高 IIP3 14GHz 混頻器把易用性帶到了微波無線電設計中

在下一代無線接入應用中帶寬將迅速拓展，以應對不斷增長的互聯(lián)網流量。與此同時，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行適用性評估。有多種選項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 可為此項努力提供支持。

LTC5549 是一款無源雙平衡混頻器，其能夠充當一個上變頻器或下變頻器。該器件具有一個 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態(tài)范圍。LTC5549 憑借其僅需 0dBm 驅動功率的集成型 LO 緩沖器 (因而實際上免除了增設外部高功率 LO 驅動器電路的需要) 實現(xiàn)了高效的微波發(fā)送器和接收器設計。此外，LTC5549 還集成了一個用于 LO 信號的片內、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 運用了專為擴展 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，同時實現(xiàn)了單端運作。而且，其 IF 端口能夠支持 0.5GHz 至 6GHz 的寬帶寬。所有三個端口均為 50Ω 匹配，并具有卓越的端口至端口隔離指標，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建的。與此相反，LTC5549 則是采用一種非常高頻的先進 SiGe BiCMOS 工藝制作的。該器件實現(xiàn)了很高的集成度，內置了片內 LO 緩沖器和微波平衡-不平衡變壓器。對單片式晶片進行了倒裝并安裝到一個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 性能在其同類產品中脫穎而出。改善的性能強化了接收器或發(fā)送器的動態(tài)范圍。對于接收器而言，當存在鄰近的高功率干擾時，不管它來自于帶外非故意發(fā)送器源抑或是自感應 (從多分區(qū)系統(tǒng)中的另一個發(fā)送器滲漏)，較高的 IIP3 都將提升堅固性。較大動態(tài)范圍接收器可提供附加的設計余量，因此在處理高障礙物時更具寬容性 D 這是因為隨著無線電部署的日益增多，電波將隨著時間的推移持續(xù)減弱。

同樣，對于發(fā)送器來說，IIP3 較高 (OIP3 因此也較高) 的混頻器有助產生較少的雜散分量，從而實現(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制的無線電設備特別有用，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象準確度定義。此外，較高的 IIP3 還允許混頻器在高輸出功率下運作，因而可提供更加穩(wěn)健的輸出功率級別。額外的設計余量有助放寬設計約束條件，從而提供靈活性。

低 LO 驅動簡化了設計

LTC5549 的集成型 LO 放大器實際上免除了驅動傳統(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 驅動使得能夠直接采用一個 PLL / 合成器來驅動 LO，并不需要進行緩沖。除了節(jié)省成本之外，低 LO 功率所產生至 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的任何帶外輻射所必需的外部濾波較少。另一個好處是在 PC 板上未布設一個高功率輻射源。這意味著可顯著地節(jié)省成本，因為它降低了 RF 抑制屏蔽的要求，而對于許多具有這種高功率 LO 信號的設計來說，滿足此項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 運用了平面平衡-不平衡變壓器設計中正待專利審議的最新技術進展，從而使單片式混頻器能夠在極寬的帶寬內工作。實現(xiàn)了前所未有的對稱性，產生了異常平衡的操作，并在非常寬的帶寬內獲得了最優(yōu)的雜散抵消和平坦的頻率響應。例如：50Ω 匹配的 RF 端口及其內置的變壓器和一個 0.15pF 外部電容器在 2GHz 至 14GHz 頻率范圍內持續(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 0.15pF 并聯(lián)電容器和一個串聯(lián)電容器，端口在 1GHz 至 12GHz 頻率范圍內是 50Ω 匹配。在整個頻率范圍內回程損耗指標優(yōu)于 10dB。

隨著 5G 數(shù)據速率的增加，帶寬也將增加

5G 無線通信預計可提供 1Gbps 的數(shù)據速率。為了實現(xiàn)這樣的速度，將需要把帶寬提高至 1GHz 或更高?？梢钥隙ǖ氖?，必需開拓新的頻譜。LTC5549 具有出色的帶寬，可支持超過 1GHz 的平坦響應。

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

設計示例：3.6GHz 至 12.6GHz 頻段上變頻應用

我們來看一個把 3.6GHz 信號轉換為 12.6GHz 載波的應用示例。采用了一個低壓側 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) 來進行。內部 2X LO 被旁路，于是采用一個干凈的實驗室信號發(fā)生器直接注入一個 9GHz LO 信號。由于評估板的組件已經是寬帶匹配，因此可以直接使用，無需改動 (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 的兩個音調進行測量。測得的輸出三階互調失真雜散下降了 -57.5dBc。這對應于一個 +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，濾波應該不是一個大問題。最靠近的雜散實際上是 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備。

圖 2：三階互調雜散的測量值為 -74dBm，建議在 12.6GHz 頻率條件下具有一個 +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：上變頻混頻器的轉換損耗為 12dB，但是在 12.6GHz 載頻條件下，其于 1GHz 帶寬內具有 1dB 的平坦度。

結論

LTC5549 擁有超卓的 IIP3 規(guī)格指標，能夠提升針對接收器或發(fā)送器應用的動態(tài)范圍性能。其具有一個集成型 LO 緩沖器，因而節(jié)省了成本并產生了非常低的 LO 泄漏。該器件的集成型片內平衡-不平衡變壓器提供了異常寬的帶寬，可簡化設計并實現(xiàn)非常緊湊的解決方案尺寸。