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Die Erfindung betrifft allgemein
einen Quadraturmodulator. Insbesondere betrifft die Erfindung einen
Quadraturmodulator für
die digitale Kommunikation, der zur Phasenmodulation eines Hochfrequenzsignals,
z. B. in einem Quasimikrowellensignalband, geeignet ist.
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Herkömmlich sind Quadraturmodulatoren, die
in einem solchen Hochfrequenzband wie einem Quasimikrowellenband
verwendet werden, durch integrierte Halbleiterschaltungen aufgebaut.
Zum Beispiel beschreibt "QPSK
Modulators for Digital Cellular Communication", Bipolar Circuits and Technology Meeting
3.2, IEEE, 1992, Seiten 59 bis 62 den in einem Schaltbild von 1 gezeigten Quadraturmodulator.
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Gemäß 1 erhält
man bei diesem bekannten Quadraturmodulator die QPSK-modulierte Welle
durch Phasenverschieben des Lokaloszillationssignals LO1 durch einen
Phasenschieber 65, um ein erstes Signal und ein zweites
Signal mit einer Phase zu erzeugen, die gegenüber der des ersten Signals
um 90 Grad verschoben ist. Danach wird das erste Signal zu einem
Mischer 66 geführt,
um mit dem Gleichtaktsignal "I" mit der entgegengesetzten Phase
zu der dieses ersten Signals multipliziert zu werden. Andererseits
wird das zweite Signal zu einem Mischer 67 geführt, um
mit dem Quadratursignal "Q" mit der entgegengesetzten
Phase zu der des zweiten Signals multipliziert zu werden. Danach
werden diese multiplizierten Ausgangssignale zu einem Synthetisierverstärker 68 geführt, um
miteinander synthetisiert zu werden, was die QPSK-modulierte Welle
erzeugt. Nachdem nur die erforderliche Frequenzkomponente dieser
QPSK-modulierten Welle durch eine Filterschaltung 69 mit
einer Bandpaßfiltercharakteristik
herausgefiltert wurde, wird diese gefilterte Frequenzkomponente
zu einem Mischer 70 geführt.
Im Mischer 70 wird diese gefilterte Frequenzkomponente
mit einem weiteren Lokaloszillationssignal LO2 gemischt, um frequenzumgewandelt
zu werden, so daß das
resultierende Signal als Quasimikrowellenbandsignal erhalten wird.
Anschließend
wird dieses Quasimikrowellenbandsignal weiter in einem Ausgangsverstärker 71 und
einem Symmetrieglied 72 verarbeitet, um ausgegeben zu werden.
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Ein weiterer herkömmlicher Quadraturmodulator
gemäß einem
Blockschaltbild von 2 ist
in "DIGITAL PHASE-SHIFT
QUADRATURE FRONTEND FOR LO-INPUTS UP TO 6 GHz " von P. Weger et al., Publication of
20th European Microwave Conference, 1990, Seite 426 offenbart.
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Gemäß 2 ist ein 90-Grad-Phasenschieber 80 aus
einem Mischer 81 und zwei Sätzen 1/2-Frequenzteilern 82 und 83 im
herkömmlichen Quadraturmodulator
aufgebaut. In diesem Quadraturmodulator wird das Eingangssignal
mit dem Lokaloszillationssignal LO durch den Mischer 81 multipliziert,
um Signale mit zueinander entgegengesetzten Phasen und Frequenzen
zu erhalten, die doppelt so hoch wie die des Eingangssignals sind.
Diese Ausgangssignale werden in den Frequenzteilern 82 und 83 durch
1/2 dividiert, so daß Trägersignale
LOQ und LOI ausgegeben
werden, deren Phasen sich um 90 Grad voneinander unterscheiden und
die auch die gleichen Frequenzen wie das o. g. Lokaloszillationssignal
LO haben. Mischer 84 und 85 multiplizieren Modulationssignale
IFQ und IFI mit
den Trägersignalen
LOQ und LOI, um
multiplizierte Signale RF als quadraturmodulierte Wellen auszugeben.
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Im herkömmlichen Quadraturmodulator
von 2 ist der 90-Grad-Phasenschieber 80 durch
Siliciumtransistoren als integrierte Halbleiterschaltung hergestellt.
Andererseits sind andere Quadraturmodulatoren, die durch solche
Verbundhalbleiter wie GaAs als integrierte Schaltung hergestellt
sind, z. B. aus "A
1.9-GHz-Band GaAs Direct-Quadrature Modulator IC with a Phase Sifter" von K. Yamamoto
et al., IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Band 28, Nr. 10, Oktober
1993, Seiten 994 bis 1000 herkömmliche
bekannt.
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3 ist
ein Schaltbild des aus dem Verbundhalbleiter in IC-Form hergestellten
Quadraturmodulators, der in der o. g. Veröffentlichung offenbart ist.
Dieser herkömmliche
Mo dulator ist durch einen 90-Grad-Phasenschieber 91, einen
Treiber 92 sowie Mischer 93 und 94 gebildet
. Der Treiber 92 hat Vorspannungskondensatoren C1 und C2
in der Eingangsstufe und ist so aufgebaut, daß drei Differentialverstärkerstufen
unter Verwendung eines aus GaAs hergestellten Feldeffekttransistors
kaskadiert sind. Die Trägersignale
mit den sich voneinander um 90 Grad unterscheidenden Phasen werden
vom 90-Grad-Phasenschieber 91 in
diesen Treiber 92 eingegeben, um durch den Treiber 92 verstärkt zu werden.
Danach werden die verstärkten
Trägersignale zu
den Mischern 93 und 94 geführt, in denen diese verstärkten Trägersignale
mit dem Modulationssignal multipliziert werden.
