. Die Gesamtabmessungen
der spiralförmigen
Induktoren, die verwendet werden, um die Quadratur-Hybrideinheit
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zu schaffen, beträgt 200 μm × 200 μm.
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Diese
kleine Größe könnte mit
den Techniken zum Konstruieren von Quadratur-Hybrideinheiten, die
in dem Stand der Technik bekannt sind, nicht erreicht werden. Die
beschriebene Quadratur-Hybrideinheit
eignet sich für
eine Herstellung von integrierten Schaltungen, was sie viel mehr kosteneffektiv
als Quadratur-Hybrideinheiten des Standes der Technik macht. Weil
sie getrennte Kondensatoren nicht erfordert und auf signifikant
kleine Größen hergestellt
werden kann, ist sie nützlich
für Anwendungen,
die früher
für Verpackungen
in Chip-Größe wegen
der Größe ungeeignet
gewesen waren. Infolgedessen erlauben derartige Quadratur-Hybrideinheiten
weitere Fortschritte bei der Erzeugung von Vector Modulatoren.
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In
dem Stand der Stand der Technik waren Vector Modulatoren große Einrichtungen,
die sich zur Herstellung auf integrierten Schaltungen oder in Verpackungen
in Chip-Größe nicht
geeignet waren. Durch Verwendung einer Serie der Quadratur-Hybrideinheiten,
die beschrieben wurden, kann ein verbesserter Vector Modulator in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gebracht werden, der eine Vector
Modulation mit einem Phasenverschiebebereich von 360 Grad und ein
Minimum der Dämpfung
von 10 dB aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Vector
Modulator in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung in dem UMTS Frequenzband (2040 MHz
bis 2240 MHz); jedoch sei darauf hingewiesen, dass er mit anderen Frequenzbändern verwendet
werden kann.
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Der
Vector Modulator in Übereinstimmung mit
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine MMIC 601 und 4
PIN Dioden 605a, 605b, 605c, 605d,
wie in 6 gezeigt. 5 ist ein
Blockdiagramm des inneren Arbeitsaufbaus des MMIC Chips. Der MMIC
Abschnitt enthält
eine 90 Grad Hybrideinheit 501 mit drei Anschlüssen, 3
Vorrückungs/Verzögerungs-Filter 502a, 502b,
2 Quadratur-Hybrideinheiten 503a, 503b, und einen
Teiler 507 für
gleichphasige Leistung.
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Die
MMIC wird mit 4 PIN Dioden in eine kleine Verpackung in Chip-Größe (6 mm × 4 mm)
kombiniert, um den fertig gestellten Vector Modulator zu bilden.
Jedes Element wird mit näheren
Einzelheiten nachstehend diskutiert.
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MONOLITHISCHE
INTEGRIERTE MIKROWELLENSCHALTUNG
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Die
MMIC ist konfiguriert, um die Hybrideinheiten und Leistungsteiler-Komponenten
einzuschließen,
die erforderlich sind, um das für
Vectoren gewünschte
Betriebsverhalten des Sektormodulators hervorzubringen. In der bevorzugten
Ausführungsform
ist die MMIC aus einem 0,1016 mm (4 mil) GaAs Substrat, mit inneren
Masse-Kontaktlöchern,
gebildet. Die dünne
Ausführung
der MMIC und die internen Kontaktlöcher ermöglichen, dass die Schaltungselemente
nahezu der Masse-Ebene angeordnet werden. In dieser Weise wird der
Betrag der Induktivität,
die geschaffen wird, minimiert.
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Das
RF-Signal tritt in die MMIC an dem Eingang 513 ein. RF
IN 513 ist mit einem Eingangsleistungsteiler 501 verbunden.
