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)對不斷增長的互聯(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，人們正在對更高的頻譜進(jìn)行適用性評估。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 D 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

性能測量采用一塊 LTC5549 評估板 (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 頻率上對間隔 2MHz 的兩個(gè)音調(diào)進(jìn)行測量。測得的輸出三階互調(diào)失真雜散下降了 -57.5dBc。這對應(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，可簡化設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)非常緊湊的解決方案尺寸。