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Herkömmlich vorgeschlagen wurden
auch Verfahren zum Korrigieren von Phasenfehlern eines 90-Grad-Phasenschiebers,
z. B. in den JP-A-61-238144 (1986), 2-174343 (1990) und 4-287542 (1992). Als
Beispiel ist das Blockschaltbild des in der JP-A-2-174343 beschriebenen
Quadraturmodulators in 4 gezeigt.
Gemäß dem herkömmlichen
Quadraturmodulator von 4 wird
das von einem Eingangsanschluß 99 eingegebene
Trägersignal
durch einen Teiler 100 in zwei aufgeteilte Trägersignale
aufgeteilt. Ein aufgeteiltes Trägersignal
wird zu einem Mischer 103 geführt, um mit dem von einem Eingangsanschluß 101 zugeführten ersten
Modulationssignal multipliziert zu werden, während das andere aufgeteilte
Trägersignal
in einem variablen Phasenschieber 105 um 90 Grad phasenverschoben
und das phasenverschobene Trägersignal
zu einem Mischer 104 geführt wird, um mit dem von einem
Eingangsanschluß 102 abgeleiteten
zweiten Modulationssignal multipliziert zu werden. Die jeweiligen
Ausgangssignale von den Mischern 103 und 104 werden in
einem Kombinierer 108 miteinander kombiniert, wonach das
kombinierte Signal als QPSK-modulierter Träger zu einem Ausgangsanschluß 109 geführt wird.
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Zusätzlich zur oben beschriebenen
allgemeinen Schaltungsanordnung vergleicht ein Phasenvergleicher 106 dieses
herkömmlichen
Quadraturmodulators die Phasen der aufgeteilten Trägersignale,
um zu detektieren, um wieviel Grad die Phasendifferenz zwischen
ihnen gegenüber
den ursprünglichen
90 Grad verschoben ist. Das Signal als Darstellung dieser detektier ten
Phasendifferenz wird über
ein Schleifenfilter 107 zum variablen Phasenschieber 105 als
Steuersignal gesendet, so daß der
Phasenverschiebungsbetrag des variablen Phasenschiebers 105 so
variabel gesteuert wird, daß die
Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen der Mischer 103 und 104 gleich
90 Grad sein kann.
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Ferner ist ein weiterer herkömmlicher
Quadraturmodulator aus einer Veröffentlichung
des Japanese Electronic Information Communication Institute, Frühjahrskonferenz
C-80 1993 bekannt, bei dem der 90-Grad-Phasenschieber, der im Quasimikrowellenband
betreibbar ist, aus einer passiven Schaltung aufgebaut ist, die
ohne Stromverbrauch arbeiten kann, was 5 darstellt. Bei diesem bekannten Quadraturmodulator
wird ein 90-Grad-Phasenschieber 112 vom Interdigitaltyp
auf einem Substrat 111 eingesetzt. Das über einen Anschluß 113 eingegebene
Trägersignal
wird durch den 90-Grad-Phasenschieber 112 in ein erstes
Trägersignal
und ein zweites Trägersignal
mit einer vom ersten Trägersignal um
90 Grad abweichenden Phase umgewandelt. Das erste und zweite Trägersignal
wird zu Zweiphasenmodulatoren 114 und 115 geführt, die
als integrierte Schaltung hergestellt sind, und durch die von Anschlüssen 116 und 117 abgeleiteten
Modulationssignale moduliert. Die von den Zweiphasenmodulatoren 114 und 115 ausgegebenen
Signale werden in einem auf einem Substrat 118 gebildeten
Kombinierer verarbeitet, und die verarbeiteten Signale werden von
einem Ausgangsanschluß 119 als
QPSK- (Quadraturphasenumtastungs-) modulierte Signale ausgegeben.
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In diesem herkömmlichen Quadraturmodulator
ist der 90-Grad-Phasenschieber 112 vom
Interdigitaltyp auf dem Aluminiumoxidkeramiksubstrat 111 als
Dünnfilmschaltung
gebildet, und sowohl dieses Aluminiumoxidkeramiksubstrat 111 als
auch das Substrat 118 sind mit den Zweiphasenmodulatoren 114 und 115 in
ein einzelnes Gehäuse
eingebaut, so daß dieser
Quadraturmodulator über
ein breites Frequenzband von 1,5 GHz mit kleinerem Stromverbrauch
arbeiten kann.
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Außerdem ist ein weiterer Quadraturmodulator,
der im Quasimikrowellenband betreibbar ist, aus der JP-A-5-347529
vom 27. Dezember 1993, bekannt, bei dem der Phasenschieber durch
ein passives Element gebildet ist. 6 ist
ein Schaltbild eines Beispiels für
den in diesem herkömmlichen
Quadraturmodulator verwendeten Phasenschieber. In dieser Zeichnung
ist der 90-Grad-Phasenschieber so angeordnet, daß ein erster Phasenschieber,
aufgebaut durch Kaskadieren einer ersten Phasenverschiebungseinheit 121a und
einer ersten Differentialverstärkerschaltung 122a,
parallel zu einem zweiten Phasenschieber, aufgebaut durch Kaskadieren
einer zweiten Phasenverschiebungseinheit 121b und einer zweiten
Differentialverstärkerschaltung 122b im
Hinblick auf den Eingang, verbunden ist.
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Jede dieser Phasenverschiebungseinheiten 121a und 121b ist
aus einer Reihenschaltung zwischen den beiden 4-Anschluß-Phasenschiebern aufgebaut.
