Die vorliegende Arbeit ist der analytischen Untersuchung und Weiterentwicklung von Methoden und Schaltungen zur Einstellung der Signalphase und -amplitude gewidmet. Hierbei wird zum Ziel gesetzt, die Leistungsfähigkeit dieser Schaltungen als analoge Hochfrequenz-Baugruppen in Empfangs- und Sendeschaltkreisen mit einem vergleichbaren oder geringerem schaltungstechnischen Aufwand und Strombedarf zu verbessern und dies anhand von Implementierungsbeispielen zu bestätigen. Die Dämpfungsglied-Topologien , T, überbrücktes T und X werden modelliert und hinsichtlich der Phasenbeeinflussung analysiert, sodass eine Bewertung ihrer Eignung durchgeführt werden kann. Weiterhin wird ein innovativer Ansatz zur Linearisierung der Steuerkennlinie vorgestellt und mit Hilfe einer Beispielschaltung mit einem Phasenfehler von 3 ° und einem Steuerlinearitätsfehler von 0,35 dB innerhalb der 1 dB Grenzfrequenz und einem Steuerbereich von 20 dB nachgewiesen. Die Arbeit bietet darüber hinaus eine analytische Betrachtung zu aktiven steuerbaren Verstärkern, welche die besondere Eignung der Gilbert-Zelle aufzeigt und eine geeignete Ansteuerschaltung ableitet. Am Beispiel nach diesem Prinzip entworfener Schaltkreise werden Phasenfehler von nur 0,4 ° innerhalb eines besonders hohen Stellbereichs von 36 dB demonstriert, wodurch eine Vergrößerung des Stellbereichs um den Faktor 4 und eine Verbesserung des Phasenfehlers um den Faktor 2 im Vergleich zum Stand der Technik erreicht wurde. Es wird der Zirkulator-Phasenschieber maßgeblich durch eine neuartige geeignete Ansteuerung verbessert. Damit werden die sonst für die Amplitudenbeeinflussung im Wesentlichen verantwortlichen Varaktoren überflüssig, ohne dabei den schaltungstechnischen Aufwand zu erhöhen. Eine Messung der entsprechenden Schaltung bestätigt dies mit einem Amplitudenfehler von nur 0,9 dB für einen Phasenstellbereich von 360 °, was einer Verringerung des Fehlers um den Faktor 3 im Vergleich zu herkömmlichen Zirkulator-Phasenschiebern entspricht. Abschließend wird der Funktionsnachweis mehrerer entworfener Vektor-Modulatoren mit einer effektiven Genauigkeit von bis zu 6 bit in Einzelschaltungen, Hybridaufbauten und schließlich im Rahmen eines vollständig integrierten Empfängerschaltkreises erbracht. Dieser erzielt eine Verdopplung der Reichweite bei einer um nur 35% höheren Leistungsaufnahme gegenüber einem herkömmlichen Kommunikationsverfahren (SISO). / The present work is dedicated to the investigation and enhancement of amplitude and phase control methods and circuits. The aim is to enhance the performance of these circuits in modern radio frequency transceivers with a comparable or even lower effort and power consumption. A prove of concept will be delivered with implementation examples. By means of models of the passive attenuator topologies , T, bridged-T and X, a thorough analysis is performed in order to compare them regarding their impact on the signal phase. Additionally, a novel approach to increase the control linearity of the attenuators is proposed and verified by measurements, showing a phase error of 3 ° and a control linearity error of 0,35 dB at the 1 dB corner frequency, successfully. The work also presents an investigation on variable gain amplifiers and reveals the superior performance of the Gilbert cell with respect to low phase variations. A cascode biasing circuit that supports these properties is proposed. Measurements prove this concept with relative phase errors of 0,4 ° over a wide attenuation control range of 36 dB thus cutting the error by half in a four times wider control range. The circulator based phase shifting approach is chosen and improved significantly by means of tuning the transconductor instead of the varactors thus removing their impact on signal amplitude. The approach is supported by measurements yielding an amplitude error of only 0,9 dB within a phase control range of 360 ° which corresponds to an improvement by a factor of three compared to recent circulator phase shifters. Finally, the design of several vector modulator topologies is shown with hardware examples of single chips, hybrid printed circuit boards and highly integrated system level ICs demonstrating a full receiver. By using improved variable gain amplifiers, an effective vector modulator resolution of 6 bit without calibration is achieved. Furthermore, a multiple-input multiple-output system is demonstrated that doubles the coverage range of common SISO systems with only 35% of additional power consumption.

