引言

數(shù)據(jù)傳輸速率日益提高是一種全球化需求，這種需求已經(jīng)超越了目前 4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量的極限。下一代 5G 網(wǎng)絡(luò)需要將容量提高 10 倍以上，以跟上未來(lái)的需求發(fā)展。盡管 5G 標(biāo)準(zhǔn)尚未最終確定，但即使不是全部也是大部分市場(chǎng)參與者都認(rèn)為，帶寬至少需要 (從目前的 20MHz 帶寬) 增大到 100MHz，有些人甚至說(shuō)，會(huì)增大到 200MHz。如果這樣，就需要進(jìn)入 3.6GHz 以上或更高的頻段。

為了滿足這種需求，凌力爾特的 LTC5593 雙無(wú)源下變頻混頻器在 3.6GHz 提供了出色的線性度和動(dòng)態(tài)范圍性能，同時(shí)支持超過(guò) 200MHz 的平坦信號(hào)帶寬，可用來(lái)構(gòu)成極其堅(jiān)固的 MIMO (多輸入多輸出) 接收器。在 Wi-Fi 和 4G 網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中，當(dāng)帶寬有限時(shí)，MIMO 技術(shù)顯著提高了數(shù)據(jù)的凈吞度速率和接收率，因此 MIMO 技術(shù)已經(jīng)證明了其自身的有用性。在 5G 系統(tǒng)向頻率更高的頻段遷移時(shí)，LTC5593 在 2.3GHz 至 4.5GHz 范圍內(nèi)提供連續(xù)的 50Ω 匹配，從而支持在 2.6GHz 和 3.6GHz 頻段上的多頻段接收器。就頻率較低的頻段而言，凌力爾特還提供其他引腳兼容的混頻器，包括 LTC5590、LTC5591 和 LTC5592，這些混頻器涵蓋了其余所有 LTE 接收器。每款混頻器的頻率覆蓋范圍和典型的 3.3V 性能如表 1 所示。這些混頻器可提供高轉(zhuǎn)換增益、低噪聲指數(shù) (NF) 以及高線性度和低 DC 功耗。典型功率轉(zhuǎn)換增益為 8dB，并具有 26dBm 的輸入三階截取點(diǎn) (IIP3)、10dB 的噪聲指數(shù)和 1.3W 功耗。

表 1：LTC559x 頻率覆蓋范圍和 3.3V 性能總結(jié)

LTC5593 系列的雙高性能混頻器非常適合無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施 MIMO 接收器，例如 RRH (遠(yuǎn)端射頻頭)。這類系統(tǒng)極端緊湊，采用密封且不受天氣影響和自成一體的外殼，因此在采用大量電子器件時(shí)，對(duì)保持小尺寸和熱量管理造成了挑戰(zhàn)。雙通道解決方案減少了所需器件數(shù)量，簡(jiǎn)化了 LO 信號(hào)走線并減小了電路板面積。此外，每個(gè) LTC5593 都包含集成的 RF 和 LO 平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器、雙平衡混頻器、LO 緩沖放大器和差分 IF 放大器，從而進(jìn)一步減小了總的解決方案尺寸、降低了復(fù)雜性和成本。

混頻器描述

圖 1 中的簡(jiǎn)化方框圖示出了雙通道混頻器拓?fù)�，其采用無(wú)源雙平衡混頻器內(nèi)核驅(qū)動(dòng) IF 輸出放大器。混頻器內(nèi)核是四路開(kāi)關(guān) MOSFET，通常具有大約 7dB 的轉(zhuǎn)換損耗。然而在此場(chǎng)合中，位于其后的片內(nèi) IF 放大器增益大大彌補(bǔ)了該損耗，從而實(shí)現(xiàn)了 8dB 左右的總功率增益。差分 IF 輸出針對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 200Ω 接口進(jìn)行了優(yōu)化，它能夠直接驅(qū)動(dòng)差分 IF 濾波器和可變?cè)鲆娣糯笃�，從而最大限度減少了外部組件。

