24GHz至44GHz寬帶集成上變頻器和下變頻器可提升微波無(wú)線電性能，同時(shí)縮小尺寸

ADI公司推出了一對(duì)高集成的微波上下變頻器，ADMV1013和ADMV1014。這兩顆器件的工作頻率極寬，從24GHz到44GHz，并提供50?匹配，同時(shí)可以支持大于1GHz的瞬時(shí)帶寬。ADMV1013和ADMV1014的性能特性簡(jiǎn)化了小型5G毫米波(mmW)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，這些平臺(tái)包括回傳和前傳應(yīng)用中常見(jiàn)的28GHz和39GHz頻段，以及許多其他的超帶寬發(fā)射器和接收器應(yīng)用。

每個(gè)上變頻器和下變頻器芯片都是高集成的(見(jiàn)圖1)，由IQ混頻器及片內(nèi)正交移相器構(gòu)成，可配置為基帶IQ模式(零中頻，IQ頻率支持dc至6GHz)，或者配置為中頻模式(實(shí)中頻，中頻頻率支持800MHz至6GHz)。上變頻器的RF輸出端集成了一個(gè)含壓控衰減器(VVA)的驅(qū)動(dòng)放大器，下變頻器的RF輸入端包含低噪聲放大器(LNA)和帶VVA的增益放大器。兩個(gè)芯片的本振(LO)鏈路由一個(gè)集成式LO緩沖放大器、一個(gè)四倍頻器和一個(gè)可編程的帶通濾波器組成。大部分可編程和校準(zhǔn)功能都通過(guò)SPI接口進(jìn)行控制，這使得IC易于通過(guò)軟件配置至出色的性能水平。

圖1.(a)ADMV1013上變頻器芯片框圖

圖1.(b)ADMV1014下變頻器芯片框圖

ADMV1013上變頻器內(nèi)部視圖

ADMV1013提供兩種頻率轉(zhuǎn)換模式。一種模式是從基帶I和Q直接上變頻至RF頻段。在這種I/Q模式下，基帶I和Q差分輸入信號(hào)范圍是從dc到6GHz，例如，由一對(duì)高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生的信號(hào)。IQ輸入信號(hào)的共模電壓范圍為0V至2.6V;因此，它們可以滿足大部分DAC的接口需求。當(dāng)所選DAC的共模電壓在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，可以通過(guò)配置上變頻器的寄存器，使其輸入共模電壓和DAC輸出的共模電壓實(shí)現(xiàn)最佳的匹配，從而簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)。另一種模式是復(fù)IF輸入(例如由正交數(shù)字上變頻器器件生成的信號(hào))，單邊帶上變頻到RF頻段。ADMV1013的獨(dú)特之處在于，它能夠在I/Q模式下對(duì)I和Q混頻器的直流偏置誤差進(jìn)行數(shù)字校正，從而改善RF輸出的LO泄漏。校準(zhǔn)之后，在最大增益下，RF輸出端的LO泄漏可以低至-45dBm。對(duì)零中頻無(wú)線電設(shè)計(jì)造成妨礙的一個(gè)更困難的挑戰(zhàn)是I和Q的相位不平衡，導(dǎo)致邊帶抑制能力差。零中頻面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是邊帶通常太接近微波載波，使濾波器難以實(shí)現(xiàn)。ADMV1013解決了這個(gè)問(wèn)題，它允許用戶通過(guò)寄存器調(diào)諧對(duì)I和Q相位不平衡進(jìn)行數(shù)字校正。正常操作期間，上變頻器展現(xiàn)出未經(jīng)校準(zhǔn)的26dBc邊帶抑制。使用片內(nèi)寄存器之后，其邊帶抑制經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)可以提高到約36dBc。兩種校準(zhǔn)特性都是通過(guò)SPI實(shí)現(xiàn)，無(wú)需額外電路。在I/Q模式下，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)基帶I和Q DAC的相位平衡來(lái)進(jìn)一步提高邊帶抑制。這些性能增強(qiáng)特性幫助最小化外部濾波，同時(shí)改善微波頻率下的無(wú)線電性能。