Die vorliegende Erfindung ersetzt den Eingangsleistungsteiler mit
vier Anschlüssen,
die in Vector Modulatoren des Standes der Technik verwendet wird,
durch einen Eingangsleistungsteiler 501 mit drei Anschlüssen, der
in Verbindung mit einem Paar von Vorrückungs/Verzögerungs-Filtern 502a, 502b verwendet
wird. Der RF-Signal Eingang wird an den Eingang des Leistungsteilers 501 angelegt
und die Ausgänge 508a, 508b des Leistungsteilers
werden jeweils an das Vorrückungs/Verzögerungs-Filter 502a, 502b angelegt. Die
Phase von ihrem Filterabschnitt ist +45° und –45°; somit wird eine Ausgangsphasendifferenz
von 90 Grad erzielt. Die interne Zusammensetzung von diesen Elementen
ist in dem technischen Gebiet alt bekannt; keine Diskussion über die
Zusammensetzung von diesen Elementen wird hier bereitgestellt.
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Innerhalb
der MMIC wird jeder der Ausgänge von
dem Leistungsteiler (nachdem er durch die Vorrückungs/Verzögerungs-Filter läuft) an
eine Quadratur-Hybrideinheit 503a, 503b geführt, wie
voranstehend beschrieben. Für
jede Quadratur-Hybrideinheit existiert ein Paar von Ausgangsanschlüssen 504a, 504b, 504c, 504d,
die verwendet werden, um mit den angepassten PIN Dioden 505a, 505b, 505c, 505d verbunden
zu sein. Diese Ausgänge
entsprechen den Ausgangsanschlüssen,
die auf der Oberfläche der
MMIC angeordnet sind, und die in 6 bei 604a, 604b, 604c und 604d gezeigt
sind.
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Der
verbleibende Ausgang 509a, 509b von jeder Quadratur-Hybrideinheit
ist mit einem Leistungskombinierer 507 verbunden. Der Leistungskombinierer 507 kombiniert
die Vectoren von den Spannungs-Variablen Dämpfern, die einen Ausgang mit
einer gesteuerten Amplitude und Phase bereitstellen. Das sich ergebende
Signal wird durch den RF-Ausgangsknoten 510 ausgegeben.
Ein Anschluss für
den RF-Ausgang wird auf der MMIC definiert und ist in 6 bei 607 gezeigt.
Dieser Anschluss ist mit einem Anschlussstift auf der Verpackung
in Chip-Größe, bezeichnet
mit RF OUT 615, verbunden.
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PIN DIODEN
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Die
MMIC wird in Verbindung mit einer Serie von Abschlusselementen verwendet.
Verschiedene Einrichtungen, einschließlich PIN Dioden, Feldeffekttransistoren
(FETs), oder andere Transistoren, wie beispielsweise PHEMT Transistoren
oder bipolare Transistoren, könnten
als Abschlusselemente verwendet werden. In der bevorzugten Ausführungsform sind
die Abschlusselemente PIN Dioden, um ein Intermodulations-Betriebsverhalten
zu maximieren. PIN Dioden 505a, 505b, 505c und 505d werden
verwendet, um die Quadratur-Hybrideinheit 503a, 503b auzuschließen. In
der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sind die Quadratur-Hybrideinheiten in der
MMIC enthalten. Dies war früher nicht
möglich
wegen der Notwendigkeit, getrennte Kondensatoren zu verwenden. Durch
Verwendung von Quadratur-Hybrideinheiten, wie voranstehend diskutiert,
können
die Quadratur-Hybrideinheiten
jedoch in einer einzelnen kleinen MMIC integrierten Schaltung hergestellt
werden. Die Dioden 505a, 505b, 505c und 505d sind
mit den MMIC Ausgängen 604a, 604b, 604c und 604d verbunden,
die den Ausgängen
der Quadratur-Hybrideinheiten entsprechen, die in der MMIC enthalten
sind.
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VERPACKUNG
IN CHIP-GRÖßE
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Die
MMIC und die PIN Dioden werden in einer Verpackung mit Chip-Größe kombiniert,
um die Menge des benötigten
PC Board-Platzes zu minimieren. In der bevorzugten Ausführungsform
wird eine Verpackung in Chip-Größe mit der
Größe 6 mm × 4 mm verwendet.
