高性能双无源混频器可应对 5G MIMO 接收器挑战

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本文作者

ADI 公司

凌力尔特科学专家 Bill Beckwith

高级 RFIC 设计工程师 Xudong Wang

RFIC 设计经理 Tom Schiltz

引言

数据传输速率日益提高是一种全球化需求,这种需求已经超越了目前 4G 无线网络容量的极限。下一代 5G 网络需要将容量提高 10 倍以上,以跟上未来的需求发展。尽管 5G 标准尚未最终确定,但即使不是全部也是大部分市场参与者都认为,带宽至少需要 (从目前的 20MHz 带宽) 增大到 100MHz,有些人甚至说,会增大到 200MHz。如果这样,就需要进入 3.6GHz 以上或更高的频段。

为了满足这种需求,凌力尔特的 LTC5593 双无源下变频混频器在 3.6GHz 提供了出色的线性度和动态范围性能,同时支持超过 200MHz 的平坦信号带宽,可用来构成极其坚固的 MIMO (多输入多输出) 接收器。在 Wi-Fi 和 4G 网络等系统中,当带宽有限时,MIMO 技术显著提高了数据的净吞度速率和接收率,因此 MIMO 技术已经证明了其自身的有用性。在 5G 系统向频率更高的频段迁移时,LTC5593 在 2.3GHz 至 4.5GHz 范围内提供连续的 50Ω 匹配,从而支持在 2.6GHz 和 3.6GHz 频段上的多频段接收器。就频率较低的频段而言,凌力尔特还提供其他引脚兼容的混频器,包括 LTC5590、LTC5591 和 LTC5592,这些混频器涵盖了其余所有 LTE 接收器。每款混频器的频率覆盖范围和典型的 3.3V 性能如表 1 所示。这些混频器可提供高转换增益、低噪声指数 (NF) 以及高线性度和低 DC 功耗。典型功率转换增益为 8dB,并具有 26dBm 的输入三阶截取点 (IIP3)、10dB 的噪声指数和 1.3W 功耗。

1LTC559x 频率覆盖范围和 3.3V 性能总结

器件型号

RF 范围

(GHz)

LO 范围

(GHz)

增益

(dB)

IIP3

(dBm)

噪声指数

(dB)

LTC5590

0.6 – 1.7

0.7 – 1.5

8.7

26.0

9.7

LTC5591

1.3 – 2.3

1.4 – 2.1

8.5

26.2

9.9

LTC5592

1.6 – 2.7

1.7 – 2.5

8.3

27.3

9.8

LTC5593

(3.6GHz)

2.3 – 4.5

2.1 – 4.2

7.6

26.0

11.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LTC5593 系列的双高性能混频器非常适合无线基础设施 MIMO 接收器,例如 RRH (远端射频头)。这类系统极端紧凑,采用密封且不受天气影响和自成一体的外壳,因此在采用大量电子器件时,对保持小尺寸和热量管理造成了挑战。双通道解决方案减少了所需器件数量,简化了 LO 信号走线并减小了电路板面积。此外,每个 LTC5593 都包含集成的 RF 和 LO 平衡-不平衡转换器、双平衡混频器、LO 缓冲放大器和差分 IF 放大器,从而进一步减小了总的解决方案尺寸、降低了复杂性和成本。

混频器描述

图 1 中的简化方框图示出了双通道混频器拓扑,其采用无源双平衡混频器内核驱动 IF 输出放大器。混频器内核是四路开关 MOSFET,通常具有大约 7dB 的转换损耗。然而在此场合中,位于其后的片内 IF 放大器增益大大弥补了该损耗,从而实现了 8dB 左右的总功率增益。差分 IF 输出针对一个标准的 200Ω 接口进行了优化,它能够直接驱动差分 IF 滤波器和可变增益放大器,从而最大限度减少了外部组件。

 

1

 

1:双通道混频器方框图

 

LO通路采用了一个共用的平衡-不平衡转换器,以将单端输入转换为一个差分LO,然后驱动每个通道的独立缓冲放大器。这种分离的 LO 驱动拓扑保持了至两个混频器之 LO 信号的相位相干性,同时可提供卓越的通道隔离度。此外,为了避免发生不希望的VCO负载拉移或者对 VCO 的干扰,在所有的操作模式中均保持了恒定的50Ω LO输入阻抗匹配,甚至当一个或两个混频器级被接通和关断时也不例外。2.1GHz 至 3.4GHz 频率范围内的 50Ω 阻抗匹配通过增设一个 1.5pF 外部串联电容器 C2 来实现。该电容器也是 DC 隔离所需要的。对于更高的 3.6GHz 频段,在电容器的电源侧上增设一个 10nH 并联电感器可在 LO 提供良好的回程损耗。图 2 显示了在各种工作条件下 LTC5593 的 LO 输入回程损耗。该功能消除了对外部LO缓冲级的需要。

