KR20110064892A - Iq inverse quantization digital vector modulator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 IQ(INVERSE QUANTIZATION) 디지털 벡터 변조기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 별도의 A/D변환기 없이 완전한 디지털 제어가 가능하도록 하되, nMOS 스위치를 이용하여 삽입손실을 최소화하는 수동형 회로를 구성한 IQ 디지털 벡터 변조기를 제공하며, 벡터 분포의 균일성을 향성시킴과 아울러, 특정 위상에서의 진폭 변조에 의한 벡터 오차를 최소화 하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to an IQ (INVERSE QUANTIZATION) digital vector modulator, and more specifically, to enable full digital control without a separate A / D converter, IQ digital is composed of a passive circuit that minimizes insertion loss by using an nMOS switch. A vector modulator is provided, which improves uniformity of vector distribution, and minimizes vector error caused by amplitude modulation in a specific phase.
위상 배열 시스템(phased array systems)이나 캐리어 변조(carrier modulation)를 수행하는 고주파 시스템의 경우, 신호의 위상 및 진폭의 제어를 가능하도록 하는 가변 위상 변위기와 가변 감쇠기(혹은 가변 증폭기) 또는 벡터 변조기를 내부에 가지고 있다.For high frequency systems that perform phased array systems or carrier modulation, variable phase shifters and variable attenuators (or variable amplifiers) or vector modulators that allow control of the phase and amplitude of the signal are internal. To have.
위상 배열 시스템의 경우, 빔(beam)을 형성하기 위해 배열 안테나를 구성한다. 이 때, 수 백 혹은 수 천개 이상의 벡터 변조기가 사용된다. 이러한 대량의 회로를 신뢰성 있고 효율적으로 제어하기 위해서 디지털 방식의 제어가 되는 것이 유리하다.In the case of a phased array system, an array antenna is configured to form a beam. At this time, hundreds or thousands of vector modulators are used. In order to reliably and efficiently control such a large amount of circuits, it is advantageous to be digitally controlled.
오늘날까지 벡터 변조기는 반도체 기술을 기반으로 한 트랜지스터를 사용하여 구현이 되어 왔으나, 위상 및 진폭 제어를 주로 아날로그 방식에 의존한 상태에서 연구 및 개발이 진행되어 왔다.To date, vector modulators have been implemented using transistors based on semiconductor technology, but research and development have proceeded with phase and amplitude control relying mainly on analog methods.
[Mahesh Kumar, Raymond J. Menna, Ho-Chung Huang, "Broad-Band Active Phase Shifter Using Dual-Gate MESFET," IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, vol. 29, no. 10, pp. 1098??1102, Oct. 1981]. 이 보고서에서는 도 1a에서 명시된 바와 같이, 입력부(102)를 통해 신호를 받아 밸런스 신호 생성기(180o Balun)(103)을 통해 차동 신호를 만들고 각각의 신및호가 3 dB 방향성 커플러(3 dB Directional coupler)(104)를 거치게 되면, 0o, 90o, 180o 및 270o 의 직교 신호가 생성이 된다.Mahesh Kumar, Raymond J. Menna, Ho-Chung Huang, "Broad-Band Active Phase Shifter Using Dual-Gate MESFET," IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, vol. 29, no. 10, pp. 1098 ?? 1102, Oct. 1981]. In this report, as indicated in FIG. 1A, a signal is received via the
이들 신호는 각각 다음단의 가변 이득 증폭기(105)를 통해 진폭을 조절하게 되고, 진폭이 변조된 0o, 90o, 180o 및 270o 의 직교 신호는 IQ 벡터를 합성하기 위해 4-방향 전력 결합기(4-way power combiner)(106)를 거치게 되어 출력부(107)로 최종 신호가 나타난다.Each of these signals is then amplitude controlled via a variable gain amplifier 105 in the next stage, and the quadrature signals of amplitude modulated 0 o , 90 o , 180 o and 270 o are used in four-way power to synthesize IQ vectors. A 4-
도 1b 는 예시로 생성된 벡터를 나타내며, 네 개의 직교 성분의 신호(109a, 109b, 109c 및 109d)가 합성되어 최종 벡터 신호(110)가 생성된다. 이러한 방식은 4개의 가변 이득 증폭기를 사용해야 하므로 복잡한 위상 배열 시스템을 구성하려면 D/A 변환기의 복잡도나 전력 소모 등에 불리하고, 네 개의 직교 신호를 생성 및 합성하기 위해 거대한 수동 소자가 많이 사용이 된다.1B shows an example generated vector, in which signals of four
[Seward T. Salvage, Edward E. Messer, Jr., "MONOLITHIC VECTOR MODULATOR/COMPLEX WEIGHTING USING ALL-PASS NETWORK," US Patent, no. 4,806,888. Feb. 1989]. 이 보고서에서는 도 2a 에서 명시된 바와 같이, 입력부(202)로 신호를 받아 밸런스 IQ 신호 생성기로서 전대역 네트워크 (All-pass network)(203)를 사용하였다.Seward T. Salvage, Edward E. Messer, Jr., "MONOLITHIC VECTOR MODULATOR / COMPLEX WEIGHTING USING ALL-PASS NETWORK," US Patent, no. 4,806,888. Feb. 1989]. In this report, as indicated in FIG. 2A, an all-
생성된 신호는 두 개의 차동 증폭기(204a 및 204b)를 거쳐 네 개의 직교 신호가 생성이 되고, 각각 감쇠기(205)를 거치면서 진폭 변조가 이루어진 네 개의 직교 신호(206a, 206b, 206c 및 206d)가 4-방향 전력 결합기(207)를 통해 출력부(208)에 최종 신호가 나타나게 된다.The generated signal is generated by four orthogonal signals through two
도 2b 는 예시로 생성된 벡터를 나타내며, 네 개의 직교 성분의 신호(209a, 209b, 209c 및 209d)가 합성되어 최종 벡터 신호(210)가 생성된다. 이 방식은 네 개의 이중 게이트 (dual gate) MESFET을 사용하므로 역시 아날로그 제어를 하게 된다.2B shows an example generated vector, in which signals of four
[Pei-Si Wu, Hong-Yeh Chang, Ming-Da Tsai, Tian-Wei Huang, Huei Wang "New Miniature 15-20 GHz Continuous-Phase/Amplitude Control MMICs Using 0.18-um CMOS Technology," IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, vol. 52, no. 1, pp. 10??20, Jan. 2006]. 이 보고서에서는 도 3 및 도 4 에 명시된 구조를 제시하였다.Pei-Si Wu, Hong-Yeh Chang, Ming-Da Tsai, Tian-Wei Huang, Huei Wang "New Miniature 15-20 GHz Continuous-Phase / Amplitude Control MMICs Using 0.18-um CMOS Technology," IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, vol. 52, no. 1, pp. 10 ?? 20, Jan. 2006]. This report presents the structure shown in FIGS. 3 and 4.
