MIMO 接收器需要高性能的雙通道無源混頻器
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引言
多輸入多輸出 (MIMO) 技術正越來越多地應用于高數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)，如 Wi-Fi 和 3G/4G 蜂窩技術。MIMO 系統(tǒng)較高的數(shù)據(jù)速率可增加系統(tǒng)容量并提升效率水平。為了降低系統(tǒng)復雜性和尺寸，MIMO 接收器需要能夠處理多個通道的集成電路 (IC)。為滿足這一需求，LTC559x雙通道無源下變頻混頻器系列提供了 600MHz 至 4.5GHz 的頻率覆蓋范圍。該混頻器系列包含 LTC5590、LTC5591、LTC5592 和 LTC5593。表 1 羅列了每款混頻器的頻率覆蓋范圍和典型 3.3V 性能。這些混頻器可提供高轉換增益、低噪聲指數(shù) (NF) 以及高線性度和低 DC 功耗。典型轉換增益為 8dB，并具有一個 26dBm 的輸入三階截取點 (IIP3)、10dB 的噪聲指數(shù)和 1.3W 功耗。
表 1：LTC559x 系列的頻率覆蓋范圍和 3.3V 性能概要
器件型號 | RF 范圍 (GHz) | LO 范圍 (GHz) | 增益 (dB) | IIP3 (dBm) | NF (dB) |
LTC5590 | 0.6 至 1.7 | 0.7 至 1.5 | 8.7 | 26.0 | 9.7 |
LTC5591 | 1.3 至 2.3 | 1.4 至 2.1 | 8.5 | 26.2 | 9.9 |
LTC5592 | 1.6 至 2.7 | 1.7 至 2.5 | 8.3 | 27.3 | 9.8 |
LTC5593 | 2.3 至 4.5 | 2.1 至 4.2 | 8.5 | 27.7 | 9.5 |
LTC559x 雙通道高性能混頻器系列非常適用于無線基礎設施 MIMO 接收器。此類雙通道解決方案減少了組件數(shù)目、簡化了 LO 信號的布線、以及減小了電路板面積。此外，每款 LTC559x 器件還內置了集成型 RF 和 LO 平衡-不平衡轉換器、雙平衡混頻器、LO 緩沖放大器和差分 IF 放大器，從而進一步減低了總體解決方案尺寸、復雜性和成本。
混頻器描述
圖 1 中的簡化示意圖描繪了雙通道混頻器拓撲結構，其采用無源雙平衡混頻器內核來驅動 IF 輸出放大器。這些混頻器內核是四路開關 MOSFET，通常具有大約 7dB 的轉換損耗。然而在此場合中，位于其后的 IF 放大器增益大大彌補了該損耗，從而實現(xiàn)了 8dB 左右的總增益。差分 IF 輸出針對 200Ω 負載進行了優(yōu)化。
圖 1：雙通道混頻器的方框圖
LO 通路采用了一個共用的平衡-不平衡轉換器，以將單端輸入轉換為一個差分 LO，然后驅動每個通道的獨立緩沖放大器。為了避免發(fā)生不希望的 VCO 負載拉移，在所有的操作模式中均保持了優(yōu)良的 LO 阻抗匹配。作為例子，圖 2 示出了 LTC5591 在各種不同操作條件下的 LO 輸入回程損耗。該特性免除了增設一個外部 LO 緩沖級的需要。
圖 2：LTC5591 在各種不同操作狀態(tài)下的 LO 輸入回程損耗
傳統(tǒng)基站維持的是一種由溫度控制的環(huán)境，并要求組件能在高達 +85°C 的溫度下運作。然而，較小的蜂窩和遠端射頻頭卻使組件面臨著一種更加嚴酷的環(huán)境，組件被要求能夠在高達 +105°C 的溫度下工作。LTC559x 混頻器專門針對 +105°C 的溫度條件進行了設計和實際的測試，旨在滿足上述要求。
為盡量減小解決方案尺寸， LTC559x 混頻器組裝于小型 5mm x 5mm 24 引線 QFN 封裝。不過，小封裝尺寸只是導致總體解決方案尺寸減小的原因之一。高集成度將所需的外部組件數(shù)目減少至大約 19 個，從而最大限度地縮減了電路板面積、復雜性和成本。
