作者  Bill Beckwith  Xudong Wang  Tom Schiltz  ADI公司

摘要：5G的帶寬至少需要從目前的20MHz帶寬增大到100MHz甚至更高，這就意味著需要進(jìn)入3.6GHz以上或更高的頻段。為了滿足這種需求，凌力爾特的LTC5593雙無源下變頻混頻器在3.6GHz提供了出色的線性度和動(dòng)態(tài)范圍性能，同時(shí)支持超過200MHz的平坦信號(hào)帶寬，可用來構(gòu)成極其堅(jiān)固的MIMO(多輸入多輸出) 接收器。

引言

　　數(shù)據(jù)傳輸速率日益提高是一種全球化需求，這種需求已經(jīng)超越了目前4G無線網(wǎng)絡(luò)容量的極限。下一代 5G網(wǎng)絡(luò)需要將容量提高10倍以上，以跟上未來的發(fā)展需求。盡管5G標(biāo)準(zhǔn)尚未最終確定，但即使不是全部也是大部分市場(chǎng)參與者都認(rèn)為，帶寬至少需要 (從目前的 20MHz帶寬) 增大到100MHz，有些人甚至說，會(huì)增大到200MHz。如果這樣，就需要進(jìn)入3.6GHz以上或更高的頻段。

　　為了滿足這種需求，凌力爾特的LTC5593雙無源下變頻混頻器在3.6GHz提供了出色的線性度和動(dòng)態(tài)范圍性能，同時(shí)支持超過200MHz的平坦信號(hào)帶寬，可用來構(gòu)成堅(jiān)固的MIMO(多輸入多輸出) 接收器。在Wi-Fi和4G網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中，當(dāng)帶寬有限時(shí)，MIMO技術(shù)顯著提高了數(shù)據(jù)的凈吞度速率和接收率，因此MIMO技術(shù)已經(jīng)證明了其自身的有用性。在5G系統(tǒng)向頻率更高的頻段遷移時(shí)，LTC5593在2.3GHz至4.5GHz范圍內(nèi)提供連續(xù)的50Ω匹配，從而支持在2.6GHz和3.6GHz頻段上的多頻段接收器。就頻率較低的頻段而言，凌力爾特還提供其他引腳兼容的混頻器，包括LTC5590、LTC5591和LTC5592，這些混頻器涵蓋了其余所有LTE接收器。每款混頻器的頻率覆蓋范圍和典型的3.3V性能如表1所示。這些混頻器可提供高轉(zhuǎn)換增益、低噪聲指數(shù)(NF)以及高線性度和低DC功耗。典型功率轉(zhuǎn)換增益為8dB，并具有26dBm的輸入三階截取點(diǎn)(IIP3)、10dB的噪聲指數(shù)和1.3W功耗。

　　LTC5593系列的雙高性能混頻器非常適合無線基礎(chǔ)設(shè)施MIMO接收器，例如RRH(遠(yuǎn)端射頻頭)。這類系統(tǒng)極端緊湊，采用密封且不受天氣影響和自成一體的外殼，因此在采用大量電子器件時(shí)，對(duì)保持小尺寸和熱量管理造成了挑戰(zhàn)。雙通道解決方案減少了所需器件數(shù)量，簡(jiǎn)化了LO信號(hào)走線并減小了電路板面積。此外，每個(gè)LTC5593都包含集成的RF和LO平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器、雙平衡混頻器、LO緩沖放大器和差分IF放大器，從而進(jìn)一步減小了總的解決方案尺寸、降低了復(fù)雜性和成本。