먼저, 도 3a 은 입력부(302)로 신호를 받아 밸런스 신호 생성기 (180o Balun)(303)을 통해 차동 신호를 만들고 각 신호를 1차 가변 이득 증폭기(304)를 통해 변조를 하게 된다.First, FIG. 3A receives a signal from the
변조된 신호를 3 dB 방향성 커플러(305)를 지난 후, 다시 2차 가변 이득 증폭기(306)를 지나면 최종 신호(307a 및 307b)가 생성되며 이를 2-방향 전력 결합기(308)를 통과시켜 출력부(309)로 신호를 얻는다. 1차 및 2차 이득 증폭기의 이득을 적절히 제어하여 벡터의 위상과 진폭을 결정할 수 있다.After the modulated signal has passed the 3 dB
도 3b 는 예시로 생성된 벡터를 나타내며, 네 개의 직교 성분의 신호 크기는 각 1, 2차 가변 이득 증폭기의 이득 조절로 결정이 된다. 두 개의 1차 이득 증폭기(304)의 이득 A1 이 A3 보다 큰 경우라면, 2차 이득 증폭기(306)를 거치면 신호(310a 및 310b)로 나타나고, 2-방향 전력 결합기를 거치면 (312)와 같은 신호가 생성된다.3B shows an example generated vector, and the signal magnitudes of four quadrature components are determined by gain adjustment of each primary and secondary variable gain amplifiers. If gain A 1 of the two
반대로 두 개의 1차 이득 증폭기(304)의 이득 A1 이 A3 보다 작은 경우라면, 2차 이득 증폭기(306)를 거치면 신호(312a 및 312b)로 나타나고, 2-방향 전력 결합기를 거치면(313)의 신호가 생성된다. 그러나, 4 개의 가변 이득 증폭기를 아날로그 제어를 하여야 하며, 3 dB 방향성 커플러를 사용해야 한다. Conversely, if the gain A 1 of the two
도 4a 는 입력부(402)로 신호를 받아 밸런스 신호 생성기 (180o Balun)(403)를 통해 차동 신호를 만든 후, 각 신호를 반사형 위상 변위기로서 Varactor(405)가 연결된 3 dB 방향성 커플러(404)를 통해 90o - 180o 및 270o - 360o 의 가변 위상 신 호를 만들게 된다.FIG. 4A illustrates a 3 dB directional coupler connected to the
이를 진폭 변조하기 위해 가변 이득 증폭기(406)를 통과시킨 후, 생성된 신호(407a 및 407b)는 2-방향 전력 결합기(408)를 통해 출력부(409)로 신호를 인가한다. 도 4b 는 예시로 생성된 벡터를 나타내며, 3 dB 방향성 커플러(404)를 통과한 신호(410a 및 410b)는 Varactor 조절에 따른 위상 변화에 따라 각각 1, 3 사분면에 위치하게 되고, 이 두 신호가 각각 가변 이득 증폭기(406)를 통과한 후 결합이 되어 최종 신호 411이 생성된다. 이 방식은 Varactor 및 가변 이득 증폭기의 제어가 아날로그 방식으로 이루어진다. After passing through the variable gain amplifier 406 to amplitude modulate it, the generated
본 발명은, 완전한 디지털 제어가 가능한 IQ 벡터 변조기를 형성하기 위하여 IQ 신호 생성기와 2-방향 전력 결합기 및 디지털 제어가 가능한 위상 변위기와 신호 감쇠기를 사용하였다. 그리고, 벡터 분포의 균일성 및 특정 위상에서 진폭 변조에 의한 벡터 오차를 줄이기 위한 방법을 고안하였다. 또한 디지털 제어가 가능하면서 신호 이득을 향상시킬 수 있는 구조를 제안하였다.The present invention uses an IQ signal generator, a two-way power combiner, a digitally controllable phase shifter and a signal attenuator to form an IQ vector modulator with full digital control. Then, we devised a method for reducing the vector error due to the uniformity of the vector distribution and the amplitude modulation in a specific phase. We also proposed a structure that can improve the signal gain while enabling digital control.
본 발명의 목적은, 별도의 D/A 변환기 (analog-to-digital converter) 없이 완전한 디지털 제어가 가능하며, nMOS 스위치를 이용한 수동형 회로로 구성되는 것으로, IQ 디지털 벡터 변조기를 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide an IQ digital vector modulator, which is capable of full digital control without a separate analog-to-digital converter and consists of a passive circuit using an nMOS switch.