Gebildet sind diese Phasenschieber auf einem Halbleitersubstrat
aus einer Spiralspule, die als Phasenvoreilungselement fungiert,
und einem MIM- (Metall-Isolator-Metall-) Kondensator, der als Phasenverzögerungselement
fungiert. Hochfrequenz-Eingangssignale RF1 und RF2 mit zueinander entgegengesetzten
Phasen werden über
den Eingangsanschluß in
diese Phasenverschiebungseinheiten 121a und 121b eingegeben
und dann durch die Phasenverschiebungseinheiten phasenverschoben,
um zwei Arten von Signalen S2A, S2B und S4A, S4B zu erzeugen, die
durch Quadraturvektoren dargestellt sind. In diesem Fall ist zu
beachten, daß die Phasenverschiebungsbeträge der Phasenverschiebungseinheiten 121a und 121b so
eingestellt sind, daß ein
kombinierter Vektor S2 zwischen den Signalen S2A und S2B im wesentlichen
senkrecht zu einem kombinierten Vektor S4 zwischen den Signalen S4A
und S4B ist.
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Die o. g. Signale S2A, S2B und S4A,
S4B werden in die Gates differenzgepaarter Transistoren in den Differentialverstärkern 122a und 122b geführt, die
in der nächsten
Stufe vorgesehen sind, und durch diese Differentialverstärker differenzverstärkt, wodurch
die resultierenden verstärkten
Signale als Signale V1A, V1B und V2A, V2B vom gleichphasigen Ausgangsanschluß bzw. inversen
Ausgangsanschluß ausgegeben
werden. Verständlich
sollte sein, daß sich
die Phase des Ausgangssignals V1A von der des Ausgangssignals V2A
um 90 Grad unterscheidet, während
sich die Phase des Ausgangssignals V1B von der des Ausgangssignals
V2B um 90 Grad unterscheidet.
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Gemäß diesem herkömmlichen
Phasenschieber können
gemäß 7 die Signale V1A (V1B)
und V2A (V2B), deren Phasen mit einer Genauigkeit von 90° ± 2° verschoben
werden können, im
Hinblick auf die Hochfrequenzeingangssignale RF1, RF2 im Frequenzbereich
von 700 MHz bis 2 GHz erzeugt werden.
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Beim o. g. herkömmlichen Quadraturmodulator
von 1 werden nach Modulation
der Eingangssignale (Lokaloszillatorsignale) durch das Niederfrequenzsignal
die modulierten Signale in die Quasimikrowellensignale im Mischer 70 frequenzumgewandelt.
Dies hat Nachteile, daß zwei
Arten von Signalquellen LO1 und LO2 erforderlich sind, eine komplizierte
Schaltungsanordnung benötigt
und Störrauschen
erzeugt wird.
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Obwohl bei einem weiteren herkömmlichen Quadraturmodulator
gemäß 2 nur eine Signalquelle
LO erforderlich ist, kann der 90-Grad-Phasenschieber, der durch
den Bipolartransistor in der integrierten Halbleiterschaltung hergestellt
ist, in der Praxis nicht mit Trägerfrequenzen über 1 GHz
betrieben werden, auch wenn dieser 90-Grad-Phasenschieber durch
die Schaltungsanordnung 80 von 2 oder andere Schaltungsanordnungen realisiert
ist. Das heißt,
dieser Quadraturmodulator kann nicht im Quasimikrowellenband verwendet
werden. Im Gegenteil: Auch wenn dieser Quadraturmodulator in einem
solchen Quasimikrowellenband betreibbar wäre, käme es aufgrund der Tatsache,
daß aktive
Schaltungselemente genutzt werden, zu einem weiteren Problem, daß dieser
herkömmliche
Quadraturmodulator einen hohen Stromverbrauch hätte.
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Da ferner beim herkömmlichen
Quadraturmodulator von 3 der
90-Grad-Phasenschieber 91 die aus dem Widerstand und dem
Kondensator aufgebaute Filterschaltung nutzt, ist ein Verstärker 92 erforderlich,
dessen Ausgangspegel konstant wird, um Unsymmetrie der Ausgangspegel
zu korrigieren. Daher kommt es zu einem weiteren Problem, daß der Stromverbrauch
erhöht
ist. Ein anderes Problem besteht darin, daß wegen der höheren Kosten
des Feldeffekttransistors des Verbindungshalbleiters als beim Silicium-Bipolartransistor
die Gesamtkosten dieses Quadraturmodulators erhöht wären.
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Ein weiterer herkömmlicher Quadraturmodulator
von 4 verwendet ein
Verfahren zur Verbesserung der Phasenverschiebungsgenauigkeit von
90 Grad auf solche Weise, daß der
Phasenschieber aus dem variablen Phasenschieber 105 aufgebaut
ist und der durch den Phasenvergleicher 106 detektierte Phasenfehler
zum variablen Phasenschieber 105 zurückgeführt wird. Allerdings gibt es
keine konkrete Beschreibung der Betriebsfrequenz des variablen Phasenschiebers 105 in
der JP-A-2-174343,
weshalb dieser herkömmliche
Quadraturmodulator nicht im Quasimikrowellenband verwendet werden
kann.
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Obwohl der Stromverbrauch des herkömmlichen
Quadraturmodulators gering ist, ist andererseits eine hohe Fertigungsgenauigkeit
für das
Muster der Dünnfilmschaltung
erforderlich, die zur Bildung des 90-Grad-Phasenschiebers 112 vom
Interdigitaltyp auf dem Substrat 111 verwendet wird. Somit
ist nachteilig, daß dieser
Quadraturmodulator teuer wird und ein komplizierter Aufwand beim
Bonden erforderlich ist, um die sehr schmalen Muster miteinander
zu verbinden, indem ein feiner Draht, z. B. ein Golddraht, zum Einsatz
kommt. Darüber
hinaus bestehen weitere Nachteile. Das heißt, da die integrierten Halbleiterschaltungschips
der Substrate 111, 118 und die Zweiphasenmodulatoren 114, 115 mit
dem Gehäuse durch
haftendes Lötmaterial
verbunden sind, sind sehr aufwendige Arbeiten erforderlich. Außerdem wären die
Kosten und das Volumen dieses Quadraturmodulators erhöht.