圖 1：雙通道混頻器方框圖

LO通路采用了一個(gè)共用的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，以將單端輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè)差分LO，然后驅(qū)動(dòng)每個(gè)通道的獨(dú)立緩沖放大器。這種分離的 LO 驅(qū)動(dòng)拓?fù)浔３至酥羶蓚�(gè)混頻器之 LO 信號(hào)的相位相干性，同時(shí)可提供卓越的通道隔離度。此外，為了避免發(fā)生不希望的VCO負(fù)載拉移或者對(duì) VCO 的干擾，在所有的操作模式中均保持了恒定的50Ω LO輸入阻抗匹配，甚至當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)混頻器級(jí)被接通和關(guān)斷時(shí)也不例外。2.1GHz 至 3.4GHz 頻率范圍內(nèi)的 50Ω 阻抗匹配通過(guò)增設(shè)一個(gè) 1.5pF 外部串聯(lián)電容器 C2 來(lái)實(shí)現(xiàn)。該電容器也是 DC 隔離所需要的。對(duì)于更高的 3.6GHz 頻段，在電容器的電源側(cè)上增設(shè)一個(gè) 10nH 并聯(lián)電感器可在 LO 提供良好的回程損耗。圖 2 顯示了在各種工作條件下 LTC5593 的 LO 輸入回程損耗。該功能消除了對(duì)外部LO緩沖級(jí)的需要。

圖 2：在不同工作狀態(tài)下 LTC5593 的 LO 回程損耗

傳統(tǒng)基站保持其環(huán)境是溫度受控的，要求組件在溫度高達(dá) +85° 時(shí)保持正常工作。然而，較小的蜂窩和遠(yuǎn)端射頻頭對(duì)組件而言則是一種更嚴(yán)酷的環(huán)境，要求在溫度高達(dá) +105°C 時(shí)保持正常運(yùn)行。LTC5593 混頻器針對(duì)高達(dá) +105°C 的溫度而設(shè)計(jì)，并在這一溫度上經(jīng)過(guò)測(cè)試，以滿足要求。

為了最大限度減小解決方案尺寸，LTC5593 系列混頻器組裝在小型 5mm x 5mm 24 引線 QFN 封裝中。然而，較小的封裝尺寸僅在減小總體解決方案尺寸上起到了部分作用。該器件的高集成度將所需外部組件數(shù)減少到約 19 個(gè)，從而最大限度減小了電路板面積、降低了復(fù)雜性和成本。

接收器應(yīng)用

雙通道接收器中的 LTC5593 混頻器功能圖如圖 3 所示。單端 RF 信號(hào)加到混頻器輸入之前經(jīng)過(guò)放大和濾波。在這個(gè)例子中有差分 IF 信號(hào)通路，因此無(wú)需 IF 平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。SAW 濾波器、IF 放大器和集總元件帶通濾波器都是差分式的。這個(gè)例子中的接收器采用如圖所示的電路組件值時(shí)，支持 150MHz IF 帶寬。通過(guò)降低差分引腳之間的阻抗，可以實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，但增益會(huì)略有降低。

圖 3：接收器應(yīng)用中的 LTC5593 雙無(wú)源混頻器

在很多 MIMO 接收器中，都采用高選擇性 SAW 濾波器，以在混頻器輸出端隔離不想要的雜散噪聲和噪聲�；祛l器的 8dB 轉(zhuǎn)換增益補(bǔ)償了這類濾波器的高插入損耗，降低了它們對(duì)系統(tǒng)噪聲層的影響。混頻器的總體性能很高，因此可以在承受濾波器損耗的同時(shí)，使接收器滿足靈敏度和無(wú)寄生要求。

