专利名称：具有高控制分辨率的矢量调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种矢量调制器，更为具体地讲，涉及一种能够使用有限的控制电压 范围进行精密增益控制的矢量调制器。
背景技术：
一般，矢量调制器是能够使用控制信号来改变输入信号的增益的大小和相位的模 拟电路，并被广泛地用于预失真(predistortion)系统、前馈系统、智能天线系统等。已经在各种应用领域对矢量调制器进行了研究，并公开了很多报道。如通过多 个报道(包括“用于w波段软件雷达技术的矢量调制器(VectorModulator for ff-band Software Radar Techniques) ”，D. S. Mcpherson 禾口 S. Lucyszyn, 2001 年 8 月，第 49 卷第 8 期)公开的，一般矢量调制器被配置为使用多个正交混合器(quadrature hybrid)和同相 组合器(in-phase combiner) 0具有所述结构的矢量调制器被设计为具有几十GHz频带的 集成电路(IC)。但是，在作为一般使用的无线通信系统的频带的2GHz左右的频带中，其波 长在几十厘米的范围内。因此，使用正交混合网络结构的矢量调制器无法以IC形式实现。同时，通过包括“用于交叉波束成形网络的1.4-2. 7GHz模拟MMIC矢量调制器(A 1. 4-2. 7GHz Analog MMIC Vector Modulator for a CrossbarBeamforming Network)，，， J. Grajal, J. Gismero, M. Mahfoudi 和 F. A. Petz, IEEETrans. Microw. Theory Tech, 1997 年 10月第45卷第10期，的公开报道已知在低频带中以IC形式实现的矢量调制器。具有所述 结构的矢量调制器具有两个或多个射频(RF)信号通路(path)，以改变增益的大小和相位。 具有相同相位的RF信号被施加到各个通路。当RF信号通过高通滤波器或低通滤波器时， 通过各个通路传播的RF信号之间发生相位差。由于可在RF信号通过各个通路时将可变增 益施加到RF信号，所以发送到同相组合器的多个RF信号具有相互不同的大小和相位。多 个信号被同相组合器组合并输出为单个RF输出信号。在这种情况下，通过2维矢量相加原 理对RF信号进行组合。通过改变经过各个通路的信号的大小和相位，能够以期望的方式改 变所有矢量调制器的增益的大小和相位。如上所述，在上述的结构中高通滤波器或低通滤 波器被插入到各个通路。在所有通路中布置配置有电感器和电容器的结构需要大的面积。 当该结构被实现为差分结构时，面积可成为两倍大。在预失真系统中矢量调制器可被用作线性电路。当施加适当的控制信号值使得矢 量调制器的增益的大小和相位具有功率放大器的增益的大小和相位的值的相反值时，可补 偿AM-AM和AM-PM失真。但是，虽然在无线通信系统的频带中所述结构可以以IC形式被实现，但是在几十 dB的范围内控制具有所述结构的矢量调制器的增益的大小，并在360度范围内控制增益的 相位。因此，难以使用在OV至3. 3V范围内的控制信号值获得期望的增益大小。在预失真系统的情况中，应精密地控制矢量调制器的增益以改善线性品质。但是，一般使用的矢量调 制器不能执行这种精密控制。
发明内容