Die vorliegende Arbeit ist der analytischen Untersuchung und Weiterentwicklung von Methoden und Schaltungen zur Einstellung der Signalphase und -amplitude gewidmet. Hierbei wird zum Ziel gesetzt, die Leistungsfähigkeit dieser Schaltungen als analoge Hochfrequenz-Baugruppen in Empfangs- und Sendeschaltkreisen mit einem vergleichbaren oder geringerem schaltungstechnischen Aufwand und Strombedarf zu verbessern und dies anhand von Implementierungsbeispielen zu bestätigen. Die Dämpfungsglied-Topologien , T, überbrücktes T und X werden modelliert und hinsichtlich der Phasenbeeinflussung analysiert, sodass eine Bewertung ihrer Eignung durchgeführt werden kann. Weiterhin wird ein innovativer Ansatz zur Linearisierung der Steuerkennlinie vorgestellt und mit Hilfe einer Beispielschaltung mit einem Phasenfehler von 3 ° und einem Steuerlinearitätsfehler von 0,35 dB innerhalb der 1 dB Grenzfrequenz und einem Steuerbereich von 20 dB nachgewiesen. Die Arbeit bietet darüber hinaus eine analytische Betrachtung zu aktiven steuerbaren Verstärkern, welche die besondere Eignung der Gilbert-Zelle aufzeigt und eine geeignete Ansteuerschaltung ableitet. Am Beispiel nach diesem Prinzip entworfener Schaltkreise werden Phasenfehler von nur 0,4 ° innerhalb eines besonders hohen Stellbereichs von 36 dB demonstriert, wodurch eine Vergrößerung des Stellbereichs um den Faktor 4 und eine Verbesserung des Phasenfehlers um den Faktor 2 im Vergleich zum Stand der Technik erreicht wurde. Es wird der Zirkulator-Phasenschieber maßgeblich durch eine neuartige geeignete Ansteuerung verbessert. Damit werden die sonst für die Amplitudenbeeinflussung im Wesentlichen verantwortlichen Varaktoren überflüssig, ohne dabei den schaltungstechnischen Aufwand zu erhöhen. Eine Messung der entsprechenden Schaltung bestätigt dies mit einem Amplitudenfehler von nur 0,9 dB für einen Phasenstellbereich von 360 °, was einer Verringerung des Fehlers um den Faktor 3 im Vergleich zu herkömmlichen Zirkulator-Phasenschiebern entspricht. Abschließend wird der Funktionsnachweis mehrerer entworfener Vektor-Modulatoren mit einer effektiven Genauigkeit von bis zu 6 bit in Einzelschaltungen, Hybridaufbauten und schließlich im Rahmen eines vollständig integrierten Empfängerschaltkreises erbracht. Dieser erzielt eine Verdopplung der Reichweite bei einer um nur 35% höheren Leistungsaufnahme gegenüber einem herkömmlichen Kommunikationsverfahren (SISO). / The present work is dedicated to the investigation and enhancement of amplitude and phase control methods and circuits. The aim is to enhance the performance of these circuits in modern radio frequency transceivers with a comparable or even lower effort and power consumption. A prove of concept will be delivered with implementation examples. By means of models of the passive attenuator topologies , T, bridged-T and X, a thorough analysis is performed in order to compare them regarding their impact on the signal phase. Additionally, a novel approach to increase the control linearity of the attenuators is proposed and verified by measurements, showing a phase error of 3 ° and a control linearity error of 0,35 dB at the 1 dB corner frequency, successfully. The work also presents an investigation on variable gain amplifiers and reveals the superior performance of the Gilbert cell with respect to low phase variations. A cascode biasing circuit that supports these properties is proposed. Measurements prove this concept with relative phase errors of 0,4 ° over a wide attenuation control range of 36 dB thus cutting the error by half in a four times wider control range. The circulator based phase shifting approach is chosen and improved significantly by means of tuning the transconductor instead of the varactors thus removing their impact on signal amplitude. The approach is supported by measurements yielding an amplitude error of only 0,9 dB within a phase control range of 360 ° which corresponds to an improvement by a factor of three compared to recent circulator phase shifters. Finally, the design of several vector modulator topologies is shown with hardware examples of single chips, hybrid printed circuit boards and highly integrated system level ICs demonstrating a full receiver. By using improved variable gain amplifiers, an effective vector modulator resolution of 6 bit without calibration is achieved. Furthermore, a multiple-input multiple-output system is demonstrated that doubles the coverage range of common SISO systems with only 35% of additional power consumption.