1 混頻器描述

　　圖1中的簡(jiǎn)化方框圖表示出了雙通道混頻器拓?fù)?，其采?a class="contentlabel" href="http://www.biyoush.com/news/listbylabel/label/無源">無源雙平衡混頻器內(nèi)核驅(qū)動(dòng)IF輸出放大器?；祛l器內(nèi)核是四路開關(guān)MOSFET，通常具有大約7dB的轉(zhuǎn)換損耗。然而在此場(chǎng)合中，位于其后的片內(nèi)IF放大器增益大大彌補(bǔ)了該損耗，從而實(shí)現(xiàn)了8dB左右的總功率增益。差分IF輸出針對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的200Ω接口進(jìn)行了優(yōu)化，它能夠直接驅(qū)動(dòng)差分IF濾波器和可變?cè)鲆娣糯笃?，從而最大限度減少了外部組件。

　　LO通路采用了一個(gè)共用的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，以將單端輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè)差分LO，然后驅(qū)動(dòng)每個(gè)通道的獨(dú)立緩沖放大器。這種分離的LO驅(qū)動(dòng)拓?fù)浔３至酥羶蓚€(gè)混頻器之LO信號(hào)的相位相干性，同時(shí)可提供卓越的通道隔離度。此外，為了避免發(fā)生不希望的VCO負(fù)載拉移或者對(duì)VCO的干擾，在所有的操作模式中均保持了恒定的50Ω LO輸入阻抗匹配，甚至當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)混頻器級(jí)被接通和關(guān)斷時(shí)也不例外。2.1GHz至3.4GHz頻率范圍內(nèi)的50Ω阻抗匹配通過增設(shè)一個(gè)1.5pF外部串聯(lián)電容器C2來實(shí)現(xiàn)。該電容器也是DC隔離所需要的。對(duì)于更高的3.6GHz頻段，在電容器的電源側(cè)上增設(shè)一個(gè)10nH 并聯(lián)電感器可在LO提供良好的回程損耗。圖2顯示了在各種工作條件下LTC5593的LO輸入回程損耗。該功能消除了對(duì)外部LO緩沖級(jí)的需要。

　　傳統(tǒng)基站保持其環(huán)境是溫度受控的，要求組件在溫度高達(dá)+85°時(shí)保持正常工作。然而，較小的蜂窩和遠(yuǎn)端射頻頭對(duì)組件而言則是一種更嚴(yán)酷的環(huán)境，要求在溫度高達(dá)+105℃時(shí)保持正常運(yùn)行。LTC5593混頻器針對(duì)高達(dá)+105℃的溫度而設(shè)計(jì)，并在這一溫度上經(jīng)過測(cè)試，以滿足要求。

　　為了最大限度減小解決方案尺寸，LTC5593系列混頻器組裝在小型5mmx5mm 24引線QFN封裝中。然而，較小的封裝尺寸僅在減小總體解決方案尺寸上起到了部分作用。該器件的高集成度將所需外部組件數(shù)減少到約19個(gè)，從而最大限度減小了電路板面積、降低了復(fù)雜性和成本。

2 接收器應(yīng)用

　　雙通道接收器中的LTC5593混頻器功能圖如圖3所示。單端RF信號(hào)加到混頻器輸入之前經(jīng)過放大和濾波。在這個(gè)例子中有差分IF信號(hào)通路，因此無需IF平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。SAW濾波器、IF放大器和集總元件帶通濾波器都是差分式的。這個(gè)例子中的接收器采用如圖3所示的電路組件值時(shí)，支持150MHz IF帶寬。通過降低差分引腳之間的阻抗，可以實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，但增益會(huì)略有降低。

　　在很多MIMO接收器中，都采用高選擇性SAW濾波器，以在混頻器輸出端隔離不想要的雜散噪聲和噪聲。混頻器的8dB轉(zhuǎn)換增益補(bǔ)償了這類濾波器的高插入損耗，降低了它們對(duì)系統(tǒng)噪聲層的影響?；祛l器的總體性能很高，因此可以在承受濾波器損耗的同時(shí)，使接收器滿足靈敏度和無寄生要求。