本发明的一方面提供了一种矢量调制器，该矢量调制器能够通过增益控制电路精 密地控制增益的大小和相位，因此器适合于预失真系统。根据本发明的一方面，提供了一种具有高控制分辨率的矢量调制器，包括信号分 离单元，将输入信号分离为具有不同相位的两个信号；第一增益控制单元，包括两个或更多 个串联连接的衰减器，所述两个或更多个串联连接的衰减器控制被信号分离单元分离的信 号中的一个的增益并具有根据具有不同大小的增益控制电压而变化的衰减增益；第一控制 电压产生单元，对从外部输入的主控制电压进行分压以产生第一增益控制单元的衰减器的 增益控制电压；第二增益控制单元，包括两个或更多个串联连接的衰减器，所述两个或更多 个串联连接的衰减器控制被信号分离单元分离的信号中的另一个的增益并具有根据具有 不同大小的增益控制电压而变化的衰减增益；信号组合单元，对分别被第一增益控制单元 和第二增益控制单元控制其增益的信号进行组合。每个衰减器可包括第一晶体管，具有接收增益控制电压的栅极和接收其增益将 被衰减的信号的源极；第二晶体管，具有接收增益控制电压的栅极、连接到第一晶体管的漏 极的源极以及输出其增益被衰减的信号的漏极；第一电阻器、连接在第一晶体管的源极和 漏极之间；第二电阻器，连接在第二晶体管的源极和漏极之间；第三电阻器，连接在第一晶 体管的漏极与地之间。第一控制电压产生单元和第二控制电压产生单元中的每一个可包括多个电阻 器，按多个不同预设比率对主控制电压进行分压以产生多个增益控制电压。信号分离单元可包括全通滤波器。信号组合单元可包括将正增益施加给从第一增益控制单元和第二增益控制单元 输出的信号的第一放大器和第二放大器，并且第一放大器和第二放大器的输出端相互连接 以通过电流耦合方式对其输出的信号进行组合。
通过下面结合附图进行的详细描述，将会更清楚的理解本发明的上述和其它方 面，特点和其它优点，其中图1是根据本发明实施例的矢量调制器的框图；图2是根据本发明实施例的矢量调制器的衰减器的电路图；图3示出图2所示的衰减器中根据增益控制电压的大小和晶体管的尺寸的衰减增 益变化的曲线；图4是根据本发明实施例的应用到矢量调制器的增益控制单元和控制电压产生 单元的电路图；图5A是示出在根据本发明实施例的矢量调制器中根据主控制电压的增益变化的 衰减器的衰减增益特性的曲线；图5B是示出在根据本发明实施例的矢量调制器中通过添加衰减器的衰减增益获得的最终衰减增益的曲线；图6A是示出典型矢量调制器的特性的极坐标图；图6B是示出根据本发明实施例的矢量调制器的特性的极坐标图；图7是根据本发明实施例的具有差分结构的矢量调制器的电路图。
具体实施例方式现在将参照附图详细地描述本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不 同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本 公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。在附图中，为了 清晰起见，会夸大层和区域的厚度。在附图中，相同的标号表示相同元件，因此将省略对其 的描述。图1是根据本发明实施例的矢量调制器的框图。参照图1，根据本发明实施例的矢量调制器包括信号分离单元11、第一增益控制 单元12、第二增益控制单元14、第一控制电压产生单元13、第二控制电压产生单元15、信号 组合单元16。信号分离单元11将输入信号分离为具有不同相位的两个信号。第一增益控 制单元12和第二增益控制单元14控制分离信号的增益。第一控制电压产生单元13和第 二控制电压产生单元15产生增益控制电压。信号组合单元16对被第一增益控制单元12 和第二增益控制单元14控制其增益的信号进行组合，并输出组合信号。信号分离单元11将输入信号分离为具有不同相位的两个信号，例如，具有90度相 位差的两个信号。更具体地，信号分离单元11可将输入信号分离为具有90度相位差的同 相信号(I-信号)和正交相信号(Q-信号)，并通过两个信号通路分别输出I-信号和Q-信 号。在该实施例中，可使用全通滤波器实现信号分离单元11。如图7的标号11所示， 可使用电容器、电感器和电阻器来构造全通滤波器的示例。