圖2.采用6mm × 6mm表貼封裝的ADMV1013在評(píng)估板上的圖示

集成了LO緩沖器之后，該部件所需的驅(qū)動(dòng)力僅為0dBm。因此，可使用集成壓控振蕩器(VCO)的頻綜(例如ADF4372或ADF5610)直接地驅(qū)動(dòng)該器件，進(jìn)一步減少外部組件數(shù)量。片內(nèi)四倍頻器將LO頻率倍升至所需的載波頻率，然后通過(guò)可編程的帶通濾波器濾除不需要的倍頻器諧波，該帶通濾波器放置在混頻器正交相位生成模塊之前。這種布局大大減少了進(jìn)入混頻器的雜散頻率，同時(shí)允許該部件與外部低成本、低頻率的頻率合成器/VCO協(xié)同工作。然后，經(jīng)過(guò)調(diào)制的RF輸出通過(guò)一對(duì)放大器級(jí)(兩者中間存在一個(gè)VVA)進(jìn)行放大。增益控制模塊為用戶提供35dB調(diào)節(jié)范圍，最大級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換增益為23dB。ADMV1013采用40引腳基板柵格陣列封裝(見(jiàn)圖2)。這些特性結(jié)合起來(lái)，可以提供卓越的性能、最大的靈活性和易用性，同時(shí)最大程度減少需要的外部組件的數(shù)量。因此，可以實(shí)現(xiàn)小型蜂窩基站等小型微波平臺(tái)。

ADMV1014下變頻器內(nèi)部視圖

ADMV1014也有一些相似的元件，例如其LO路徑中包含LO緩沖器、四倍頻器、可編程的帶通濾波器，以及正交移相器。但是，構(gòu)建作為下變頻器件(見(jiàn)圖1b中的框圖)，ADMV1014的RF前端中安裝有一個(gè)LNA，緊接著安裝了一個(gè)VVA和一個(gè)放大器。連續(xù)的19dB增益調(diào)整范圍由施加給VCTRL引腳的dc電壓進(jìn)行控制。用戶可以選擇在I/Q模式下使用ADMV1014作為從微波到基帶dc的直接解調(diào)器。在這種模式下，經(jīng)過(guò)解調(diào)的I和Q信號(hào)在各自的I和Q差分輸出處放大。它們的增益和dc共模電壓可以通過(guò)SPI由寄存器設(shè)置，使得差分信號(hào)可以dc耦合到(例如)一對(duì)基帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)?；蛘?，ADMV1014可以用作單端復(fù)IF端口的鏡像抑制下變頻器。在任何一種模式下，I和Q相位、幅度的不平衡都可以通過(guò)SPI進(jìn)行校正，在下變頻器解調(diào)至基帶或IF時(shí)，提高其鏡像抑制性能?？偟膩?lái)說(shuō)，下變頻器在24GHz至42GHz頻率范圍內(nèi)，可以提供5.5dB總級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)，以及17dB最大轉(zhuǎn)換增益。當(dāng)工作頻率接近基帶邊緣(高達(dá)44GHz)時(shí)，級(jí)聯(lián)式NF仍然堅(jiān)定保持6dB。

圖3.采用更小型的5mm × 5mm封裝的ADMV1014在評(píng)估板上的圖示

大幅提升5G mmW無(wú)線電性能

圖4所示為下變頻器在28GHz頻率時(shí)的測(cè)量性能，測(cè)量時(shí)，采用5G NR波形，包含4個(gè)獨(dú)立的100MHz通道，每個(gè)通道都在-20dBm輸入功率下調(diào)制至256QAM。測(cè)量得出的EVM結(jié)果為-40dB(1% rms)，支持對(duì)mmW 5G所需的高階調(diào)制方案進(jìn)行解調(diào)。憑借上下變頻器>1GHz的帶寬容量，以及上變頻器的23dBm OIP3和下變頻器的0dBm IIP3，其組合可以支持高階QAM調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量。此外，該器件也支持其他應(yīng)用，如衛(wèi)星和地面接收站寬帶通信鏈路、安全通信無(wú)線電、RF測(cè)試設(shè)備和雷達(dá)系統(tǒng)。其出色的線性度和鏡像抑制性能令人矚目，與緊湊的解決方案尺寸、較小外形、高性能微波鏈路結(jié)合之后，可以實(shí)現(xiàn)寬帶基站。

圖4.測(cè)量得出的EVM性能(rms百分比)與28GHz時(shí)的輸入功率以及對(duì)應(yīng)的256QAM星座圖