混頻器件面貌之變遷

　　摘要

　　半導體工藝和RF封裝技術的不斷創(chuàng)新完全改變了工程師設計RF、微波和毫米波應用的方式。RF設計人員需要比以往任何時候都更具體、更先進的技術和設計支持。設計技術持續(xù)發(fā)展，RF和微波器件的性質(zhì)在不久的未來將大不相同。本文介紹各種類型的混頻器、各自的優(yōu)缺點，以及在不同市場中應用的演變。本文討論不同混頻器件(主要是混頻器)不斷變化的面貌，以及技術進步如何改變不同市場的需求。

　　簡介

　　在RF和微波設計中，混頻是信號鏈最關鍵的部分之一。過去，很多應用都受制于混頻器的性能。混頻器的頻率范圍、轉(zhuǎn)換損耗和線性度，決定了混頻器能否用于特定應用。頻率高于30 GHz的設計很難實現(xiàn)，此等頻率的器件封裝更是難上加難。大部分時候，簡單的單、雙和三平衡混頻器滿足了一般市場的需求。但是，隨著企業(yè)開發(fā)出的應用越來越先進，并希望提高每dB的性能，傳統(tǒng)混頻器便顯得捉襟見肘。當今和未來的市場需要這樣的混頻解決方案：針對各種應用專門定制，性能優(yōu)化，并且支持基于通用平臺的設計以便重復使用。

　　根據(jù)應用類型和最終市場，如今的設計人員會有非常不同的需求。一般而言，現(xiàn)在大多數(shù)設計人員需要寬帶性能、更高線性度、與信號鏈中其他器件更高的集成度，以及更低的功耗。但是，細分市場不同，以上各種需求的優(yōu)先級也大不相同。

　　不同種類的混頻器和頻率轉(zhuǎn)換器

　　討論混頻器和頻率轉(zhuǎn)換器在不同市場中的應用之前，了解不同類型混頻器的基本特性會很有用。顧名思義，混頻器將兩個輸入信號混合，產(chǎn)生其頻率之和或頻率之差。利用混頻器產(chǎn)生比輸入信號高的輸出頻率時(兩個頻率相加)，稱為上變頻。利用混頻器產(chǎn)生比輸入信號低的輸出頻率時，稱為下變頻。

　　下一節(jié)說明各類常用混頻器的高層次設計和優(yōu)缺點。

　　單/雙/三平衡無源混頻器

　　最常見的混頻器類型是無源混頻器。此類混頻器有不同的設計樣式，如單端、單平衡、雙平衡和三平衡等。使用最廣泛的架構是雙平衡混頻器。這種混頻器很受歡迎，因為其性能出色，實現(xiàn)和架構簡單，性價比高，并能提供多種選項。

　　無源混頻器通常以簡易性而出名，不需要任何外部直流電源或特殊設置。此類混頻器還有其他為人所稱道的特性，包括寬帶寬性能、良好的動態(tài)范圍、低噪聲系數(shù)(NF)以及端口間良好的隔離。此類混頻器的設計及其無外部直流電源要求的優(yōu)勢，使得混頻器輸出端的噪聲系數(shù)很低。一個較好的經(jīng)驗法則是，無源混頻器的噪聲系數(shù)等于其轉(zhuǎn)換損耗。此類混頻器非常適合有低噪聲系數(shù)要求的應用，而有源混頻器無法滿足這一要求。此類混頻器擅長的另一個領域是高頻和寬帶寬設計。從RF一直到毫米波頻率，它們都能提供良好的性能?；祛l器的另一個重要特性是不同端口之間的隔離。此特性往往決定了具體應用可使用何種混頻器。三平衡無源混頻器的隔離性能通常最佳，但其架構復雜，而且其他特性(如線性度等)有些不足。雙平衡無源混頻器的端口間隔離性能良好，同時架構較簡單。對大多數(shù)應用而言，雙平衡混頻器實現(xiàn)了隔離度、線性度和噪聲系數(shù)的最佳組合。

　　2 混頻器件面貌之變遷

　　就信號鏈整體而言，線性度(也常用三階交調(diào)截點IIP3來衡量)是RF和微波設計的最重要特性之一。無源混頻器通常以高線性度性能而出名。遺憾的是，為了實現(xiàn)最佳性能，無源混頻器需要高LO輸入功率。多數(shù)無源混頻器使用二極管或FET晶體管，需要大約13 dBm到20 dBm的LO驅(qū)動，這對某些應用情形來說是相當高的。高LO驅(qū)動要求是無源混頻器的最大弱點之一。無源混頻器的另一個弱點是混頻器輸出端的轉(zhuǎn)換損耗。此類混頻器是無增益模塊的無源元件，故而混頻器輸出端往往有很高的信號損耗。例如，若混頻器的輸入功率為0 dBm，且混頻器有9 dB的轉(zhuǎn)換損耗，則混頻器輸出將是–9 dBm?？偟膩碚f，此類混頻器非常適合測試測量和軍用市場，稍后將予以討論。