그리고, 본 발명의 또 다른 목적은, 수동형 구조의 단점인 삽입손실을 줄이기 위해 적절한 이득을 가지는 이득 증폭기 (gain amplifier)를 각 I-및 Q-채널에 사용함으로서, IQ 디지털 벡터 변조기를 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is to provide an IQ digital vector modulator by using a gain amplifier for each I- and Q-channel having an appropriate gain in order to reduce the insertion loss which is a disadvantage of the passive structure. .
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 IQ 디지털 벡터 변조기은, 입력부(502)를 통해 인가받은 신호를 0, 90o 의 두 신호로 생성하는 IQ 신호 생성기(503); 두 신호를 각각 0o 및 180o 의 두 위상을 스위칭 하는 180o 디지털 위상 변위기(504a, 504b); 180o 디지털 위상 변위기(504a, 504b)를 통과한 신호들의 진폭을 변화시키는 다중-bit 디지털 감쇠기(505a, 505b); 진폭이 변환된 두 신호(506a, 506b)를 결합시키는 2-방향 전력 결합기(507); 및 결합된 신호를 출력하는 출력부(508); 를 포함한다.The IQ digital vector modulator of the present invention for achieving the technical problem,
상기와 같은 본 발명에 따르면, 아날로그 제어 방식을 가지는 벡터 변조기를 완전한 디지털 제어 방식으로 대체할 수 있게 되므로, D/A 변환기를 사용할 필요가 없다. 따라서, D/A 변환기 등에 의해 보다 복잡해지는 위상 배열 시스템 등을 상당 부분 효율적으로 구성할 수 있도록 하는 효과가 있다.According to the present invention as described above, since it is possible to replace the vector modulator having an analog control scheme to a fully digital control scheme, there is no need to use a D / A converter. Therefore, there is an effect that it is possible to efficiently construct a large part of a phased array system or the like which is more complicated by a D / A converter or the like.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.Specific features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims are to be interpreted in accordance with the technical idea of the present invention based on the principle that the inventor can properly define the concept of the term in order to explain his invention in the best way. It should be interpreted in terms of meaning and concept. It is to be noted that the detailed description of known functions and constructions related to the present invention is omitted when it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily blurred.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 5 는 본 발명에 따른 IQ 디지털 벡터 변조기를 도시한 구성도이고, 도 6 은 도 5 의 기본 구성단위 중 하나인 180o 디지털 위상 변위기(504a, 504b)의 회로도를 나타낸다. 또한, 도 7a 및 7b 는 도 5의 기본 구성단위 중 하나인 낮은 통과 위상 변동을 가지는 1-bit 디지털 감쇠기의 구조를 나타내며, 도 7c 는 도 7a 및 7b 등으로 구성된 n-bit 디지털 감쇠기의 구조를 나타낸다.FIG. 5 is a block diagram illustrating an IQ digital vector modulator according to the present invention, and FIG. 6 is a circuit diagram of 180 o
도 5 의 구조 자체는 아날로그 방식으로 구현하는 한에서는 이미 알려진 구성 방법이나, 완전한 디지털 제어가 가능하도록 하기 위해서는 별도의 방법이 필하며, 이것은 위상 변위기와 감쇠기를 디지털로 제어하여 IQ 벡터 변조기를 구성해야 함을 밝혀둔다.The structure of FIG. 5 itself is a known configuration method as long as it is implemented in an analog manner, but a separate method is required in order to enable full digital control, which must digitally control a phase shifter and an attenuator to configure an IQ vector modulator. To reveal.
도 5 에 도시된 바와 같이, 입력부(502)를 통해 인가받은 신호는 IQ 신호 생성기(503)를 거쳐 0, 90o 의 두 신호를 생성한다. 이 두 신호는 각각 0o 및 180o 의 두 위상을 스위칭 하는 180o 디지털 위상 변위기(504a, 504b)를 통과하고 진폭 변화를 위한 다중-bit 디지털 감쇠기(505a, 505b)를 통과한다. 여기에, 사용된 다중-bit 디지털 감쇠기는 통과 위상 변동이 낮은 특성을 가지도록 구성된다.As shown in FIG. 5, the signal applied through the
이렇게 처리된 두 신호(506a, 506b)는 최종적으로 2-방향 전력 결합기(507)를 거쳐 출력부(508)를 통해 나타나게 된다.The two
도 6 은 도 5 의 180o 디지털 위상 변위기의 회로도를 나타낸다. 입력부(602)에서 신호를 받아 상보적으로 동작하는 스위치(603a 혹은 604a)를 거쳐 각각 고대역 필터(high pass filter)(605) 또는 저대역 필터 (low pass filter)(606)을 거친 후, 다시 상보적으로 동작하는 스위치(603b 혹은 604b)를 거쳐 최종 출력부(611)로 신호가 나오게 된다.FIG. 6 shows a circuit diagram of the 180 ° digital phase shifter of FIG. 5. After passing through a
이때, 스위치(603a, 603b, 604a, 604b)는 각각 nMOS 트랜지스터를 사용하고 각각의 게이트 단자에 높은 직렬 저항(607, 608, 609, 610)을 거쳐 제어 전압을 인가하게 되는데, 스위치(603a 및 604a) 그리고, 스위치(603b 및 604b)는 각각 SPDT (single-pole-double-throw) 스위치와 동일하게 작동하며, 각각 스위치의 제어 전압은 개별적으로 제어가 가능하다.At this time, the
도 7 은 도 5 의 다중-bit 디지털 감쇠기의 세부 회로도 및 전체 구성도를 나타낸 도면이다. FIG. 7 is a detailed circuit diagram and an overall configuration diagram of the multi-bit digital attenuator of FIG. 5.