With the explosive development of wireless communication systems the specifications of the supporting hardware platforms have become more and more demanding. According to the long term goals of the industry, future communications systems should integrate a wide variety of standards. This leads to the idea of software defined radio, implemented on fully reconfigurable hardware.Among other reconfigurable hardware blocks, suitable for the software radio concept, an outstanding importance belongs to the reconfigurable filters that are responsible for the selectivity of the system. The problematic of filtering is strictly connected to the architecture chosen for a multi-mode receiver realization. According to the chosen architecture, the filters can exhibit low pass or band pass frequency responses.The idea of reconfigurable frequency parameters has been introduced since the beginning of modern filtering applications due to the required precision of the frequency response. However, the reconfiguration of the parameters was usually done in a limited range around ideal values. The purpose of the presented research is to transform the classical filter structures with simple self-correction into fully reconfigurable filters over a wide range of frequencies. The ideal variation of the frequency parameters is continuous and consequently difficult to implement in real circuits. Therefore, it is usually sufficient to use a discrete programming template with reasonably small steps.There are several methods to implement variable frequency parameters. The most often used programming templates employ resistor and capacitor arrays, switched according to a given code. The low pass filter implementation proposed in this work uses a special switching template, optimized for a quasi-linear frequency variation over logarithmic axes. The template also includes the possibility to compensate errors caused by component tolerances and temperature. Another important topic concerns the implementation of programmable band pass filters, suitable for IF sampling receivers. The discussion is centered on the feasibility and the flexibility of different band pass filter architectures. Due to the high frequency requirements, the emphasis lays on filters that employ transconductance amplifiers and capacitors. / Die rasch fortschreitende Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme führt zu immer anspruchsvolleren Spezifikationen der diese Systeme unterstützenden Hardwareplattformen. Zukünftige Kommunikationssysteme sollen übereinstimmend mit den längerfristigen Zielen der Industrie verschiedene Standards integrieren. Dies führt zu der Idee von vollständig rekonfigurierbarer Hardware, welche mittels Software gesteuert wird.Inmitten anderer rekonfigurierbarer Hardwareblöcke, die für das Software Radio Konzept geeignet sind, besitzen die steuerbaren Filter, welche wesentlichen Einfluss auf die Selektivität des Systems haben, eine enorme Bedeutung. Die Filterproblematik ist eng mit der gewählten Architektur der standardübergreifenden Empfängerrealisierung verknüpft. Die Filter können entsprechend der ausgesuchten Architektur Tiefpass- oder Bandpasscharakter annehmen.Die Idee rekonfigurierbarer Frequenzparameter wurde bereits mit Beginn moderner Filteranwendungen auf Grund geforderter Frequenzganggenauigkeit umgesetzt. Jedoch wurde die Parameterrekonfiguration üblicherweise nur in einem begrenzten Bereich um die Idealwerte herum vorgenommen. Das Ziel der vorgestellten Forschungsarbeit ist es, diese klassischen Filterstrukturen mit einfacher Selbstkorrektur in über große Frequenzbereiche voll rekonfigurierbare Filter zu transformieren. Idealerweise werden die Frequenzparameter kontinuierlich variiert weswegen sich die Implementierung in reellen Schaltkreisen als schwierig erweist. Deshalb ist es üblicherweise ausreichend, ein diskretes Steuerschema mit kleinen Schrittweiten zu verwenden.Es gibt verschiedene Methoden, variable Frequenzparameter zu implementieren. Die meisten Schemata verwenden Widerstands- und Kondensatorfelder, die entsprechend eines Kodes geschaltet werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung eines Tiefpassfilters nutzt ein spezielles Umschaltschema, welches für die quasi-lineare Frequenzvariation bei Darstellung über logarithmischen Axen optimiert wurde. Es beinhaltet weiterhin die Möglichkeit, Fehler zu kompensieren, die durch Bauelementtoleranzen und Temperaturschwankungen hervorgerufen werden.Ein weiteres interessantes Thema betrifft die Implementierung steuerbarer Bandpassfilter, die für Empfänger mit Zwischenfrequenzabtastung geeignet sind. Die Betrachtung beschränkt sich hierbei auf die Durchführbarkeit und Flexibilität verschiedener Bandpassfilterarchitekturen. Auf Grund hoher Frequenzanforderungen liegt der Schwerpunkt auf Filtern, die auf Transkonduktanzverstärkern und Kondensatoren basieren.