Ein Zusammenbaudiagramm der Verpackung in Chip-Größe ist in 6 gezeigt.
Es gibt zwei RF-Verbindungen (RF IN) 613 und (RF OUT) 615 und
vier Bias-Verbindungen 617a, 617b, 617c, 617d,
die auf der Verpackung in Chip-Größe angeordnet sind. Sämtliche
verbleibenden Verbindungen sind mit Masse gekoppelt. Die Masseverbindungen
sind in 6 bei 619a, 619b, 619c, 619d gezeigt.
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Die
Bias-Stifte 617a, 617b, 617c, 617d stellen
den Strom bereit, der benötigt
wird, um die PIN Dioden zu betreiben. Stifte 617a und 617c stellen den
Strom an den Dioden bereit, die zu einer der zwei Quadratur-Hybrideinheiten
gehören,
die in der MMIC enthalten sind. Die Stifte 617b und 617d stellen
den Strom an den Dioden bereit, die zur der zweiten der zwei Quadratur-Hybrideinheiten
gehören,
die in der MMIC enthalten sind. Durch Verändern des Stroms, der an die
Dioden angelegt wird, kann die RF- Impedanz der Dioden eingestellt werden,
was erforderlich ist, um die Funktionen für die variable Dämpfung und die
Phasenverschiebung innerhalb des Vector Modulators auszuführen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die Basis oder das Substrat der Verpackung in Chip-Größe metallisch
und stellt eine RF-Masse bereit. Dies führt zu einem überlegenen
elektrischen Betriebsverhalten gegenüber demjenigen der Vector Modulatoren,
die in dem Stand der Technik verwendet werden. In dem Stand der
Technik wurde die Vector Modulatorschaltung durch Verwendung von
Kontaktlöchern zum
Durchgang durch das Substrat der Basis (traditionell ein keramisches-
oder Laminatmaterial) zu der Masse-Verbindungsoberfläche oder
durch Herumwölben
der Masse-Verbindungsoberfläche um das Substrat
herum, um eine Verbindung herzustellen, mit Masse verbunden. Jedes
Verfahren erzeugt einen größeren Pegel
der Induktivität
als in der vorliegenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erzeugt wird. In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Basis der Verpackung in Chip-Größe direkt an die Masse angelötet, so
dass ein Pfad mit einer sehr geringen Induktivität bereitgestellt wird.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt einen Vector Modulator in einer
Verpackung mit kleiner Chip-Größe bereit.
Er eignet sich für
eine effiziente Herstellung mit hohem Volumen, weil er die Schaltungselemente,
die für
eine Vector Modulation innerhalb einer MMIC erforderlich sind, durch
Verwendung der verbesserten Quadratur-Hybrideinheit kombiniert.
Dies erzeugt signifikante Kosteneinsparungen gegenüber herkömmlichen Vector
Modulatoren durch Verringern der Herstellungs- und Zusammenbau-Zeit.
Der gesamte Aufbau wird in eine kleine Verpackung in Chip-Größe mit den Maßen 6 mm × 4 mm kombiniert,
was eine signifikante Verringerung in der Größe im Vergleich mit herkömmlichen
Einrichtungen ist, die verwendet werden, um eine Vector Modulation
auszuführen.
Die kleine Größe des Vector
Modulators in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung führt
zu einer signifikanten Verringerung in der Menge des Board-Platzes,
der im Vergleich mit herkömmlichen Vector
Modulatoren benötigt
wird, da sie ungefähr
in der Größe 25 mm × 31 mm
oder größer waren.
Die physikalische Größe des Vector
Modulators in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung führt auch
zu einer geringeren Induktivität
in der Verbindung mit dem Vector Modulator, was wiederum bei einem überlegenen
elektrischen Betriebsverhalten führt.