2

2:在不同工作状态下 LTC5593 LO 回程损耗

 

传统基站保持其环境是温度受控的,要求组件在温度高达 +85° 时保持正常工作。然而,较小的蜂窝和远端射频头对组件而言则是一种更严酷的环境,要求在温度高达 +105°C 时保持正常运行。LTC5593 混频器针对高达 +105°C 的温度而设计,并在这一温度上经过测试,以满足要求。

为了最大限度减小解决方案尺寸,LTC5593 系列混频器组装在小型 5mm x 5mm 24 引线 QFN 封装中。然而,较小的封装尺寸仅在减小总体解决方案尺寸上起到了部分作用。该器件的高集成度将所需外部组件数减少到约 19 个,从而最大限度减小了电路板面积、降低了复杂性和成本。

接收器应用

双通道接收器中的 LTC5593 混频器功能图如图 3 所示。单端 RF 信号加到混频器输入之前经过放大和滤波。在这个例子中有差分 IF 信号通路,因此无需 IF 平衡-不平衡转换器。SAW 滤波器、IF 放大器和集总元件带通滤波器都是差分式的。这个例子中的接收器采用如图所示的电路组件值时,支持 150MHz IF 带宽。通过降低差分引脚之间的阻抗,可以实现更大的带宽,但增益会略有降低。

3

 

3:接收器应用中的 LTC5593 双无源混频器

在很多 MIMO 接收器中,都采用高选择性 SAW 滤波器,以在混频器输出端隔离不想要的杂散噪声和噪声。混频器的 8dB 转换增益补偿了这类滤波器的高插入损耗,降低了它们对系统噪声层的影响。混频器的总体性能很高,因此可以在承受滤波器损耗的同时,使接收器满足灵敏度和无寄生要求。

多通道接收器的另一个重要性能目标是通道至通道隔离度。通道至通道隔离度指的是,未驱动通道的 IF 输出值与已驱动通道的 IF 输出值之比。这个参数通常规定为比天线至天线隔离度高 10dB,以避免降低系统性能。LTC5593 以精确的 IC 设计为基础,在 3.6GHz 时实现了 44dB 通道至通道隔离度,在 2.6GHz 时则为 52dB,这满足了很多种多通道应用的需求。

功耗和解决方案尺寸

随着多频段 / 多模式基站拓扑的成熟以及从 4G 到未来的 5G 网络系统的定义更加精确,无线基础设施系统也正在向新的平台配置方式转变,这些配置方式允许以最低限度的硬件和软件更改,满足各种不同的频段或模式需求。LTC559x 系列双混频器全部拥有相同的引脚布局,因此易于针对所有频段使用相同的电路板布局。

无线通信的持续增长也刺激了更小型蜂窝的使用,例如微微蜂窝和毫微微蜂窝。需要更多更小的蜂窝加上越来越多地使用远端射频头,已经对基础设施系统造成了更多限制,因此需要更高的集成度和更小的解决方案尺寸,

随着蜂窝数量的增加,功耗也变得日益重要了,因为能耗成本成比例地上升了。另一方面,在远端射频头中,由于依靠被动冷却,所以热量压力成了主要问题。只是减小解决方案尺寸还不够,因为系统尺寸减小会导致功率密度提高、结温上升和潜在的组件可靠性降低之问题。因此,有必要同时降低系统功耗和减小尺寸。这个目标很有挑战性,因为必须保证不影响 RF 性能。

过去,将两个单独的混频器整合到一个芯片上会导致 2W 的总体功耗。为了降低功耗,LTC5593 系列混频器设计为以 3.3V 而不是 5V 运行。低压电路设计方法降低了功耗但不影响转换增益、IIP3 或噪声指数性能。惟一受到较低电源电压影响的参数是输出 P1dB 性能,该性能参数约为 10.4dBm。当驱动 200W 负载阻抗时,P1dB 受 IF 放大器开路集电极端输出电压摆幅的限制。就需要较高 P1dB 的应用而言,这些混频器被专门设计成允许在 IF 放大器上使用 5V 电源。电源电压提高后,P1dB 改善为 13.7dBm。

如表 1 所示,双混频器实现了卓越的性能,同时在两个通道都启动时,功耗才刚刚超过 1.3W。为了进一步降低功率,通过使用独立的使能控制,每个通道都可以独立地按需关闭。在可以接受降低线性度要求的情况下,ISEL 引脚允许用户切换至小电流模式,以进一步降低 DC 功耗。

结论

为满足新兴 5G 多通道基础设施接收器的严格要求,LTC5593 双无源下变频混频器提供了所需的高性能,推进了频率升高和带宽增大。该混频器兼具高转换增益、低噪声指数和高线性度,改善了系统总体性能,同时低功耗和很小的解决方案尺寸满足了不断变小的基站和远端射频头越来越严格的要求。