高 IIP3 14GHz 混頻器把易用性帶到了微波無線電設(shè)計(jì)中

在下一代無線接入應(yīng)用中帶寬將迅速拓展，以應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的互聯(lián)網(wǎng)流量。與此同時(shí)，目前可供使用的頻譜完全無法支持所需的帶寬。因此，人們正在對(duì)更高的頻譜進(jìn)行適用性評(píng)估。有多種選項(xiàng)被納入了考慮的范疇，從免執(zhí)照的 5.8GHz 地面站到覆蓋地球的低軌道衛(wèi)星群等均在其列。提高帶寬之路存在于可履行該承諾的更高和新的頻率。這將需要具備改善性能的混頻器。由凌力爾特推出的一款新型混頻器 LTC5549 可為此項(xiàng)努力提供支持。

LTC5549 是一款無源雙平衡混頻器，其能夠充當(dāng)一個(gè)上變頻器或下變頻器。該器件具有一個(gè) 2GHz 至 14GHz 的非常寬 RF 工作頻率范圍。LTC5549 提供了異常高的線性度 (在 5.8GHz 為 28.2dBm IIP3，而在 12GHz 則為 22.8dBm IIP3)，從而改善了發(fā)送器和接收器等的動(dòng)態(tài)范圍。LTC5549 憑借其僅需 0dBm 驅(qū)動(dòng)功率的集成型 LO 緩沖器 (因而實(shí)際上免除了增設(shè)外部高功率 LO 驅(qū)動(dòng)器電路的需要) 實(shí)現(xiàn)了高效的微波發(fā)送器和接收器設(shè)計(jì)。此外，LTC5549 還集成了一個(gè)用于 LO 信號(hào)的片內(nèi)、可旁路倍頻器，從而使得該器件能夠在有益的場(chǎng)合中采用成本較低的常用低頻合成器。LTC5549 運(yùn)用了專為擴(kuò)展 LO 和 RF 頻率帶寬而優(yōu)化的寬帶集成型平衡-不平衡變壓器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單端運(yùn)作。而且，其 IF 端口能夠支持 0.5GHz 至 6GHz 的寬帶寬。所有三個(gè)端口均為 50Ω 匹配，并具有卓越的端口至端口隔離指標(biāo)，最大限度地減少了不希望的 LO 泄漏，從而降低了外部濾波要求。

改善微波收發(fā)器性能

大多數(shù)微波混頻器是采用分立式 GaAs 二極管或 FET 以混合模塊的形式構(gòu)建的。與此相反，LTC5549 則是采用一種非常高頻的先進(jìn) SiGe BiCMOS 工藝制作的。該器件實(shí)現(xiàn)了很高的集成度，內(nèi)置了片內(nèi) LO 緩沖器和微波平衡-不平衡變壓器。對(duì)單片式晶片進(jìn)行了倒裝并安裝到一個(gè)具引線框架的纖巧型 3mm x 2mm 塑料表面貼裝式封裝上。免除了鍵合線以極大地提升器件的微波頻率性能，并不會(huì)引入鍵合線電感。其固有的小封裝再加上極少的外部電路有助于實(shí)現(xiàn)非常小巧的解決方案占板面積。

這款新型混頻器的 22.8dBm IIP3 性能在其同類產(chǎn)品中脫穎而出。改善的性能強(qiáng)化了接收器或發(fā)送器的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于接收器而言，當(dāng)存在鄰近的高功率干擾時(shí)，不管它來自于帶外非故意發(fā)送器源抑或是自感應(yīng) (從多分區(qū)系統(tǒng)中的另一個(gè)發(fā)送器滲漏)，較高的 IIP3 都將提升堅(jiān)固性。較大動(dòng)態(tài)范圍接收器可提供附加的設(shè)計(jì)余量，因此在處理高障礙物時(shí)更具寬容性 ― 這是因?yàn)殡S著無線電部署的日益增多，電波將隨著時(shí)間的推移持續(xù)減弱。

同樣，對(duì)于發(fā)送器來說，IIP3 較高 (OIP3 因此也較高) 的混頻器有助產(chǎn)生較少的雜散分量，從而實(shí)現(xiàn)改善的頻譜純度和更好的 ACPR 性能。這對(duì)于那些采用較高階調(diào)制的無線電設(shè)備特別有用，其能夠推升至超過 1024 QAM 或更高。改善的線性有助于生成更好的構(gòu)象準(zhǔn)確度定義。此外，較高的 IIP3 還允許混頻器在高輸出功率下運(yùn)作，因而可提供更加穩(wěn)健的輸出功率級(jí)別。額外的設(shè)計(jì)余量有助放寬設(shè)計(jì)約束條件，從而提供靈活性。

低 LO 驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)

LTC5549 的集成型 LO 放大器實(shí)際上免除了驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)微波無源混頻器通常所需的 +10dBm 至 +17dBm LO 放大器。于是，其 0dBm LO 驅(qū)動(dòng)使得能夠直接采用一個(gè) PLL / 合成器來驅(qū)動(dòng) LO，并不需要進(jìn)行緩沖。除了節(jié)省成本之外，低 LO 功率所產(chǎn)生至 IF 或 RF 端口的 LO 泄漏天生就要低得多，因此，抑制與此類高功率源相關(guān)的任何帶外輻射所必需的外部濾波較少。另一個(gè)好處是在 PC 板上未布設(shè)一個(gè)高功率輻射源。這意味著可顯著地節(jié)省成本，因?yàn)樗档土?RF 抑制屏蔽的要求，而對(duì)于許多具有這種高功率 LO 信號(hào)的設(shè)計(jì)來說，滿足此項(xiàng)要求是一件很麻煩的事情。