该全通滤波器可将射频(RF)输 入信号分离为具有任意相位差的两个信号，并附加地产生相位分别与两个分离信号的相位 相反的两个信号。由于全通滤波器的这种特性，如图7所示，在下一级设置的块可被实现为 差分结构，并且全通滤波器可被广泛地用于互补型金属氧化物半导体晶体管(CMOS)。如图 7所示，当差分电路连接到全通滤波器的后端时，矢量调制器增益的相位的输出范围被确定 在两个信号的相位差内，而不是360度范围内。虽未示出，除了上述的全通滤波器之外，本 领域已知的其它信号分离电路可被采用作为信号分离单元11。将增益控制单元12和14设置在各自信号通路上，以控制被信号分离单元11分离 并通过各自信号通路输出的信号的增益。增益控制单元12和14分别包括接收从控制电压 产生单元13和15输出的增益控制电压并根据增益控制电压的大小确定衰减增益的多个衰 减器121和122以及141和142。设置在各自信号通路上的增益控制单元12和14可接收 从各自的控制电压产生单元13和15输出的控制电压，从而独立地执行增益控制。图2是根据本发明实施例的矢量调制器的衰减器的电路图。如图2所示，根据本发 明实施例的衰减器可包括作为有源元件的第一晶体管Tl和第二晶体管T2以及多个电阻器 Rl至R5。详细地，第一晶体管Tl可具有栅极，接收从控制电压产生单元13或15输出的 增益控制电压；源极，接收其增益将被衰减的信号；漏极，连接到第二晶体管T2的源极。第二晶体管T2可具有栅极，接收增益控制电压；源极，连接到第一晶体管Tl的漏极；漏极， 输出其增益被衰减的信号。第一电阻器Rl可连接在第一晶体管Tl的源极与漏极之间，第 二电阻器R2可连接在第二晶体管T2的源极与漏极之间，第三电阻器R3可连接在第一晶体 管Tl的漏极与地之间。可通过电阻器R4和R5将增益控制电压施加到晶体管Tl和T2的栅 极。由于根据增益控制电压的大小来调整晶体管Tl和T2的源极-漏极电阻，因此上述衰 减器结构可控制输入信号的衰减增益。此外，通过分别连接在晶体管Tl和T2的源极和漏 极之间的第一电阻Rl和第二电阻R2来保持匹配输入和输出条件时，同时消除传输通路的 相位改变。即，根据本发明实施例的衰减器结构，例如即使其输入和输出端形成50Ω匹配， 也能与衰减增益的大小无关地恒定保持衰减增益的相位。为了在信号组合单元中获得两个 信号的期望的矢量和，应与衰减增益的大小无关地不发生一个信号通路中的相位变化。图3是示出根据增益控制电压的大小和在图2的衰减器中的晶体管Tl和T2的尺 寸的衰减增益变化的曲线。如图3所示，在使用具有单个衰减器的结构的情况中，如果使用 了小的尺寸的晶体管，则可根据增益控制电压的大小来控制的衰减增益的宽度很窄。另一 方面，如果使用了大的尺寸的晶体管，则可控制衰减增益的增益控制电压的控制宽度将很 窄。即，当使用单个衰减器时，通过使用给定的控制电压范围来在衰减增益的期望的变化范 围内精密地控制衰减增益是非常困难的。为了精密地控制衰减增益的变化，应该以这种方 式形成控制电压与衰减增益之间的关系，即，在给定的控制电压的范围内，衰减增益在其期 望的范围按基本线性的方式变化。为了实现衰减增益的精密控制，可如图4所示的构造增益控制单元和控制电压产 生单元。图4是根据本发明实施例的应用到矢量调制器的增益控制单元和控制电压产生单 元的电路图。参照图4，根据本发明实施例的矢量调制器的增益控制单元包括相互串联连 接的图2所示的衰减器121和122，并且，控制电压产生单元13可通过使用电阻器R6至R9 的压分结构对从外部输入的主控制电压Vctrl进行分压，并产生用于衰减器121和122的 增益控制电压。主控制电压Vctrl是从外部输入的信号，并具有有限的变化范围。例如，主控制电 压Vctrl的大小可限制在OV至3. 3V的范围内。如上所述，当主控制电压Vctrl作为增益 控制电压直接地施加到一个衰减器时，如图3所示，可控制的衰减增益宽度非常窄，或者能 够控制增益宽度的主控制电压Vctrl的范围被严格地限制。