도 7a 는 Pi-형 디지털 감쇠기 구조를 형성하는 것으로, 입력부(702)와 출력부(708) 사이에 직렬 스위치(703)가 연결되어 있고, 또한 입력부(702)와 출력부(708)에 각각 병렬 스위치(704) 및 이에 직렬 접속된 저항(705)으로 구성된다.FIG. 7A illustrates a Pi-type digital attenuator structure in which a
그리고, 낮은 통과 위상 변동을 가지도록 저대역 통과 필터로서 병렬 캐패시턴스(707)를 사용하였고, 직렬 저항(706)을 양단에 접속하여 원하는 신호 감쇠가 가능하도록 구성되고, 직렬 스위치(703)는 병렬 스위치(704)와 상보적(相補的)으로 동작을 하며, 직렬 스위치(703)가 턴-온(turn-on) 되면 기준 상태로 전환되고, 턴-오프(turn-off) 되면 감쇠 상태로 전환되어 1-bit 디지털 제어가 가능하다.In addition, the
도 7b는 T-형 디지털 감쇠기 구조를 가지는 것으로, 입력부(710)와 출력부(717) 사이에 직렬 스위치(711)가 연결되어 있고, 정합을 위한 저항(714)이 연결되도록 구성되고, 저항(714)의 가운데에 병렬 스위치(712) 및 이에 직렬 접속된 저항(713)으로 구성된다.FIG. 7B has a T-type digital attenuator structure, in which a
그리고, 낮은 통과 위상 변동을 가지도록 저대역 통과 필터로서 병렬 캐패시턴스(716)를 구비하였고, 직렬 저항(715)을 입력부(710)와 출력부(717) 양단에 접속하여 원하는 신호 감쇠가 가능하도록 하였다. 이때, 직렬 스위치(711)는 병렬 스위치(712)와 상보적으로 동작을 하며, 직렬 스위치(711)가 턴-온(turn-on) 되면 기준 상태로 전환되고, 턴-오프(turn-off) 되면 감쇠 상태로 전환되어 1-bit 디지털 제어가 가능하다.A low pass filter has a
도 7c 는 상기한 도 7a 및 도 7b 에 명시된 구조를 1-bit 디지털 감쇠기로 하여, N-bit 디지털 감쇠기를 구성한 것으로, 각각의 1-bit 디지털 감쇠기들 사이에 정합을 위하여 인덕턴스 성분을 삽입하여 구성된다.FIG. 7C is an N-bit digital attenuator using the structure described in FIGS. 7A and 7B as a 1-bit digital attenuator, and inserts an inductance component for matching between each 1-bit digital attenuator. do.
이하, 도 8a 을 참조하여 본 발명에 따른 IQ 디지털 벡터 변조기의 작동 원리에 대해 살피면 아래와 같다.Hereinafter, the operation principle of the IQ digital vector modulator according to the present invention will be described with reference to FIG. 8A.
도 8a 은 180o 디지털 위상 변위기의 위상 변화와 디지털 감쇠기의 진폭 변화에 따른 특정 벡터의 생성 예시를 도시한 도면인바, 먼저, 도 8a 는 상기 도 5 의 180o 디지털 위상 변위기를 두 개의 SPDT 스위치 및 고대역/저대역 필터의 세부 회로 단위로 간략히 도시한 것이다. 8A illustrates an example of generating a specific vector according to a phase change of a 180 ° digital phase shifter and a amplitude change of a digital attenuator. First, FIG. 8A shows two SPDT switches of the 180 ° digital phase shifter of FIG. 5. And a detailed circuit unit of the high band / low band filter.
SPDT 스위치의 제어 전압에 따라 각각 고대역 및 저대역 필터로 스위칭이 되고, 이 때 두 위상의 차이가 180o를 이루며, 입력부(802)로 신호가 들어와서 IQ 신호 생성기(803)에 의해 0o, 90o 신호가 발생한다.According to the control voltage of the SPDT switch, respectively, the high-band and low-band filters are switched. At this time, the difference between the two phases is 180 o , and a signal is input to the
각각 180o 디지털 위상 변위기를 통과하게 되면, 다음과 같은 네 종류의 위상 성분 결합((0o, 90o), (0o, 270o), (180o, 90o) 및 (180o, 270o))이 각각 생성이 될 수 있으며, 이 신호가 디지털 감쇠기(804a 및 804b)를 통과하여 805a 및 805b에 나타나게 된다.Passing 180 o digital phase shifters respectively, the following four kinds of phase component combinations ((0 o , 90 o ), (0 o , 270 o ), (180 o , 90 o ) and (180 o , 270) o )) may be generated, respectively, and this signal passes through
이 두 신호(805a 및 805b)가 2-방향 동상 전력 결합기(806)에 의해 결합이 되어 최종 신호가 나오게 된다. 도 8b 는 도 8a에 도시된 180o 디지털 위상 변위기의 SPDT 스위치가 상기한 상태와 같을 때, 각 I-및 Q-채널은 0o 및 90o의 위상 성분을 가지게 된다.These two
디지털 감쇠기의 감쇠가 동일하다면, 805a 및 805b에는 808a 및 808b의 신호가 생성이 되고 최종적으로 벡터 합을 통해 45o의 위상을 가지는 809의 신호가 나타난다. SPDT 스위치의 상태에 따라 상기한 네 종류의 위상 조합((0o, 90o), (0o, 270o), (180o, 90o) 및 (180o, 270o))이 발생시킬 수 있고 벡터 다이어그램 상에서 모든 360o 위상을 표시할 수가 있게 된다.If the attenuation of the digital attenuator is the same, signals 808a and 808b are generated at 805a and 805b, and finally 809 signals having a phase of 45 o through the vector sum. Depending on the state of the SPDT switch, the above four types of phase combinations ((0 o , 90 o ), (0 o , 270 o ), (180 o , 90 o ) and (180 o , 270 o )) may occur. And all 360 o phases on a vector diagram.