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Wird ferner der Phasenschieber des
herkömmlichen
Quadraturmodulators von 6 auf
der integrierten Halbleiterschaltung hergestellt, ist es schwierig,
die Spiralspule mit einer erwünschten Konstante
aufzubauen. Da also ein "empirisches" Verfahren zwangsläufig erforderlich
ist, um die erwünschte
Spiralspule herzustellen, besteht ein weiterer Nachteil darin, daß ein langwieriger
Gestaltungsprozeß notwendig
ist. Da zudem starke Schwankungen der Konstanten der Spiralspule
und des Kondensators vom MIM-Typ infolge der integrierten Schaltung
selbst vorhanden sind, schwankt die resultierende 90-Grad-Phasendifferenz
stark. Beim Aufbau einer Spiralspule mit einer Konstante von mehreren hundert
nH ist weiterhin eine große
Fläche
erforderlich, was Probleme verursa chen kann, daß das Gesamtvolumen dieses
Quadraturmodulators erhöht
ist und hohe Kosten für
ihn notwendig sind.
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Wie die Kennlinie von 7 zeigt, hat außerdem der
Phasenschieber des herkömmlichen
Quadraturmodulators Fehler innerhalb von ± 2° im Frequenzbereich von 700
MHz bis 2 GHz.
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Unter Berücksichtigung der Schwankung würden die
Gesamtfehler weiter steigen. Ferner wäre eine Bandbreite von 1,3
GHz, in der eine gewünschte Phasenverschiebung
erreicht werden könnte,
eine ungenügende
Bandbreite angesichts verschiedener Anwendungen im Quasimikrowellenband.
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Die Erfindung kam zustande, um die
verschiedenen o. g. Probleme zu lösen, weshalb eine Aufgabe darin
besteht, einen Quadraturmodulator bereitzustellen, der den Umlauf
eines Eingangssignals zu einem Ausgangsanschluß reduzieren kann, wobei ein
Eingangspegel über
eine große
Frequenzbandbreite eines solchen Hochfrequenzbands wie eines Quasimikrowellenbands
geringer ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist, einen kompakten und billig produzierten Quadraturmodulator
bereitzustellen. Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
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Da erfindungsgemäß der 90-Grad-Phasenschieber
aus dem Mehrschichtsubstrat aufgebaut ist und die integrierte Halbleitermodulatorschaltung,
die die Zweiphasenmodulationsschaltung enthält, auf diesem Mehrschichtsubstrat
angeordnet ist, kann der gesamte Quadraturmodulator innerhalb derselben Fläche wie
das Mehrschichtsubstrat gebildet sein. Da zudem der 90-Grad-Phasenschieber
durch die verteilte Koppelschaltung im Mehrschichtsubstrat angeordnet
ist, lassen sich sowohl die Phasenfehler als auch die Differenz
zwischen dem Durchgangsverlust und dem Koppelverlust des 90-Grad-Phasenschiebers über ein
breites Hochfrequenzband senken.
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Diese Aufgaben sowie weitere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden näheren Beschreibung
der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher
hervor. Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild eines Beispiels für
einen herkömmlichen
Quadraturmodulator;
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2 ein
schematisches Blockschaltbild eines weiteren herkömmlichen
Quadraturmodulators, der durch einen Bipolartransistor in Form einer
integrierten Halbleiterschaltung hergestellt ist;
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3 ein
schematisches Blockschaltbild eines weiteren herkömmlichen
Quadraturmodulators, der durch einen Verbindungshalbleiter in Form
einer integrierten Halbleiterschaltung hergestellt ist;
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4 schematisch
die Schaltungsanordnung eines weiteren herkömmlichen Quadraturmodulators
mit einer Phasenfehler-Korrektureinrichtung;
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5 schematisch
die Schaltungsanordnung eines weiteren herkömmlichen Quadraturmodulators,
der mit einem 90-Grad-Phasenschieber versehen
ist, der aus einer passiven Schaltung aufgebaut ist;
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6 ein
schematisches Schaltbild eines aus einem passiven Element aufgebauten
Phasenschiebers, der in einem weiteren herkömmlichen Quadraturmodulator
zum Einsatz kommt;
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7 eine
grafische Darstellung des Diagramms der Phasen-Frequenz-Kennlinie
des Phasenschiebers von 6;
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8 eine
Perspektivansicht eines Quadraturmodulators gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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9 eine
Draufsicht auf die erste Schicht des Substrats, das im Quadraturmodulator
von 8 verwendet wird; 10 eine Draufsicht auf die
m-te Schicht des Substrats, das im Quadraturmodulator von 8 verwendet wird; 11 eine Draufsicht auf die
(m+1)-te Schicht des Substrats, das im Quadraturmodulator von 8 verwendet wird;
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12 eine
Draufsicht auf die (n+1)-te Schicht des Substrats, das im Quadraturmodulator von 8 verwendet wird;
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13 ein
schematisches Schaltbild des Quadraturmodulators von 8;
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14 eine
grafische Darstellung einer Kennlinie des Durchgangsverlusts und
Koppelverlusts im Quadraturmodulator von 8;
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15 eine
grafische Darstellung einer Kennlinie der Durchgangsausgabe, Koppelausgabe und
Phasendifferenz im Quadraturmodulator von 8; und
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16 eine
Draufsicht auf einen weiteren Quadraturmodulator gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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Im folgenden werden Quadraturmodulatoren gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung näher
beschrieben.
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8 ist
eine Perspektivansicht eines Quadraturmodulators gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung. 9 bis 12 sind Draufsichten, die
verschiedene Schichten des Substrats von 8 darstellen.
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Wie 8 schematisch
zeigt, ist der Quadraturmodulator gemäß dieser Ausführungsform
hauptsächlich
gebildet durch ein Mehrschichtsubstrat 1, in das ein 90-Grad-Phasenschieber
eingebaut ist, eine integrierte Halbleitermodulatorschaltung 2,
in die zwei Sätze
aus Zweiphasenmodulatoren und eine Ausgangssignal-Synthetisierschaltung
eingebaut sind, und einen Deckel 24.