　　無源混頻器的優(yōu)勢

• 　　? 寬帶寬

• 　　? 高動態(tài)范圍

• 　　? 低噪聲系數(shù)

• 　　? 高端口間隔離

  

　　圖1.I/Q混頻器框圖和鏡像抑制頻域圖

　　I/Q鏡像抑制(IRM)混頻器

　　I/Q混頻器是一類無源混頻器。它不但擁有常規(guī)無源混頻器的優(yōu)勢，還具備其他優(yōu)勢，即不通過任何外部濾波便可消除不需要的鏡像信號。此類混頻器用作下變頻器時也稱為IRM(鏡像抑制混頻器)，用作上變頻器時則稱為SSB(單邊帶混頻器)。I/Q混頻器由兩個雙平衡混頻器構成，LO信號一分為二，然后經(jīng)過相移而相差90°(一個混頻器為0°，另一個混頻器為90°)。通過此相移，混頻器得以僅產(chǎn)生一個邊帶(需要的)信號，而抑制不需要的信號。

　　圖2在同一頻譜圖上顯示了I/Q混頻器(紫色線)和雙平衡混頻器(藍色線)的性能。可以看到，I/Q混頻器通過提供45 dB抑制來抑制不需要的低邊帶，而雙平衡混頻器同時產(chǎn)生了高邊帶和低邊帶。

　　像雙平衡無源混頻器一樣，I/Q混頻器也需要高LO輸入功率。從架構看，I/Q混頻器采用兩個雙平衡混頻器，因此與兩個雙平衡混頻器相比，所需的LO驅(qū)動往往要再多出大約3 dB。I/Q混頻器對精密平衡的相位和幅度輸入匹配很敏感。輸入信號、混合結構、系統(tǒng)板或混頻器本身的任何偏離90°的相移或幅度失衡，都會直接影響鏡像抑制水平。通過外部校準混頻器以改善性能，可以校正這些誤差的影響。

　　由于邊帶抑制特性，I/Q混頻器常用于需要消除邊帶但不通過外部濾波的應用，同時它能提供非常好的噪聲系數(shù)和線性度。此類市場的常見例子是微波點對點回程通信、測試測量儀器儀表和軍事用途。

　　I/Q混頻器的優(yōu)勢

• 　　? 固有的鏡像抑制

• 　　? 無需昂貴的濾波

• 　　? 良好的幅度和相位匹配

　　有源混頻器

　　另一種常見混頻器是有源混頻器。有源混頻器主要有兩類：單平衡和雙平衡(也稱為吉爾伯特單元)混頻器。有源混頻器的優(yōu)勢是LO端口和RF輸出端內(nèi)置增益模塊。此類混頻器會為輸出信號提供一定的轉(zhuǎn)換增益，并且輸入LO功率要求較低。有源混頻器的典型LO輸入功率是0 dBm左右，遠低于大多數(shù)無源混頻器。

　　有源混頻器常常還集成LO倍頻器，用來將LO頻率倍乘到更高的頻率。此倍頻器對客戶非常有利，無需高LO頻率便可驅(qū)動混頻器。有源混頻器通常具有很好的端口間隔離。然而，其缺點是噪聲系數(shù)較高，而且多數(shù)情況下線性度較低。對輸入直流電源的需求影響了有源混頻器的噪聲系數(shù)和線性度。有源混頻器常用于通信和軍用市場，低LO驅(qū)動和集成轉(zhuǎn)換增益的需求對此類市場可能很重要。在測試測量市場，有源混頻器主要用作IF子部分的第三級或最后一級混頻器，或用于低端儀表(集成化和高性價比設計比噪聲系數(shù)更重要)。

　　有源混頻器的優(yōu)勢

• 　　? 高集成度、小尺寸

• 　　? LO驅(qū)動要求低

• 　　? 集成LO倍頻器

• 　　? 良好的隔離，但線性度和噪聲系數(shù)不佳

  

圖2.HMC773A無源混頻器和HMC8191 I/Q混頻器的頻譜圖，IF輸入為1 GHz，LO輸入為16 GHz.