반면에, 각 I-및 Q-채널이 0o 및 90o의 위상 성분을 가지면서 디지털 감쇠기(804a)의 감쇠가 804b 보다 커지게 되면, 805a 및 805b에는 810a 및 810b의 신호가 생성이 되고 최종적으로 벡터 합을 통해 60o 위상을 가지는 811과 같은 신호가 나타난다.On the other hand, when each of the I- and Q- channel while having a phase component of 0 o and 90 o becomes greater than the attenuation of the digital attenuator (804a) 804b, 805a and 805b has been to create a
한편, 도 9 는 벡터의 위상이 0o, 90o, 180o 및 270o 인 경우에, 진폭의 감쇠에 따른 위상 오차가 증가함을 보여주는 것으로, 예를 들어 벡터의 위상이 0o인 신호를 생성하기 위해서는, 벡터 신호(902)만이 출력부에 나타나면 되지만 본 발명에 따른 IQ 디지털 벡터 변조기의 동작 방식에 의해 0o 신호 902와 최대 감쇠를 가지는 90o 신호 903의 벡터 합에 의해 0o 위상 신호 904를 생성하게 된다.On the other hand, when 9 is the phase of a
따라서, 디지털 감쇠기의 최대 감쇠 크기에 따라 위상 오차 907이 발생된다. 만약, 위상 성분이 0o 이면서 진폭은 905와 같이 감소시키는 경우에, 벡터 합은 906으로 나타나며 이때 벡터 오차 908는 더욱 증가하게 된다.Therefore, a
상기와 같은 벡터 오차를 감소시키기 위해서 두 가지 방법을 생각할 수 있다. 첫째, 디지털 감쇠기의 최대 감쇠 값을 증가시키는 것이다. 하지만, 이것은 디지털 감쇠기의 설계 부담을 가중시키고 또한 해상도를 유지하면서 추가적인 감쇠를 위해서는 bit 수를 증가시켜야 하므로 반도체 회로의 면적도 상승시키게 되고 삽입손실 면에서도 불리하다.Two methods can be considered to reduce the vector error as described above. First, increase the maximum attenuation value of the digital attenuator. However, this adds to the design burden of the digital attenuator and increases the number of bits for additional attenuation while maintaining the resolution, which also increases the area of the semiconductor circuit and is disadvantageous in terms of insertion loss.
두 번째 방법은, 180o 디지털 위상 변위기의 스위칭 방법을 위상 성분이 0o, 90o, 180o 및 270o 인 경우에, 다른 방식으로 해주는 것이다. 즉, 이러한 네 성분의 경우, I-혹은 Q-채널의 신호 전송이 완전히 차단되는 것이 유리하므로 180o 디지털 위상 변위기가 가지는 두 위상 상태 이외에 추가적으로 높은 격리(high isolation) 특성을 가지는 상태를 추가하면 된다.The second method is to switch the 180 o digital phase shifter in a different way when the phase components are 0 o , 90 o , 180 o and 270 o . In other words, in the case of these four components, it is advantageous to completely block the I- or Q-channel signal transmission. Therefore, in addition to the two phase states of the 180 o digital phase shifter, an additional high isolation characteristic may be added. .
도 10 에 도시된 바와 같이, 하나의 180o 디지털 위상 변위기(1003b)가 높은 격리 특성을 가지도록 스위치를 제어하고, 다음 단의 디지털 감쇠기(1004b)는 최대 감쇠 값을 가지도록 한다면, 1005b의 신호의 크기는 디지털 감쇠기의 최대 감쇠 값에 더하여 180o 디지털 위상 변위기의 격리 특성이 추가되므로 신호의 크기가 더욱 작아질 것이다. 따라서, 이러한 방식으로 위상 성분이 0o, 90o, 180o 및 270o 인 신호의 위상 오차를 줄일 수 있다.As shown in FIG. 10, if one 180 o digital phase shifter 1003b controls the switch to have a high isolation characteristic, and the next stage of the
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 추가적인 회로를 사용하지 않고 180o 디지털 위상 변위기의 스위치 제어 전압을 별도로 조절해 주는 것으로 가능하다. 도 11a 는 180o 디지털 위상 변위기의 스위치 제어 전압을 모두 턴-오프 전압 (0 V) 을 인가해 준 경우이다.In order to achieve the above object, it is possible to separately adjust the switch control voltage of the 180 o digital phase shifter without using an additional circuit. 11A illustrates a case where all of the switch control voltages of the 180 ° digital phase shifter are applied with a turn-off voltage (0 V).
이렇게 하면 모든 스위치가 꺼지게 되어 높은 격리 특성을 얻을 수 있다. 그러나 고주파 신호를 전송할 경우, nMOS 스위치의 기생 성분이 크게 보이기 때문에, 입출력 정합 특성이 열화되는 문제가 발생하게 되고 격리 특성도 이에 영향을 받게 된다.This turns off all switches to achieve high isolation. However, when the high frequency signal is transmitted, parasitic components of the nMOS switch appear large, which causes a problem of deteriorating input / output matching characteristics and isolation characteristics.