With the explosive development of wireless communication systems the specifications of the supporting hardware platforms have become more and more demanding. According to the long term goals of the industry, future communications systems should integrate a wide variety of standards. This leads to the idea of software defined radio, implemented on fully reconfigurable hardware.Among other reconfigurable hardware blocks, suitable for the software radio concept, an outstanding importance belongs to the reconfigurable filters that are responsible for the selectivity of the system. The problematic of filtering is strictly connected to the architecture chosen for a multi-mode receiver realization. According to the chosen architecture, the filters can exhibit low pass or band pass frequency responses.The idea of reconfigurable frequency parameters has been introduced since the beginning of modern filtering applications due to the required precision of the frequency response. However, the reconfiguration of the parameters was usually done in a limited range around ideal values. The purpose of the presented research is to transform the classical filter structures with simple self-correction into fully reconfigurable filters over a wide range of frequencies. The ideal variation of the frequency parameters is continuous and consequently difficult to implement in real circuits. Therefore, it is usually sufficient to use a discrete programming template with reasonably small steps.There are several methods to implement variable frequency parameters. The most often used programming templates employ resistor and capacitor arrays, switched according to a given code. The low pass filter implementation proposed in this work uses a special switching template, optimized for a quasi-linear frequency variation over logarithmic axes. The template also includes the possibility to compensate errors caused by component tolerances and temperature. Another important topic concerns the implementation of programmable band pass filters, suitable for IF sampling receivers. The discussion is centered on the feasibility and the flexibility of different band pass filter architectures. Due to the high frequency requirements, the emphasis lays on filters that employ transconductance amplifiers and capacitors. / Die rasch fortschreitende Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme führt zu immer anspruchsvolleren Spezifikationen der diese Systeme unterstützenden Hardwareplattformen. Zukünftige Kommunikationssysteme sollen übereinstimmend mit den längerfristigen Zielen der Industrie verschiedene Standards integrieren. Dies führt zu der Idee von vollständig rekonfigurierbarer Hardware, welche mittels Software gesteuert wird.Inmitten anderer rekonfigurierbarer Hardwareblöcke, die für das Software Radio Konzept geeignet sind, besitzen die steuerbaren Filter, welche wesentlichen Einfluss auf die Selektivität des Systems haben, eine enorme Bedeutung. Die Filterproblematik ist eng mit der gewählten Architektur der standardübergreifenden Empfängerrealisierung verknüpft. Die Filter können entsprechend der ausgesuchten Architektur Tiefpass- oder Bandpasscharakter annehmen.Die Idee rekonfigurierbarer Frequenzparameter wurde bereits mit Beginn moderner Filteranwendungen auf Grund geforderter Frequenzganggenauigkeit umgesetzt. Jedoch wurde die Parameterrekonfiguration üblicherweise nur in einem begrenzten Bereich um die Idealwerte herum vorgenommen. Das Ziel der vorgestellten Forschungsarbeit ist es, diese klassischen Filterstrukturen mit einfacher Selbstkorrektur in über große Frequenzbereiche voll rekonfigurierbare Filter zu transformieren. Idealerweise werden die Frequenzparameter kontinuierlich variiert weswegen sich die Implementierung in reellen Schaltkreisen als schwierig erweist. Deshalb ist es üblicherweise ausreichend, ein diskretes Steuerschema mit kleinen Schrittweiten zu verwenden.Es gibt verschiedene Methoden, variable Frequenzparameter zu implementieren. Die meisten Schemata verwenden Widerstands- und Kondensatorfelder, die entsprechend eines Kodes geschaltet werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung eines Tiefpassfilters nutzt ein spezielles Umschaltschema, welches für die quasi-lineare Frequenzvariation bei Darstellung über logarithmischen Axen optimiert wurde. Es beinhaltet weiterhin die Möglichkeit, Fehler zu kompensieren, die durch Bauelementtoleranzen und Temperaturschwankungen hervorgerufen werden.Ein weiteres interessantes Thema betrifft die Implementierung steuerbarer Bandpassfilter, die für Empfänger mit Zwischenfrequenzabtastung geeignet sind. Die Betrachtung beschränkt sich hierbei auf die Durchführbarkeit und Flexibilität verschiedener Bandpassfilterarchitekturen. Auf Grund hoher Frequenzanforderungen liegt der Schwerpunkt auf Filtern, die auf Transkonduktanzverstärkern und Kondensatoren basieren.