然而，如图4所示，当将通过电 阻器R6至R9对主控制电压Vctrl进行分压而获得并具有不同大小的电压提供给各个衰减 器作为增益控制电压时，各个增益控制电压的大小变得小于主控制电压Vctrl的大小。因 此，能够限制当应用大的尺寸的晶体管时可发生的衰减增益的突变。此外，由于将具有不同 大小的增益控制电压施加到各个衰减器，所以可根据主控制电压Vctrl的大小变化，不同 地设置两个衰减器的衰减增益变化特性，从而依赖主控制电压Vctrl变化的两个衰减器的 衰减增益之和按基本线性的方式变化。在图4中，被电阻器R6和R7分压并提供给第一衰减器121的电压被称为第一增 益控制电压，被电阻器R8和R9分压并提供给第二衰减器122的电压被称为第二增益控制 电压。在这种情况下，根据选择的电阻器R6至R9的适当的电阻值，第一增益控制电压与第 二增益控制电压的大小可保持在恒定比率。例如，当按如下方式确定电阻值时，即，第一增 益控制电压的大小大于第二增益控制电压的大小时，随着主控制电压Vctrl的大小增加，接收较大的增益控制电压的第一衰减器的衰减增益可首先增加，当主控制电压Vctrl的大 小进一步增加时接收较小的增益控制电压的第二衰减器的衰减增益可增加。图5A示出这 种特性。在图5A中，标号51表示接收第一增益控制电压的第一衰减器的衰减增益特性，标 号52表示接收第二增益控制电压的第二衰减器的增益特性。这样，各个衰减器展现出依赖 主控制电压Vctrl的变化大小的衰减增益特性的不同变化。在该实施例中，由于多个衰减 器串联连接，两个衰减增益可相加，从而在主控制电压Vctrl的变换范围(0-3. 3V)内按基 本线性的方式变化(如图5B所示)。这样，在主控制电压Vctrl的全部变化范围内，可按基 本线性的方式实现衰减增益的期望的变化。因此，能够根据主控制电压Vctrl的控制，精密 地控制增益控制单元的衰减增益。在图1至5中，描述了应用到一个信号通路的增益控制单元和控制电压产生单元。 但是，具有相同结构的增益控制单元和控制电压产生单元可被应用到另一信号通路。由于 它们具有相同结构，所以将省略另一信号通路的附加描述。此外，图1至图5示出包括两个 衰减器的增益控制单元的示例。但是，如有必要，增益控制单元可包括三个或更多个衰减 器，本领域技术人员可根据插入损耗(insertion loss)容易地改变衰减器的数量。再次参照图1，信号组合单元16对其增益被第一增益控制单元12和第二增益控 制单元14控制的信号进行组合并输出组合的信号。更具体地，如图7所示，信号组合单元 16可包括第一放大器161和第二放大器162，第一放大器161和第二放大器162将正增益 施加到从第一增益控制单元12a和第二增益控制单元14a或从第一增益单元12b和第二增 益控制单元14b输出的信号，并且第一放大器161和第二放大器162的输出端可相互连接 以通过电流耦合方式组合各个输出信号。例如，构成第一放大器161和第二放大器162的 晶体管的漏极可相互连接以实现使用电流耦合方式的信号组合单元。与使用独立的同相组 合器的现有技术信号组合单元相比，该电流耦合方式可减小电路大小。图6A是示出典型矢量调制器的极坐标图，图6B是示出根据本发明实施例的矢量 调制器的特性的极坐标图。如图6A和图6B所示，与典型矢量调制器比较，根据本发明实施 例的矢量调制器可限制增益范围。因此，在控制电压范围内，能够精密地控制矢量调制器的 增 ο图7示出根据本发明实施例的具有差分结构的矢量调制器。将具有相反相位的差 分信号Vin+和Vin-输入到用作信号分离单元11的全相滤波器的两个输入端，全相滤波器 将差分信号分离为具有90度相位差的输出信号。即，输入信号Vin+被分离为两个信号Vi+ 和Vq+，输入信号Vin-被分离为Vi-和Vq-。