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Das Mehrschichtsubstrat 1 ist
aus n Substratschichten aufgebaut, d. h. eine erste Substratschicht
(oberste Schicht) 1l bis eine n-te
Substratschicht (unterste Schicht) 1n .
Eine Verdrahtungsebene ist aus einer (n-1)-ten Schicht aufgebaut.
Eine auf der ersten Substratschicht 1l gebildete
Oberflächenschicht
entspricht einer Schicht zur Montage einer integrierten Halbleiterschaltung
oder einer Schicht zum Verbinden des Substrats mit der integrierten
Halbleiterschaltung. Wie die Draufsicht von 9 zeigt, ist in der ersten Substratschicht 1l folgendes gebildet: ein rechtwinkliges
Verdrahtungsmuster 3, jeweilige inselförmige Verdrahtungsmuster 5,
die um dieses rechtwinklige Verdrahtungsmuster 3 gebildet
sind, und ein Muster 6, das eine schmale Breite hat und entlang
dem Umfangsabschnitt dieses Substrat gebildet ist und das den Deckel 24 abdichten
kann. Ferner sind Kontaktlöcher 4 an
vorbestimmten Positionen des Verdrahtungsmusters 3 und
Verdrahtungsmusters 5 gebildet, um mit der darunterliegenden Substratschicht
elektrisch verbunden zu sein.
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Dadurch ist die integrierte Halbleiterschaltung 2 auf
dem Verdrahtungsmuster 3 der ersten Substratschicht 1l ange ordnet und befestigt, und eine Anschlußkontaktstelle
der integrierten Halbleiterschaltung 2 ist mit dem entsprechenden
Verdrahtungsmuster 3 oder 5 mit Hilfe eines Bonddrahts (Verdrahtungsleitung) 7,
z. B. Gold, verbunden (siehe 8).
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An einem Seitenabschnitt und einem
Bodenabschnitt des Mehrschichtsubstrats 1 sind Trägersignal-Eingangsanschlüsse 8a und 8b,
vier Eingangsanschlüsse 9a bis 9d für Modulationssignale
(wobei 8 nur zwei Eingangsanschlüsse 9a und 9b zeigt) und
zwei Hochfrequenz-Masseanschlüsse 10a und 10b (wobei 8 nur einen Masseanschluß 10a zeigt)
als Verdrahtungsmusterformen gebildet. Ferner sind fünf Masseanschlüsse 11a bis 11e (wobei 8 nur zwei Masseanschlüsse 11b und 11c zeigt), ein
Stromversorgungsanschluß 12 (nicht
in 8 gezeigt) und ein
Ausgangsanschluß 13 in
den Verdrahtungsmustern am Seitenabschnitt und Bodenabschnitt dieses
Mehrschichtsubstrats gebildet.
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Zu beachten ist, daß Bezugszahlen
der o. g. jeweiligen Anschlüsse,
die in Klammern angegeben sind, Anschlüsse bezeichnen, die über die
Kontaktlöcher 4 mit
dem Verdrahtungsmuster 5 in der Draufsicht der ersten Schicht
von 9 verbunden sind. Außerdem sind
die Masseanschlüsse 11a bis 11e über die
Kontaktlöcher 4 im
Verdrahtungsmuster 3 verbunden.
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Gemäß der Draufsicht von 10 sind sowohl ein im wesentlichen
U-förmiges
Verdrahtungsmuster 14, von dem ein Ende mit dem o. g. Trägersignal-Eingangsanschluß 8a verbunden
ist, als auch ein weiteres Verdrahtungsmuster 15, von den
ein Ende mit dem o. g. Stromversorgungsanschluß 12 verbunden ist,
in der m-ten Schicht auf dem m-ten Substrat 1m gebildet,
die einer Zwischenschicht des Mehrschichtsubstrats 1 entspricht.
Ferner sind Kontaktlöcher 16 in
beiden Enden des Verdrahtungsmusters 14 gebildet, und Kontaktlöcher 17 sind
in beiden Enden des Verdrahtungsmusters 15 gebildet.
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Wie die Draufsicht von 11 zeigt, ist ein Verdrahtungsmuster
18 zum Verbinden zweier Kontaktlöcher,
von dem ein Ende mit dem Trägersignal-Eingangsanschluß 8b verbunden
ist, auf einer (m+1)-ten Schicht des (m+1)-ten Substrats 1m+l des Mehrschichtsubstrats 1 verbunden.
Ein Verdrahtungsabschnitt 18a, der an einem Mittelabschnitt
des Substrats die ses Verdrahtungsmusters 18 liegt, ist
an einem Verdrahtungsabschnitt 14a gebildet, der an einem
Mittelabschnitt des Substrats 1m und
einer Position nahe dem Substrat in senkrechter Richtung liegt. Diese
Verdrahtungsmuster 14a und 18a bilden den 90-Grad-Phasenschieber,
der aus verteilten Koppelschaltungen mit Längen von etwa λg/4 hergestellt
ist. Zu beachten ist, daß "λg" eine Wellenlänge auf einer Signalleitung
bezeichnet, die durch eine Dicke und die dielektrische Konstante
eines Substrats bestimmt ist. Allgemein gesagt ist eine Wellenlänge einer
Mittenfrequenz im verwendeten Frequenzbereich als diese Wellenlänge "λg" ausgewählt.