接收器應用
圖 3 給出了 LTC559x 混頻器在一個雙通道接收器中的功能示意圖。在把單端 RF 信號施加至混頻器輸入端之前對其進行放大和濾波。在該實例中示出的是差分 IF 信號通路，免除了增設一個 IF 平衡-不平衡轉換器的需要。SAW 濾波器、IF 放大器和集總元件帶通濾波器均為差分型。
圖 3：LTC559x 雙通道無源混頻器在接收器中的應用
在許多 MIMO 接收器中均使用了高靈敏度 SAW 濾波器，旨在隔離混頻器輸出端上不想有的雜散信號和噪聲?；祛l器的 8dB 轉換增益可補償這些濾波器的高插入損耗，并減輕它們對于系統(tǒng)噪聲層的影響?？傮w混頻器性能可接納濾波器損耗，同時使接收器能夠滿足靈敏度和雜散性能要求。
多通道接收器的另一個重要規(guī)格指標是“通道間隔離”。通道間隔離是相對于受驅動通道輸出 IF 電平的未驅動通道輸出 IF 電平。該參數(shù)的規(guī)定值通常優(yōu)于“天線間隔離”(高 10dB)，以避免導致系統(tǒng)性能下降。憑借其精準的 IC 設計，LTC559x 混頻器實現(xiàn)了大于 45dB 的通道間隔離，可滿足大多數(shù)多通道應用要求。
功耗和解決方案尺寸
伴隨多頻段/多模式基站拓撲結構的成熟以及 4G 網(wǎng)絡系統(tǒng)定義的進一步細化，無線基礎設施呈現(xiàn)出這樣的發(fā)展方向，即：構建能以極少的硬件和軟件變更來實現(xiàn)各種不同頻段或模式要求的平臺配置。所有的 LTC559x 混頻器均共用同一種引出腳配置，因而可以很容易地將相同的電路板布局用于所有的頻段。
另外，無線通信技術的不斷發(fā)展還促使業(yè)界采用更小的蜂窩，例如：微微蜂窩和毫微微蜂窩。由于需要更多和更小的蜂窩，再加上遠端射頻頭使用量的增加，給基礎設施系統(tǒng)施加了額外的限制條件，因而要求更高的集成度和更小的解決方案尺寸。
隨著蜂窩數(shù)目的增加，功耗指標也變得日益重要起來，這是因為能源成本將隨之成正比例地上升。另一方面，在遠端射頻頭中，由于依賴被動冷卻的原因，熱應力是一個重大的問題。只是簡單地縮減解決方案尺寸還不夠，因為系統(tǒng)尺寸的縮小將導致較高的功率密度、較高的結溫、以及潛在的組件可靠性下降問題。因此，有必要同時縮減系統(tǒng)的功耗和尺寸。這一目標是頗具挑戰(zhàn)性的，原因是一定不得犧牲 RF 性能。
過去，把兩個單獨的混頻器組合在一顆芯片上將產(chǎn)生 2W 的總功耗。為了降低功耗，LTC559x 混頻器專門針對 3.3V (而不是 5V) 工作電壓進行了設計。低電壓電路設計方法既可降低功耗，又不會影響轉換增益、IIP3 或噪聲指數(shù)性能。唯一受到較低電源電壓影響的參數(shù)是 P1dB 性能，其大約為 11dBm。當驅動 200Ω 負載阻抗時，IF 放大器開路集電極上的電壓擺幅會對 P1dB 性能產(chǎn)生輸出限制。對于那些需要較高 P1dB 的應用，混頻器進行了針對性的特別設計，允許 IF 放大器采用一個 5V 電源。較高的電壓可將 P1dB 提升至大于 14dBm。
如表 1 所列，雙通道混頻器在功耗剛剛超過 1.3W 的情況下 (兩個通道均被使能) 實現(xiàn)了卓越的性能。如需節(jié)省更多的電能，則可通過采用獨立的使能控制按照需要單獨地關斷個別通道。在可以接受降低線性度要求的場合中，ISEL 引腳允許用戶切換至低電流模式并進一步減少 DC 功耗。
結論
LTC559x 雙通道無源下變頻混頻器系列擁有滿足當今多通道基礎設施接收器之苛刻要求所需的高性能。這些混頻器的高轉換增益、低噪聲指數(shù) (NF) 與高線性度組合改善了總體系統(tǒng)性能，而低功耗與小解決方案尺寸則能滿足如今較小基站和遠端射頻頭更為嚴格的要求。
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