通过上述增益控制单元12a、12b、14a和14b分 别控制输出信号的增益。然后，通过电流耦合方式在信号组合单元16的放大器161个162 的输出端对输出信号进行组合，并输出信号Vout+和Vout-。如上所述，根据本发明实施例的矢量调制器的增益控制单元12和15包括与增益 的大小无关的具有恒定相位和高控制分辨率的衰减器。由于在这种衰减器中的能够控制增 益的主控制电压的范围被加宽，因此能够精密地控制衰减增益。因此，根据本发明实施例 的矢量调制器可以精密地控制预失真系统所需的增益的大小和相位。此外，由于根据主控 制电压的变化，增益变化的大小减小，因此矢量调制器可对噪声更敏感，并执行更精确的控 制。虽然参照示例性实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员清楚的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行修改和变化。
权利要求
1.一种具有高控制分辨率的矢量调制器，包括信号分离单元，将输入信号分离为具有不同相位的两个信号； 第一增益控制单元，包括两个或更多个串联连接的衰减器，所述两个或更多个串联连 接的衰减器控制被信号分离单元分离的信号中的一个的增益并具有根据具有不同大小的 增益控制电压而变化的衰减增益；第一控制电压产生单元，对从外部输入的主控制电压进行分压以产生第一增益控制单 元的衰减器的增益控制电压；第二增益控制单元，包括两个或更多个串联连接的衰减器，所述两个或更多个串联连 接的衰减器控制被信号分离单元分离的信号中的另一个的增益并具有根据具有不同大小 的增益控制电压而变化的衰减增益；信号组合单元，对分别被第一增益控制单元和第二增益控制单元控制其增益的信号进 行组合。
2.如权利要求1所述的矢量调制器，其中，每个衰减器包括第一晶体管，具有接收增益控制电压的栅极和接收其增益将被衰减的信号的源极； 第二晶体管，具有接收增益控制电压的栅极、连接到第一晶体管的漏极的源极以及输 出其增益被衰减的信号的漏极；第一电阻器、连接在第一晶体管的源极和漏极之间； 第二电阻器，连接在第二晶体管的源极和漏极之间； 第三电阻器，连接在第一晶体管的漏极与地之间。
3.如权利要求1所述的矢量调制器，其中，第一控制电压产生单元和第二控制电压产 生单元中的每一个包括多个电阻器，按多个不同预设比率对主控制电压进行分压以产生 多个增益控制电压。
4.如权利要求1所述的矢量调制器，其中，信号分离单元包括全通滤波器。
5.如权利要求1所述的矢量调制器，其中，信号组合单元包括将正增益施加给从第一 增益控制单元和第二增益控制单元输出的信号的第一放大器和第二放大器，并且第一放大 器和第二放大器的输出端相互连接以通过电流耦合方式对其输出信号进行组合。
全文摘要
一种具有高控制分辨率的矢量调制器。信号分离单元将输入信号分离为具有不同相位的两个信号。第一增益控制单元包括至少两个串联的衰减器，控制被分离的信号中的一个的增益并具有根据具有不同大小的增益控制电压变化的衰减增益。第一控制电压产生单元分压从外部输入的主控制电压以产生第一增益控制单元的衰减器的增益控制电压。第二增益控制单元包括至少两个串联的衰减器，控制被分离的信号中的另一个的增益并具有根据具有不同大小的增益控制电压而变化的衰减增益。第二控制电压产生单元分压主控制电压以产生第二增益控制单元的衰减器的增益控制电压。信号组合单元，组合分别被第一增益控制单元和第二增益控制单元控制其增益的信号。
文档编号H03F1/12GK101997488SQ20091026153
公开日2011年3月30日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年8月10日
发明者孙基龙, 洪圣喆, 金维新, 金胤锡 申请人:三星电机株式会社;韩国科学技术院