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Gemäß der Draufsicht von 12 sind ferner ein Verdrahtungsmuster 20,
das mit den jeweiligen Masseanschlüssen 11a bis 11e verbunden
ist, und ein Verdrahtungsmuster 22, das mit den o. g. Anschlüssen 8a, 8b, 9a bis 9d, 10a, 10b, 12 und 13 verbunden
ist, auf einer (n+1)-ten Schicht einer Unterseite des n-ten Substrats 1n (d. h. der untersten Schicht) des
Mehrschichtsubstrats 1 vorgesehen. Ein Kontaktloch 21,
das zum elektrischen Verbinden mit der oberen Substratschicht dient,
ist im Verdrahtungsmuster 20 hergestellt, während ein
Kontaktloch 23, das zum Verbinden mit der oberen Substratschicht
dient, im Verdrahtungsmuster 22 gebildet ist.
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Die Anschlüsse 8a, 8b, 9a bis 9d, 10a, 10b, 11a bis 11e, 12 und 13 sind
auf dem Mehrschichtsubstrat 1 gebildet, das aus den Verdrahtungsschichten 1 bis
(n+1) der Substrate 1l bis 1n mit den o. g. Strukturen aufgebaut
ist. Nachdem die integrierte Halbleiterschaltung 2 auf
dem Mehrschichtsubstrat 1 angeordnet und damit verbunden
wurde, wird gemäß 8 der Deckel 24 aufgesetzt,
damit er die integrierte Halbleiterschaltung 2 und die
Bonddrähte 7 schützt. Alternativ
kann zum Schutz der integrierten Halbleiterschaltung 2 und
der Bonddrähte 7 statt
dieses Deckels 24 ein Harzmaterial aufgetragen werden.
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Eine Schaltung des Quadraturmodulators mit
der o. g. Struktur gemäß dieser
ersten Ausführungsform
ist als Schaltbild in 13 dargestellt.
Zu beachten ist, daß gleiche
Bezugszahlen wie in 8 bis 12 zur Bezeichnung gleicher
oder ähnlicher Schaltungselemente
in 13 verwendet werden.
In
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13 verfügt die integrierte
Halbleiterschaltung 2 über
Mischer 26a, 26b, die einen Zweiphasenmodulator
bilden, und eine Synthetisier- (Kombinier-) Schaltung 27.
In 13 sind der Stromversorgungsanschluß 12 und
die Masseanschlüsse 11a bis 11e weggelassen.
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Im folgenden werden Operationen dieses Quadraturmodulators
anhand von 13 beschrieben.
Ein Trägersignal
wird in einen der Eingangsanschlüsse 8a und 8b eingegeben,
und der andere Eingangsanschluß ist über einen
Endwiderstand und einen Kondensator mit der Masseebene verbunden, wodurch
er im Hinblick auf den Hochfrequenzschaltungsaufbau an Masse gelegt
ist. Das vom Eingangsanschluß 8a oder 8b zugeführte Trägersignal
wird durch die verteilte Koppelschaltung, die aus den o. g. Verdrahtungsmustern 14 und 18 aufgebaut
ist, in zwei (ein erstes und ein zweites) Trägersignal mit voneinander um
90 Grad abweichenden Phasen aufgeteilt, wonach diese aufgeteilten
Trägersignale
zu den Mischern 26a und 26b geführt werden.
Im Mischer 26a wird das eingegebene erste Trägersignal
mit ersten Modulations- (Modulier-) Signalen multipliziert, die
zueinander entgegengesetzte Phasen haben und von den Eingangsanschlüssen 9c und 9d zugeführt werden.
Im Mischer 26b wird das zweite Trägersignal mit einer gegenüber dem
ersten Trägersignal
um 90 Grad verschobenen Phase mit zweiten Modulations- (Modulier-)
Signalen multipliziert, die zueinander entgegengesetzte Phasen haben
und von den Eingangsanschlüssen 9a und 9b zugeführt werden.
Die Bezugszahlen 10a und 10b stellen Kondensatoren
dar, die im Hinblick auf den Hochfrequenzschaltungsaufbau an Masse
gelegt sind.
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Die Synthetisierschaltung 27 synthetisiert das
Zweiphasenmodulations- (modulierte) Signal, das von den Mischern 26a und 26b durch
Multiplikation erhalten wird, und die resultierenden phasenmodulierten
Vierphasensignale werden vom Ausgangsanschluß 13 ausgegeben.
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14 ist
ein Diagramm einer Kennlinie von Durchgangsverlust und Koppelverlust
im Quadraturmodulator dieser ersten Ausführungsform. Auf der Abszisse
von 14 ist die Frequenz
aufgetragen, während
ihre Ordinate die Verstärkung
und Isolierung darstellt. In dieser grafische Darstellung zeigt eine
Kurve "I" die Verstärkung (Durchgangsverlust) des
Signalübertragungswegs,
die vom Trägersignal-Eingangsanschluß 8a (8b)
zum Eingangsanschluß des
Mischers 26b (26a) erreicht wird, eine weitere
Kurve "II" zeigt die Isolierung
(Koppelverlust) zwischen beiden Eingangsanschlüssen der Mischer 26a und 26b,
und noch eine weitere Kurve "III" stellt einen Koppelbetrag
eines Signals vom Eingangsanschluß 8a (8b)
zum Mischer 26a (26b) unter der Bedingung dar,
daß die
Mittenfrequenz mit 2,4 GHz ausgewählt ist.
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Andererseits zeigt 15 ein weiteres Diagramm, in dem die
Ordinate eine Phasendifferenz zwischen einer Durchgangsausgabe und
einer Koppelausgabe in dieser ersten Ausführungsform angibt. Das heißt, diese
Ordinate zeigt eine Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen,
die zu den Eingangsanschlüssen
der Mischer 26a und 26b geführt werden. Auf der Abszisse
ist die Frequenz aufgetragen.
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Wie aus den Kurven I und III von 14 hervorgeht, entspricht
die Frequenzbandbreite, in der die Differenz zwischen Durchgangsverlust
und Koppelbetrag unter 1 dB liegt, 1,25 GHz in der Festlegung von
1,85 GHz bis 3,10 GHz. Hierbei ist eine Winkelverschiebung gegenüber 90 Grad
in der Phasendifferenz zwischen Durchgangsausgabe und Koppelausgabe
kleiner oder gleich 1 Grad, was 15 zeigt.