입출력 정합 특성을 어느 정도 유지하기 위해서는, 도 11b에 도시된 바와 같이 위상 성분이 0o, 90o, 180o, 270o 인 경우 이외의 위상에서 180o 디지털 위상 변위기의 스위치 동작처럼, 스위치 1110a와 1111a가 서로 상보적으로 동작하게 하였다. 동시에 높은 격리 특성을 얻기 위하여 1110a 와 1110b가 또한 상보적으로 동작을 하게 하였고, 1110b와 1111b가 서로 상보적으로 동작을 하게 된다. 여기서 스위치를 동작시키는 제어 전압에 따른 입출력 정합특성 및 격리 특성을 모의시험 결과를 통해 알 수 있다.In order to maintain the input / output matching characteristics to some extent, as shown in FIG. 11B, the
도 12a 와 도 12b 는 제어 전압 (Vctr) 에 따른 입력 정합 ((S(1,1)) 및 출력 정합 (S(2,2)) 의 특성을 나타낸 것이다. 도 12c 는 제어 전압 (Vctr) 에 따른 격리 특성 (S(2,1)) 을 나타내는 것이다.12A and 12B show the characteristics of the input match (S (1,1)) and the output match S (2,2) according to the control voltage Vctr. According to the isolation characteristic (S (2,1)).
제어 전압이 0 V 인 경우는, 상기한 도 11a 의 경우를 의미하는 것으로, 모든 스위치가 0 V 의 신호가 입력이 되는 경우이다. 이때, 입출력 정합 특성이 매우 열화되는 것을 모의시험 결과를 통해 확인할 수 있다. 모든 스위치가 턴-오프 (0 V) 되더라도 고주파 동작에서는 기생 성분 때문에 완전한 격리 특성을 얻기는 어려움을 확인할 수 있다.The case where the control voltage is 0 V means the case of FIG. 11A described above, in which the signals of 0 V are input to all the switches. At this time, it can be confirmed through simulation results that the input / output matching characteristics deteriorate very much. Even if all switches are turned off (0 V), it is difficult to achieve full isolation due to parasitics in high frequency operation.
제어 전압 (Vctr) 이 1.8 V 인 경우는, 도 11b 에 도시된 경우와 같은 것으로 예상한 바와 같이, 입출력 정합 특성이 보다 향상되었음을 확인할 수 있다. 그러나, 여전히 충분한 정합특성을 얻기에는 부족하다. 스위치를 형성하는 것은 nMOS 트랜지스터이므로 높은 정합특성을 얻기 위해서는 50 Ω 정합이 이루어져야 하므로, nMOS 의 온-저항(on resistance)이 50 Ω 에 가까운 전압을 인가해 주어야 함을 알 수 있다.When the control voltage Vctr is 1.8 V, it can be confirmed that the input / output matching characteristics are further improved as expected in the case shown in FIG. 11B. However, it is still insufficient to obtain sufficient matching characteristics. Since the switch is formed of an nMOS transistor, in order to obtain high matching characteristics, a 50 Ω match should be made. Therefore, it is understood that the on-resistance of the nMOS should be applied to a voltage close to 50 Ω.
따라서, 도 11c 에 도시된 바와 같이, 입력부(1116)와 출력부(1123) 사이에 병렬 접속되는 스위치(1118a)를 구성하고, 입력부(1116)와 출력부(1123) 사이에 직렬 접속되는 스위치(1118b)를 구비하며, 입력부(1116)와 스위치(1117b) 사이에 직렬 접속되어 인가받은 신호를 필터링하는 고대역 필터(high pass filter)(1119)와, 스위치(1117a)와 출력부(1123) 사이에 병렬 접속되어 인가받은 신호를 필터링하는 저대역 필터(low pass filter)(1120)를 구성한다.Therefore, as shown in FIG. 11C, a
또한, 입력부(1116)와 고대역 필터(high pass filter)(1119) 사이에 직렬 접속되어 인가받은 신호가 50Ω의 정합을 이루도록 nMOS 트랜지스터의 기능을 수행하는 직렬스위치(1117a) 및 저항(1121)을 구성하고, 스위치(1117b)와 저대역 필터(low pass filter)(1120) 및 출력부(1123) 사이에 병렬 접속되어 인가받은 신호가 50Ω의 정합을 이루도록 nMOS 트랜지스터의 기능을 수행하는 직렬스위치(1118b) 및 저항(1122)을 구성하여 우수한 정합 특성을 가지도록 할 수 있다.In addition, a
도 12d 는 제어 전압에 따른 nMOS 트랜지스터의 온-저항을 나타낸 것이다. 즉, 제어 전압 1.8V 가 인가된다면 온-저항의 값이 매우 작아지므로 50 Ω 정합에 적합하지 않게 된다. 따라서 적절한 제어 전압을 선택해야 한다. 문턱 전압 보다 조금 높은 정도의 제어 전압에서 50 Ω 을 가지는 것을 알 수 있다. 이렇게 결정한 제어 전압(Vctr = 0.6 V)으로 스위치 동작을 시켰을 때, 도 12a와 도 12b에서 매우 좋은 정합 특성을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 도 12c 의 격리 특성을 살펴보면, 20 dB 이하의 높은 격리 특성을 가짐을 확인할 수 있다.12D shows the on-resistance of an nMOS transistor according to a control voltage. In other words, if a control voltage of 1.8 V is applied, the value of the on-resistance becomes very small, making it unsuitable for 50 Ω matching. Therefore, the appropriate control voltage must be selected. It can be seen that it has 50 Ω at a control voltage slightly higher than the threshold voltage. When the switch operation is performed with the control voltage (Vctr = 0.6 V) thus determined, it can be seen that the matching characteristics are very good in FIGS. 12A and 12B. Looking at the isolation characteristics of FIG. 12C, a high isolation characteristic of 20 dB or less is obtained. Can be confirmed.
따라서, 180o 디지털 위상 변위기가 별도의 스위칭 방법을 적용할 때, 높은 입출력 정합 및 격리 특성을 가지기 위해서는 스위치 제어 전압을 적절한 값으로 정해주는 방법이 필요한 것이다.Therefore, when the 180 o digital phase shifter adopts a separate switching method, a method of setting the switch control voltage to an appropriate value is required in order to have high input / output matching and isolation characteristics.