　　集成頻率轉(zhuǎn)換混頻器

　　由于客戶需要更完整的信號鏈解決方案，還有一類混頻器變得頗受歡迎，那就是集成頻率轉(zhuǎn)換器。此類器件由不同功能模塊構成，這些模塊連接在一起形成一個子系統(tǒng)，使得客戶的最終系統(tǒng)設計更簡單。此類器件在同一封裝或芯片中集成不同模塊，例如混頻器、PLL(鎖相環(huán))、VCO(壓控振蕩器)、倍頻器、增益模塊、檢波器等等?？蓪⒋祟惼骷谱鞒蒘IP(系統(tǒng)化封裝)，即把多個裸片組裝到同一封裝中，或一個裸片包括所有設計模塊。

　　通過將多個器件集成到一個芯片或封裝中，頻率轉(zhuǎn)換器可以給設計人員帶來很大好處，比如：尺寸更小、器件更少、設計架構更簡單，更重要的是，產(chǎn)品上市時間更快。

　　圖3.集成頻率轉(zhuǎn)換混頻器HMC6147A的功能框圖

　　混頻器在不同市場中的應用

　　了解各類常用混頻器及其優(yōu)缺點之后，我們便可討論其在不同市場中的應用。

　　蜂窩基站和中繼器市場

　　對于蜂窩基站和中繼器市場，成本和集成度是最大的考量因素。隨著全球3G、LTE和TDD-LTE網(wǎng)絡的快速增長，運營商需要開發(fā)能在多個采用不同頻段的地區(qū)性市場重復利用的RF硬件平臺。在技術上和資金上，各地區(qū)性市場的需求是不同的。因此，蜂窩基站所用的混頻器必須能覆蓋多個蜂窩頻段，達到大量部署所要求的低價位水平，并提供更高的集成度以便加快開發(fā)和降低成本。所以，寬帶、有源、高集成度混頻器(頻率轉(zhuǎn)換器)常用于這一市場。

　　一級、二級和蜂窩基站供應商常常使用ADI公司基于SiGe的BiCMOS混頻器，其集成LO/IF放大器和PLL/VCO。ADRF6655(集成PLL/VCO的0.1 GHz至2.5 GHz寬帶混頻器)、AD8342(LF至3 GHz寬帶有源混頻器)和ADL5811(集成IF和寬帶LO放大器的0.7 GHz至2.8 GHz混頻器)是蜂窩基站和接收機設計常用的混頻器。這些混頻器混合使用有源和無源混頻器技術，以低成本集成多個RF器件，并提供寬帶性能。

　　點對點微波回程(通信基礎設施)

　　通信基礎設施(有線和無線)制造商正在轉(zhuǎn)向集成度更高的設計，且特別注重高性能，以支持數(shù)據(jù)吞吐所需的最高調(diào)制。為了支持更高的數(shù)據(jù)速率，回程無線電必須具有非常高的性能。一二十年前，大多數(shù)OEM(原始設備制造商)采用平衡混頻器和外差架構，通用混頻器即可很好地滿足多種點到點無線電設計需求。后來，OEM開始采用I/Q(或IRM)混頻器來改善性能并減少濾波電路。如上所述，消除鏡像頻率是I/Q混頻器的固有能力，因此無需進行成本高昂的干擾邊帶濾波。ADI公司提供種類廣泛的I/Q混頻器，可覆蓋所有商用微波頻段。這些混頻器大大簡化了基站設計，并顯著提高了系統(tǒng)性能以支持更高的QAM。

　　現(xiàn)在，產(chǎn)品上市時間越來越短，對點到點回程性能的要求越來越高，因此OEM開始采用集成度更高的I/Q上變頻器和下變頻器。ADI公司的典型上變頻器(如HMC7911LP5E和HMC7912LP5E)將I/Q混頻器、2倍有源倍頻器和RF輸出端的驅(qū)動放大器集成在同一封裝中。因此，無需再選擇多款匹配器件并優(yōu)化各器件的性能，設計人員現(xiàn)在可以只選擇一款上變頻器，并把更多時間投入到優(yōu)化信號鏈的整體性能上。