Aus dieser Beschreibung ließe
sich ableiten, daß der
zuvor erläuterte
Quadraturmodulator gemäß der ersten
Ausführungsform über einen
solchen breiten Frequenzbereich betriebsfähig ist. Wie die Grafik von 15 zeigt, entspricht außerdem die Frequenzbandbreite,
in der die Winkelverschiebung gegenüber 90 Grad in der zuvor erläuterten
Phasendifferenz kleiner oder gleich 2 Grad wird, etwa 3 GHz, d.
h. diese Frequenzbandbreite ist viel größer als die des herkömmlichen
Quadraturmodulators.
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Zu beachten ist in diesem Meßbeispiel,
daß gemäß der Kurve
III von 14 der maximale
Koppelbetrag etwa –3,5
dB beträgt,
während
der minimale Durchgangsverlustbetrag etwa –3 dB ist, was die Kurve I
zeigt. Ist die Differenz zwischen dem maximalen Koppelbetrag und
minimalen Durchgangsverlustbetrag mit 1 dB ausgewählt, damit
der maximale Koppelbetrag größer als
diese Differenz wird, wird eine Bandbreite, in der die Differenz
zwischen Durchgangsverlust und Koppelbetrag kleiner oder gleich
1 dB ist, groß,
so daß es
möglich
ist, einen 90-Grad-Phasenschieber aufzubauen, der über das Quasimikrowellenband
ab 1 GHz betreibbar ist, wobei wenige Eingangssignale um das Ausgangssignal umlaufen.
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Da gemäß der ersten Ausführungsform,
wie 8 zeigt, der Quadraturmodulator
durch Einbau des 90-Ghrad-Phasenschiebers unter Verwendung des Mehrschichtsubstrats 1 und
auch durch Einbau zweier Sätze
von Zweiphasenmodulatoren und der gleichphasigen Ausgangssignal-Synthetisierschaltung
unter Verwendung der integrierten Halbleitermodulatorschaltung 2 angeordnet
ist, lassen sich der 90-Grad-Phasenschieber, der integrierte Halbleitermodulatorschaltungschip
und andere Verdrahtungsmuster auf derselben Fläche fertigen. Außerdem können das
Mehrschichtsubstrat und das Gehäuse
in einen Körper
eingebaut sein. Somit läßt sich
im Vergleich zum herkömmlichen
Quadraturmodulator ein kompakterer Quadraturmodulator billig herstellen, der
mit niedrigem Stromverbrauch betreibbar ist.
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Im folgenden wird ein Quadraturmodulator gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. In 16 ist
der Quadraturmodulator der zweiten Ausführungsform in Draufsicht gezeigt. Gemäß dieser
zweiten Ausführungsform
ist ein 90-Grad-Phasenschieber aus einem Zweischichtsubstrat aufgebaut,
und da die zweite Schicht die Masseebene bildet, ist ein Verdrahtungsmuster
nur auf der ersten Schicht geformt. 16 stellt
das auf dieser ersten Schicht gebildete Verdrahtungsmuster dar. Anders
ausgedrückt
ist auf einem ersten Substrat 311 folgendes
gefertigt: eine integrierte Halbleitermodulatorschaltung 32 zum
Einbau zweier Sätze
aus Zweiphasenmodulatoren und der gleichphasigen Ausgangssignal-Synthetisier-
(Kombinier-) Schaltung darin, ein rechtwinkliges Verdrahtungsmuster 33 sowie inselförmige Verdrahtungsmuster 34a bis 38,
die um dieses rechtwinklige Verdrahtungsmuster 33 getrennt
gebildet sind. Ferner sind Verdrahtungsmuster 39 bis 41 und
ein Bereich 43, der eine schmale Breite hat und ent lang
der Umfangskante dieses ersten Substrats 311 gebildet
ist, auf dem ersten Substrat 311 gebildet.
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Gemäß 16 ist die integrierte Halbleiterschaltung 32 auf
dem Verdrahtungsmuster 33 angeordnet und befestigt, und
die Verdrahtungsmuster 34a bis 38, die den Anschlußkontaktstellen
der integrierten Halbleiterschaltung 32 entsprechen, sind durch
Bonddrähte 44,
z. B. Gold, verbunden. In dieser Ausführungsform ist zu beachten,
daß die
Verdrahtungsmuster 34a und 34b Verdrahtungsmuster sind,
die mit einem Eingangsabschluß eines
ersten Modulationssignals zu verbinden sind, und die Verdrahtungsmuster 35a und 35b Verdrahtungsmustern entsprechen,
die mit einem Eingangsanschluß eines zweiten
Modulationssignals zu verbinden sind. Ferner ist das Verdrahtungsmuster 36 ein
Verdrahtungsmuster, das mit einem Stromversorgungsanschluß zu verbinden
ist, die Verdrahtungsmuster 37a und 37b entsprechen
Verdrahtungsmustern, die mit einem Hochfrequenz-Masseanschluß zu verbinden sind,
und das Verdrahtungsmuster 38 ist ein Verdrahtungsmuster,
das mit einem Ausgangsanschluß zu verbinden
ist. Wie schwarze Vollkreise in 16 zeigen,
sind Kontaktlöcher
in den Kantenabschnitten dieser Verdrahtungsmuster auf der Substratseite
gebildet.