利用寬帶平衡-不平衡變壓器改善帶寬

LTC5549 運(yùn)用了平面平衡-不平衡變壓器設(shè)計(jì)中正待專利審議的最新技術(shù)進(jìn)展，從而使單片式混頻器能夠在極寬的帶寬內(nèi)工作。實(shí)現(xiàn)了前所未有的對(duì)稱性，產(chǎn)生了異常平衡的操作，并在非常寬的帶寬內(nèi)獲得了最優(yōu)的雜散抵消和平坦的頻率響應(yīng)。例如：50Ω 匹配的 RF 端口及其內(nèi)置的變壓器和一個(gè) 0.15pF 外部電容器在 2GHz 至 14GHz 頻率范圍內(nèi)持續(xù)提供了優(yōu)于 10dB 的回程損耗。同樣，通過在 LO 輸入端上連接一個(gè) 0.15pF 并聯(lián)電容器和一個(gè)串聯(lián)電容器，端口在 1GHz 至 12GHz 頻率范圍內(nèi)是 50Ω 匹配。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)回程損耗指標(biāo)優(yōu)于 10dB。

隨著 5G 數(shù)據(jù)速率的增加，帶寬也將增加

5G 無線通信預(yù)計(jì)可提供 1Gbps 的數(shù)據(jù)速率。為了實(shí)現(xiàn)這樣的速度，將需要把帶寬提高至 1GHz 或更高?？梢钥隙ǖ氖牵匦栝_拓新的頻譜。LTC5549 具有出色的帶寬，可支持超過 1GHz 的平坦響應(yīng)。

微波測(cè)試設(shè)備也可從 LTC5549 等緊湊型高線性度混頻器獲益。隨著 RF 測(cè)試設(shè)備的頻率不斷攀升，其線性和帶寬性能也必須改善，以跟上被測(cè)器件性能進(jìn)步的步伐。

設(shè)計(jì)示例：3.6GHz 至 12.6GHz 頻段上變頻應(yīng)用

我們來看一個(gè)把 3.6GHz 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 12.6GHz 載波的應(yīng)用示例。采用了一個(gè)低壓側(cè) LO。工作條件如下：

· IF 端口 (輸入) = 3.6GHz

· RF 端口 (輸出) = 12.6GHz

· LO (輸入) = 9GHz (在 0dBm)

· 雙音調(diào)輸入，間隔 2MHz 的輸入，在 IF 輸入端上各為 -5dBm

性能測(cè)量采用一塊 LTC5549 評(píng)估板 (圖 1) 來進(jìn)行。內(nèi)部 2X LO 被旁路，于是采用一個(gè)干凈的實(shí)驗(yàn)室信號(hào)發(fā)生器直接注入一個(gè) 9GHz LO 信號(hào)。由于評(píng)估板的組件已經(jīng)是寬帶匹配，因此可以直接使用，無需改動(dòng) (見圖 1 中的原理圖)。

圖 1：LTC5549 評(píng)估板和原理圖

圖 2 示出了該混頻器的線性性能，在 12.6GHz 頻率上對(duì)間隔 2MHz 的兩個(gè)音調(diào)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)得的輸出三階互調(diào)失真雜散下降了 -57.5dBc。這對(duì)應(yīng)于一個(gè) +23.8dBm 的 IIP3。圖 3 示出了 RF 輸出的完整頻譜曲線圖。未使用外部濾波器，因此我們可以看到所有雜散分量均下降的地方。LO 泄漏在 12.6GHz 載頻以下降低了大約 14dB，但是離開了 3.6GHz。所以，濾波應(yīng)該不是一個(gè)大問題。最靠近的雜散實(shí)際上是 2LO-IF，其出現(xiàn)在距離載頻 1.8GHz 之處。好消息是，其剩余功率在載頻以下優(yōu)于 -40dBc。

在 12.6GHz，該混頻器的輸出于 1GHz 帶寬內(nèi)表現(xiàn)出 1dB 的平坦度 (見圖 4)，可支持下一代的寬帶無線電設(shè)備。

圖 2：三階互調(diào)雜散的測(cè)量值為 -74dBm，建議在 12.6GHz 頻率條件下具有一個(gè) +23.8dBm 的 IIP3。

圖 3：寬帶輸出頻譜示出了所有影響輸出濾波器要求的雜散分量

圖 4：上變頻混頻器的轉(zhuǎn)換損耗為 12dB，但是在 12.6GHz 載頻條件下，其于 1GHz 帶寬內(nèi)具有 1dB 的平坦度。

結(jié)論

LTC5549 擁有超卓的 IIP3 規(guī)格指標(biāo)，能夠提升針對(duì)接收器或發(fā)送器應(yīng)用的動(dòng)態(tài)范圍性能。其具有一個(gè)集成型 LO 緩沖器，因而節(jié)省了成本并產(chǎn)生了非常低的 LO 泄漏。該器件的集成型片內(nèi)平衡-不平衡變壓器提供了異常寬的帶寬，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)非常緊湊的解決方案尺寸。