아울러, 도 13a 는 고안된 IQ 디지털 벡터 변조기의 I-및 Q-채널에 각각 적절한 이득을 가지는 단방향 증폭기(1305a, 1305b)를 삽입함으로써 전체 이득을 향 상시킨 구조이다. 도 13b 는 고안된 IQ 디지털 벡터 변조기가 가지는 양방향 신호 전송 특성을 유지하면서 전체 이득을 향상시키기 위해, 양방향 증폭기(1310a, 1310b)를 각각 I-및 Q-채널에 삽입한 구조를 나타낸다.13A is a structure in which the overall gain is improved by inserting
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.As described above and described with reference to a preferred embodiment for illustrating the technical idea of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as shown and described as described above, it is a deviation from the scope of the technical idea It will be understood by those skilled in the art that many modifications and variations can be made to the invention without departing from the scope of the invention. And all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention are therefore to be regarded as being within the scope of the present invention.
도 1a 는 종래의 벡터 변조기를 도시한 것으로, 밸런스 신호 생성기, 두 개의 3 dB 방향성 커플러, 네 개의 가변 이득 증폭기 및 4-방향 전력 결합기를 가지는 벡터 변조기를 나타낸 도면.1A shows a conventional vector modulator, a vector modulator having a balanced signal generator, two 3 dB directional couplers, four variable gain amplifiers and a four-way power combiner.
도 1b 는 도 1a 의 벡터 신호 생성을 설명하는 벡터 다이어그램을 나타낸 도면.FIG. 1B is a vector diagram illustrating the vector signal generation of FIG. 1A. FIG.
도 2a 는 종래의 벡터 변조기를 도시한 것으로, 밸런스 IQ 신호 생성기로서 전대역 네트워크 (All-pass network), 두 개의 차동 증폭기, 네 개의 가변 감쇠기 및 4-방향 전력 결합기를 가지는 벡터 변조기를 나타낸 도면.FIG. 2A shows a conventional vector modulator, showing a vector modulator having an all-pass network, two differential amplifiers, four variable attenuators and a four-way power combiner as a balanced IQ signal generator. FIG.
도 2b 는 도 2a 의 벡터 신호 생성을 설명하는 벡터 다이어그램을 나타낸 도면.FIG. 2B is a vector diagram illustrating the vector signal generation of FIG. 2A. FIG.
도 3a 는 종래의 벡터 변조기를 도시한 것으로, 밸런스 신호 생성기, 3 dB 방향성 커플러, 네 개의 가변 이득 증폭기, 및 2-방향 전력 결합기를 가지는 벡터 변조기를 나타낸 도면.3A shows a conventional vector modulator, a vector modulator having a balanced signal generator, a 3 dB directional coupler, four variable gain amplifiers, and a two-way power combiner.
도 3b 는 도 3a 의 벡터 신호 생성을 설명하는 벡터 다이어그램을 나타낸 도면.FIG. 3B is a vector diagram illustrating the vector signal generation of FIG. 3A. FIG.
도 4a 는 종래의 벡터 변조기를 도시한 것으로, 밸런스 신호 생성기, 반사형 위상 변위기로서 Varactor가 연결된 3 dB 방향성 커플러, 두 개의 가변 이득 증폭기, 및 2-방향 전력 결합기를 가지는 벡터 변조기를 나타낸 도면.4A shows a conventional vector modulator, showing a balanced signal generator, a 3 dB directional coupler with Varactor connected as a reflective phase shifter, two variable gain amplifiers, and a vector modulator with a two-way power combiner.
도 4b 는 도 4a 의 벡터 신호 생성을 설명하는 벡터 다이어그램을 나타낸 도 면.FIG. 4B is a vector diagram illustrating the vector signal generation of FIG. 4A. FIG.
도 5a 는 본 발명에 따른 입력부에 IQ 신호 생성기, 스위치용 트랜지스터를 사용하여 동작하는 180o 디지털 위상 변위기, 다중-bit 디지털 감쇠기 및 출력부에 2-방향 전력 결합기를 포함하는 IQ 디지털 벡터 변조기를 나타낸 구성도.FIG. 5A shows an IQ digital vector modulator comprising an IQ signal generator at an input, a 180 o digital phase shifter operating using a switching transistor, a multi-bit digital attenuator and a two-way power combiner at the output. Diagram shown.
도 6 은 도 5 의 180o 디지털 위상 변위기의 세부 회로의 구성도.6 is a schematic diagram of a detailed circuit of the 180 o digital phase shifter of FIG. 5;
도 7a 및 7b 는 도 5 의 디지털 감쇠기를 구성하는 1-bit 디지털 감쇠기 회로의 구성도.7A and 7B are schematic diagrams of a 1-bit digital attenuator circuit forming the digital attenuator of FIG.
도 7c 는 도 5 의 다중-bit 디지털 감쇠기를 구성하기 위해 1-bit 디지털 감쇠기를 직렬 연결한 구성도.FIG. 7C is a schematic diagram of a 1-bit digital attenuator connected in series to configure the multi-bit digital attenuator of FIG. 5. FIG.
도 8a 는 본 발명의 IQ 디지털 벡터 변조기의 동작을 설명하기 위해 도 5 의 180o 디지털 위상 변위기를 구체적으로 나타낸 구성도.FIG. 8A is a block diagram specifically showing the 180 o digital phase shifter of FIG. 5 to illustrate the operation of the IQ digital vector modulator of the present invention. FIG.
도 8b 는 도 8a 의 벡터 신호 생성을 설명하는 벡터 다이어그램을 나타낸 도면.FIG. 8B is a vector diagram illustrating the vector signal generation of FIG. 8A. FIG.