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Ein weiteres Verdrahtungsmuster 39,
von dem ein Ende über
ein Kontaktloch 45 mit einem Eingangsanschluß eines
ersten Trägersignals
verbunden ist und von dem das andere Ende über einen Bonddraht 46 mit
einer vorgewählten
Anschlußkontaktstelle
der integrierten Halbleitermodulatorschaltung verbunden ist, hat
einen schmalen Mittelabschnitt und ist zickzackförmig ausgebildet. Andererseits
ist bei einem weiteren Verdrahtungsmuster 40 ein Ende über ein
Kontaktloch 47 mit einem Eingangsanschluß eines
zweiten Trägersignals
verbunden, und das andere Ende liegt an einem Mittelabschnitt des
Substrats und hat eine schmale Breite, was mit der Bezugszahl 40a angegeben
ist. Ein Ende eines Verdrahtungsmusters 41 hat eine schmale Breite
und liegt ebenfalls an einem Mittelabschnitt des Substrats (durch
die Bezugszahl 41a dargestellt), während das andere Ende dieses
Verdrahtungsmusters 41 eine große Breite hat und über einen
Bonddraht 48 mit einer vorbe stimmten Anschlußkontaktstelle
der integrierten Halbleitermodulatorschaltung 32 verbunden
ist.
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Die Endabschnitte 40a und 41a der
am o. g. Mittelabschnitt des Substrats liegenden Verdrahtungsmuster
sind über
einen Bonddraht 42 miteinander verbunden. Außerdem sind
sowohl das Verdrahtungsmuster 40 als auch das Verdrahtungsmuster 41 benachbart
zu einem Abschnitt des Verdrahtungsmusters 39 getrennt
positioniert. Dadurch bilden die Verdrahtungsmuster 39, 40 und 41 den 90-Grad-Phasenschieber
durch die verteilte Koppelschaltung vom Seitenkoppeltyp.
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In diesem zweiten Quadraturmodulator
ist der Eingangsanschluß für das erste
Trägersignal oder
der Eingangsanschluß für das zweite
Trägersignal über den
Endwiderstand und den Kondensator im Hinblick auf den Hochfrequenzschaltungsaufbau ähnlich an
Masse gelegt, und das vom anderen Eingangsanschluß eingegebene
Trägersignal
wird in zwei Arten von Trägersignalen
mit voneinander um 90 Grad abweichenden Phasen durch den 90-Grad-Phasenschieber
aufgeteilt, der durch die o. g. verteilte Koppelschaltung aufgebaut
ist. Danach werden diese aufgeteilten Trägersignale zur integrierten
Halbleitermodulatorschaltung 32 geführt, um moduliert zu werden.
Schließlich
werden die modulierten Trägersignale über das
Verdrahtungsmuster 38 zum Ausgangsanschluß als quadraturmodulierte Signale
ausgegeben.
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Obwohl dies in 16 nicht gezeigt ist, kann der Zweckmäßigkeit
halber die Oberfläche
der ersten Schicht 311 mit einem
Deckel abgedeckt oder mit einem Harzmaterial beschichtet sein, um
die integrierte Halbleitermodulatorschaltung 32, die verschiedenen Verdrahtungsmuster
und die Drähte ähnlich wie
in der ersten Ausführungsform
zu schützen.
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Da gemäß der zweiten Ausführungsform
nur eine Schicht verfügbar
ist, um das Verdrahtungsmuster darauf zu bilden, ist der Quadraturmodulator
dieser zweite Ausführungsform
von sich aus nicht so kompakt. Da aber nur zwei Musteroberflächen eines einzelnen
Substrats vorhanden sind, d. h. die Vorder-und Rückseite, können die Herstellungskosten des
zweiten Quadraturmodulator gegenüber
dem ersten Quadraturmodulator gesenkt sein.
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Verständlich sollte sein, daß obwohl
die zuvor beschriebenen Quadraturmodulatoren der ersten und zweiten
Ausführungsform
im Quasimikrowellenband arbeitsfähig
sind, diese Modulatoren im Mikrowellenband genutzt werden können. Außerdem ist die
Erfindung nicht auf die in den o. g. Ausführungsformen beschriebenen
Verdrahtungsmuster beschränkt,
z. B. sind die Formen der Verdrahtungsmuster 3 und 33 nicht
auf die zuvor beschriebenen rechtwinkligen Muster beschränkt. Nur
weil angestrebt ist, das Verdrahtungsmuster 14 mit der
Länge λg/4 in einer
kleinen Fläche
unterzubringen, ist die Form dieses Verdrahtungsmusters 14 beschreibungsgemäß im wesentlichen
U-förmig.
Steht alternativ eine größere Fläche zum
Unterbringen des Verdrahtungsmusters zur Verfügung, ist die Form dieses Verdrahtungsmusters
gerade, denn ein solches gerades Verdrahtungsmuster kann bessere
Kennwerte als im U-förmigen
Muster erreichen. Ähnlich
läßt sich dieser
Gedanke auf die Form des Verdrahtungsmusters 39 anwenden.
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Wie zuvor näher beschrieben wurde, ist
gemäß dem Quadraturmodulator
der Erfindung der 90-Grad-Phasenschieber im Mehrschichtsubstrat durch
Einsatz einer verteilten Koppelschaltung mit einem kleinen Phasenfehler
und einer kleinen Differenz zwischen dem Durchgangsverlust des 90-Grad-Phasenschiebers
und seinem Koppelbetrag vorgesehen. Dadurch läßt sich ein solcher Quadraturmodulator
realisieren, daß der
Eingangspegel im Hochfrequenzband, z. B. im Quasimikrowellenband, über einen
breiten Bereich gering ist und daß zudem wenige Eingangssignale
um den Ausgangsanschluß umlaufen.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß die integrierte Halbleitermodulatorschaltung,
die die Quadraturmodulatorschaltungseinheit enthält, auf dem Mehrschichtsubstrat
zum Aufbau des 90-Grad-Phasenschiebers angeordnet, so daß der gesamte
Quadraturmodulator innerhalb derselben Fläche als Mehrschichtsubstrat
gefertigt ist. Somit läßt sich
ein kompakter Quadraturmodulator billig herstellen und mit geringerem
Stromverbrauch betreiben.