　　類似地，ADI公司的I/Q下變頻器(如HMC1113LP5E、HMC977LP4E和HMC6147ALC5A)將I/Q混頻器、LNA、2倍有源倍頻器和LO放大器集成在同一封裝中。ADI公司的下變頻器提供業(yè)界領先的性能，全頻段的鏡像抑制高達40 dBc，噪底低至2.5 dB，適合所有商用微波回程接收機設計。ADI公司是業(yè)界唯一提供全系列上變頻器和下變頻器產(chǎn)品的公司，這些產(chǎn)品支持從6 GHz到42 GHz的所有商用微波頻段。

　　微波回程無線電市場的性能和集成度競爭非常激烈。幾年前，多數(shù)OEM聚焦于某些特定頻段，僅針對這些頻段來研發(fā)解決方案。如今，隨著全球無線需求的增長和新頻譜的分配，多數(shù)OEM計劃開發(fā)支持6 GHz到42 GHz的所有商用微波頻段的無線電。因此，基站設計不再依賴于分立器件或部分集成的器件。新設計要求采用平臺化方法，以便能將常見器件用于多個頻段。

　　因此，多數(shù)OEM現(xiàn)在期望通過一個通用混頻平臺來覆蓋多個無線電頻段，并獲得最佳性能和規(guī)模經(jīng)濟。ADI公司業(yè)界領先的ADRF6780(6 GHz至24 GHz I/Q調(diào)制器)便是在這一方向上取得的一大進步。現(xiàn)在利用單個I/Q調(diào)制器或I/Q解調(diào)器，OEM便能設計支持6 GHz到24 GHz的九個不同頻段的微波回程無線電。如圖4所示，ADRF6780將I/Q混頻器、可選的LO倍頻器、VVA、對數(shù)檢波器和SPI可編程的四通道分離緩沖器集成在同一封裝中。這款器件功能靈活，OEM既可將其用于傳統(tǒng)的外差架構中(IF為0.8 GHz至3.5 GHz，無需多個器件)，也可將其用于直接變頻架構(零中頻架構)中(一個器件支持RF至基帶)。由于集成了LO倍頻器和緩沖器，減少了對高輸入頻率和功率的需要。此器件還具有VVA增益控制功能，需要時可提供恒定的輸出增益。此器件的所有與增益設置、鏡像抑制、校準等有關的功能，都可以通過SPI總線控制，設計人員在設計中使用起來更簡便。

　　圖4.寬帶微波上變頻器ADRF6780功能框圖

　　圖5顯示了ADRF6780校準后的邊帶抑制性能，并突出反映了即使在寬帶情形下，這款新一代器件也能提供先進的RF性能。

　　圖5.ADRF6780邊帶抑制和載波饋通調(diào)零

　　新轉(zhuǎn)換器重新定義了設計人員設計微波基站信號鏈的方法。利用這款轉(zhuǎn)換器，RF設計人員現(xiàn)在可以把更多時間花在信號鏈性能優(yōu)化和軟件升級上，而傳統(tǒng)的匹配各器件的方法只能實現(xiàn)系統(tǒng)基本特性。

　　測試測量儀器儀表和軍用

　　測試測量(T&M)儀器儀表和軍用市場對寬帶性能一直有著非常獨特的需求。此類市場中的大部分應用(如電子戰(zhàn)、雷達、頻譜分析儀等)是高度定制化的，需要極其出色的信號完整度和精度。這些應用通常還跨越廣泛的頻譜(寬帶要求)，需要能夠檢測超低保真度信號(低噪聲系數(shù)和高線性度)。ADI公司市場營銷總監(jiān)Duncan Bosworth于2015年6月發(fā)表了一篇文章“多功能：困境抑或現(xiàn)實?”，詳細討論了軍工客戶的寬帶需求。

　　寬帶、設計靈活性和高性能的需求，使得測試測量和軍工客戶更喜歡使用能夠個別定制和優(yōu)化以達到特定設計目標的分立混頻器。如上所述，無源混頻器的線性度和噪聲系數(shù)優(yōu)于集成或有源混頻器。順帶說一句，即便在無源混頻器中，寬帶和最優(yōu)RF性能(線性度、噪聲系數(shù)、雜散等)也像一枚硬幣的兩面。傳統(tǒng)上，半導體公司用帶寬來交換RF性能，或者相反。結果，軍工和測試測量設計人員并聯(lián)使用多個窄帶器件來覆蓋寬頻率范圍。通過這種方法，他們能在各窄帶中提供最佳性能。這樣的解決方案是有效的，但設計極其復雜、昂貴且難以維護。