　　多通道接收器的另一個(gè)重要性能目標(biāo)是通道至通道隔離度。通道至通道隔離度指的是，未驅(qū)動(dòng)通道的IF輸出值與已驅(qū)動(dòng)通道的IF輸出值之比。這個(gè)參數(shù)通常規(guī)定為比天線至天線隔離度高10dB，以避免降低系統(tǒng)性能。LTC5593以精確的IC設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在3.6GHz時(shí)實(shí)現(xiàn)了44dB通道至通道隔離度，在2.6GHz時(shí)則為 52dB，這滿足了很多種多通道應(yīng)用的需求。

3 功耗和解決方案尺寸

　　隨著多頻段 / 多模式基站拓?fù)涞某墒煲约皬?G到未來的5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的定義更加精確，無線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)也正在向新的平臺(tái)配置方式轉(zhuǎn)變，這些配置方式允許以最低限度的硬件和軟件更改，滿足各種不同的頻段或模式需求。LTC559x系列雙混頻器全部擁有相同的引腳布局，因此易于針對(duì)所有頻段使用相同的電路板布局。

　　無線通信的持續(xù)增長(zhǎng)也刺激了更小型蜂窩的使用，例如微微蜂窩和毫微微蜂窩。需要更多更小的蜂窩加上越來越多地使用遠(yuǎn)端射頻頭，已經(jīng)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)造成了更多限制，因此需要更高的集成度和更小的解決方案尺寸，

　　隨著蜂窩數(shù)量的增加，功耗也變得日益重要，因?yàn)槟芎某杀境杀壤厣仙?。另一方面，在遠(yuǎn)端射頻頭中，由于依靠被動(dòng)冷卻，所以熱量壓力成了主要問題。只是減小解決方案尺寸還不夠，因?yàn)橄到y(tǒng)尺寸減小會(huì)導(dǎo)致功率密度提高、結(jié)溫上升和潛在的組件可靠性降低之問題。因此，有必要同時(shí)降低系統(tǒng)功耗和減小尺寸。這個(gè)目標(biāo)很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楸仨毐ＷC不影響RF性能。

　　過去，將兩個(gè)單獨(dú)的混頻器整合到一個(gè)芯片上會(huì)導(dǎo)致2W的總體功耗。為了降低功耗，LTC5593系列混頻器設(shè)計(jì)為以3.3V而不是5V運(yùn)行。低壓電路設(shè)計(jì)方法降低了功耗但不影響轉(zhuǎn)換增益、IIP3或噪聲指數(shù)性能。惟一受到較低電源電壓影響的參數(shù)是輸出P1dB性能，該性能參數(shù)約為10.4dBm。當(dāng)驅(qū)動(dòng)200Ω負(fù)載阻抗時(shí)，P1dB受IF放大器開路集電極端輸出電壓擺幅的限制。就需要較高P1dB的應(yīng)用而言，這些混頻器被專門設(shè)計(jì)成允許在IF放大器上使用5V電源。電源電壓提高后，P1dB改善為13.7dBm。

　　如表1所示，雙混頻器實(shí)現(xiàn)了卓越的性能，同時(shí)在兩個(gè)通道都啟動(dòng)時(shí)，功耗才剛剛超過1.3W。為了進(jìn)一步降低功率，通過使用獨(dú)立的使能控制，每個(gè)通道都可以獨(dú)立地按需關(guān)閉。在可以接受降低線性度要求的情況下，ISEL引腳允許用戶切換至小電流模式，以進(jìn)一步降低DC功耗。

4 結(jié)論

　　為滿足新興5G多通道基礎(chǔ)設(shè)施接收器的嚴(yán)格要求，LTC5593雙無源下變頻混頻器提供了所需的高性能，推進(jìn)了頻率升高和帶寬增大。該混頻器兼具高轉(zhuǎn)換增益、低噪聲指數(shù)和高線性度，改善了系統(tǒng)總體性能，同時(shí)低功耗和很小的解決方案尺寸滿足了不斷變小的基站和遠(yuǎn)端射頻頭越來越嚴(yán)格的要求。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第74頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。