도 9 는 위상 성분이 0o, 90o, 180o, 270o 인 신호를 생성할 때, 진폭의 감쇠에 따른 위상 오차의 증가를 설명하기 위한 벡터 다이어그램을 나타낸 도면.9 is a vector diagram for explaining the increase of the phase error according to the attenuation of the amplitude when generating a signal with
도 10 은 위상 성분이 0o, 90o, 180o, 270o 인 신호를 생성할 때, 진폭의 감쇠에 따른 위상 오차의 증가를 해결하기 위한 방법을 설명하기 위한 구성도.10 is a configuration diagram for explaining a method for solving an increase in phase error due to attenuation of an amplitude when generating a signal having a phase component of 0 o , 90 o , 180 o , 270 o .
도 11a, 도 11b 및 도 11c 는 180o 디지털 위상 변위기의 격리 특성을 증가시키기 위한 방법을 설명하기 위한 구성도.11A, 11B and 11C are schematic diagrams for explaining a method for increasing the isolation characteristics of a 180 ° digital phase shifter.
도 12a 및 도 12b 는 제어 전압에 따른 입력 및 출력 정합 특성을 모의 실험한 결과를 나타내는 그래프를 나타낸 도면.12A and 12B are graphs showing simulation results of input and output matching characteristics according to control voltages.
도 12c 는 제어 전압에 따른 격리 특성을 모의 실험한 결과를 나타내는 그래프를 나타낸 도면.12C is a graph showing the results of simulation of isolation characteristics with control voltage.
도 12d 는 제어 전압에 따른 nMOS 스위치의 온-저항 값을 모의 실험한 결과를 나타내는 그래프를 나타낸 도면.12D is a graph showing results of simulation of on-resistance values of nMOS switches according to control voltages.
도 13a 는 전체 이득을 증가시키기 위해 상기한 도 5 의 구성도의 I-및 Q-채널 각각에 단방향 증폭기를 삽입하는 IQ 디지털 벡터 변조기 구조를 나타낸 도면. FIG. 13A illustrates an IQ digital vector modulator structure inserting a unidirectional amplifier into each of the I- and Q-channels of FIG. 5 described above to increase overall gain. FIG.
도 13b 는 전체 이득을 증가시키기 위해 상기한 도 5 의 구성도의 I-및 Q-채널 각각에 양방향 증폭기를 삽입하는 IQ 디지털 벡터 변조기 구조를 나타낸 도면.FIG. 13B illustrates an IQ digital vector modulator structure inserting a bidirectional amplifier into each of the I- and Q-channels of FIG. 5 described above to increase overall gain. FIG.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ** ** Description of symbols for the main parts of the drawing **
102, 202, 302, 402, 502, 602, 702, 710, 719, 802, 1002, 1102, 1109, 1116, 1302: 입력부102, 202, 302, 402, 502, 602, 702, 710, 719, 802, 1002, 1102, 1109, 1116, 1302: Input section
103, 303, 403: 밸런스 신호 생성기103, 303, 403: balanced signal generator
104, 305, 404: 3 dB 방향성 커플러104, 305, 404: 3 dB Directional Coupler
105, 304, 306, 406: 가변 이득 증폭기105, 304, 306, 406: Variable Gain Amplifier
106: 4-방향 전력 결합기(4-way power combiner)106: 4-way power combiner
107, 208, 309, 409, 508, 611, 708, 717, 807, 1007, 1107, 1114, 1123, 1309: 출력부107, 208, 309, 409, 508, 611, 708, 717, 807, 1007, 1107, 1114, 1123, 1309: output
203: 전대역 네트워크203: full-band network
204a, 204b: 차동 증폭기204a, 204b: differential amplifier
205: 감쇠기205: attenuator
207: 4-방향 전력 결합기207: 4-way power combiner
308, 408, 507, 806, 1006, 1308: 2-방향 전력 결합기308, 408, 507, 806, 1006, 1308: 2-way power combiner
405: varactor405: varactor
503, 803, 1003, 1303: IQ 신호 생성기503, 803, 1003, 1303: IQ signal generator
504a, 504b, 803a, 803b, 1003a, 1003b, 1304a, 1304b: 180o 디지털 위상 변위기504a, 504b, 803a, 803b, 1003a, 1003b, 1304a, 1304b: 180 o digital phase shifter
505a, 505b, 804a, 804b, 1004a, 1004b, 1036a, 1036b: 다중-bit 디지털 감쇠기505a, 505b, 804a, 804b, 1004a, 1004b, 1036a, 1036b: multi-bit digital attenuator
603a 603b, 604a, 604b, 703, 704, 711, 712, 1103a, 1103b, 1104a, 1104b, 1110a, 1110b, 1111a, 1111b, 1117a, 1117b, 1118a, 1118b: 스위치603a 603b, 604a, 604b, 703, 704, 711, 712, 1103a, 1103b, 1104a, 1104b, 1110a, 1110b, 1111a, 1111b, 1117a, 1117b, 1118a, 1118b: switch
607, 608, 609, 610, 705, 706, 713, 714, 715, 1121, 1122: 저항607, 608, 609, 610, 705, 706, 713, 714, 715, 1121, 1122: resistance
605, 1105, 1112, 1119: 고대역 필터605, 1105, 1112, 1119: high pass filter
606, 1106, 1113, 1120: 저대역 필터606, 1106, 1113, 1120: low pass filter
707, 716: 캐패시턴스707, 716: capacitance
1305a, 1305b: 단방향 증폭기1305a, 1305b: unidirectional amplifier
1310a, 1310b: 단방향 증폭기1310a, 1310b: unidirectional amplifier
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