　　隨著技術和工藝的進步，ADI等公司現(xiàn)在能夠簡化設計。利用寬帶混頻器，測試測量和軍工客戶可以獲得與窄帶器件相當或更好的性能，而且一個器件就能覆蓋多個頻段。2009以來，ADI公司推出了業(yè)界最齊全的無源寬帶混頻器系列，包括單/雙/三平衡混頻器、I/Q混頻器、高IP3和次諧波混頻器。設計人員再也不需要犧牲性能來實現(xiàn)寬帶設計。ADI公司業(yè)務開發(fā)總監(jiān)Chandra Gupta最近發(fā)表了一篇文章“探究寬帶頻率轉(zhuǎn)換器”，詳細討論了ADI公司如何利用寬帶頻率轉(zhuǎn)換器簡化測試測量和軍用設計。圖6突出展示了寬帶器件(包括寬帶混頻器)如何簡化測試測量和軍工應用的整個信號鏈。

　　雖然其他市場大多已開始轉(zhuǎn)向集成混頻器以降低成本并簡化設計，但諸如HMC773ALC3B(6 GHz至26 GHz雙平衡混頻器)和HMC1048LC3B(2 GHz至18 GHz雙平衡混頻器)之類的分立混頻器件在測試測量和軍工客戶中仍然占有突出地位。對于頻譜分析儀和信號分析儀等高精度測試測量儀器儀表應用，以及對于先進雷達和電子戰(zhàn)應用，I/Q混頻器開始受到歡迎。這些混頻器無需外部濾波，同時仍有良好的鏡像抑制性能。

　　過去，業(yè)界中的大部分I/Q混頻器受窄帶限制。但現(xiàn)在，隨著ADI公司通過創(chuàng)新不斷突破RF和微波的限制，業(yè)界將擁有兩款新型寬帶I/Q混頻器——HMC8191LC4(6 GHz至26 GHz I/Q混頻器)和HMC8193LC4(2.5 GHz至8.5 GHz I/Q混頻器)。測試測量和軍工客戶可以用這兩款混頻器取代最多八個窄帶I/Q混頻器，同時仍能實現(xiàn)同樣的應用設計目標。設計人員再也不需要放棄性能來換取寬帶性能。

　　未來幾年，測試測量和軍用市場可能會繼續(xù)使用分立式混頻解決方案。然而，隨著便攜式和低功耗需求的增長，我們很快會看到這些應用將逐漸提高集成度并降低功耗。無源混頻器先天具有更高的線性度、更好的噪聲系數(shù)和更低的功耗，但集成靈活性有限。有源混頻器具有高集成度，但功耗和噪聲系數(shù)不如人意。我們預期在這個方向上會有更多創(chuàng)新和更先進的研發(fā)成果?；蛟S有一天，我們會擁有兩全其美的混頻器——既能提供高線性度和寬帶性能，又有較低的功耗和較小的尺寸。這一天不會太遠。

　　總結

　　微波行業(yè)不斷取得令工程界驚訝的技術進步?，F(xiàn)在對微波混頻器件的需求變得比以往更加多樣化，與特定市場應用的關系更加密切。過去的通用混頻器產(chǎn)品將不再適用不同市場中的新型應用。OEM更多地以平臺和應用為中心來看待其設計。半導體業(yè)者必須能夠為每個細分市場提供混頻解決方案。OEM需要開始與ADI公司等半導體行業(yè)的先鋒企業(yè)密切合作，以開發(fā)混頻解決方案，而不只是混頻器件。

　　圖6.寬帶器件簡化測試測量和軍工應用的整個信號鏈

　　作者簡介

　　Abhishek Kapoor是ADI公司射頻與微波部(RFMG)的市場開發(fā)經(jīng)理。他負責制定射頻與微波部的整體市場策略，以及在新興市場贏得業(yè)務。在其職業(yè)生涯中，他從事過射頻和半導體行業(yè)的工程設計、產(chǎn)品管理、銷售、市場營銷和業(yè)務開發(fā)等多種工作。他于2007年獲得弗吉尼亞理工學院電氣工程學士學位，2013年獲得北卡羅來納大學Kenan-Flagler商學院(Chapel Hill)工商管理碩士學位。

　　Assaf Toledano是ADI公司射頻與微波部的應用工程經(jīng)理。他于2004年獲得麻省大學洛威爾分校電氣工程學士學位(B.S.E.E.)，2009年獲得美國東北大學電氣工程碩士學位(MSEE)。他于2004年加入ADI公司，做過兩年測試應用工程師。隨后被調(diào)往高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器部，作為產(chǎn)品工程師工作了七年。他在ADI公司內(nèi)部和外部發(fā)表過多篇技術文章。