多通道接收器的另一個(gè)重要性能目標(biāo)是通道至通道隔離度。通道至通道隔離度指的是，未驅(qū)動(dòng)通道的 IF 輸出值與已驅(qū)動(dòng)通道的 IF 輸出值之比。這個(gè)參數(shù)通常規(guī)定為比天線至天線隔離度高 10dB，以避免降低系統(tǒng)性能。LTC5593 以精確的 IC 設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在 3.6GHz 時(shí)實(shí)現(xiàn)了 44dB 通道至通道隔離度，在 2.6GHz 時(shí)則為 52dB，這滿足了很多種多通道應(yīng)用的需求。

功耗和解決方案尺寸

隨著多頻段 / 多模式基站拓?fù)涞某墒煲约皬?4G 到未來(lái)的 5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的定義更加精確，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)也正在向新的平臺(tái)配置方式轉(zhuǎn)變，這些配置方式允許以最低限度的硬件和軟件更改，滿足各種不同的頻段或模式需求。LTC559x 系列雙混頻器全部擁有相同的引腳布局，因此易于針對(duì)所有頻段使用相同的電路板布局。

無(wú)線通信的持續(xù)增長(zhǎng)也刺激了更小型蜂窩的使用，例如微微蜂窩和毫微微蜂窩。需要更多更小的蜂窩加上越來(lái)越多地使用遠(yuǎn)端射頻頭，已經(jīng)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)造成了更多限制，因此需要更高的集成度和更小的解決方案尺寸，

隨著蜂窩數(shù)量的增加，功耗也變得日益重要了，因?yàn)槟芎某杀境杀壤�地上升了。另一方面，在遠(yuǎn)端射頻頭中，由于依靠被動(dòng)冷卻，所以熱量壓力成了主要問(wèn)題。只是減小解決方案尺寸還不夠，因?yàn)橄到y(tǒng)尺寸減小會(huì)導(dǎo)致功率密度提高、結(jié)溫上升和潛在的組件可靠性降低之問(wèn)題。因此，有必要同時(shí)降低系統(tǒng)功耗和減小尺寸。這個(gè)目標(biāo)很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楸仨毐ＷC不影響 RF 性能。

過(guò)去，將兩個(gè)單獨(dú)的混頻器整合到一個(gè)芯片上會(huì)導(dǎo)致 2W 的總體功耗。為了降低功耗，LTC5593 系列混頻器設(shè)計(jì)為以 3.3V 而不是 5V 運(yùn)行。低壓電路設(shè)計(jì)方法降低了功耗但不影響轉(zhuǎn)換增益、IIP3 或噪聲指數(shù)性能。惟一受到較低電源電壓影響的參數(shù)是輸出 P1dB 性能，該性能參數(shù)約為 10.4dBm。當(dāng)驅(qū)動(dòng) 200W 負(fù)載阻抗時(shí)，P1dB 受 IF 放大器開(kāi)路集電極端輸出電壓擺幅的限制。就需要較高 P1dB 的應(yīng)用而言，這些混頻器被專門(mén)設(shè)計(jì)成允許在 IF 放大器上使用 5V 電源。電源電壓提高后，P1dB 改善為 13.7dBm。

如表 1 所示，雙混頻器實(shí)現(xiàn)了卓越的性能，同時(shí)在兩個(gè)通道都啟動(dòng)時(shí)，功耗才剛剛超過(guò) 1.3W。為了進(jìn)一步降低功率，通過(guò)使用獨(dú)立的使能控制，每個(gè)通道都可以獨(dú)立地按需關(guān)閉。在可以接受降低線性度要求的情況下，ISEL 引腳允許用戶切換至小電流模式，以進(jìn)一步降低 DC 功耗。

結(jié)論

為滿足新興 5G 多通道基礎(chǔ)設(shè)施接收器的嚴(yán)格要求，LTC5593 雙無(wú)源下變頻混頻器提供了所需的高性能，推進(jìn)了頻率升高和帶寬增大。該混頻器兼具高轉(zhuǎn)換增益、低噪聲指數(shù)和高線性度，改善了系統(tǒng)總體性能，同時(shí)低功耗和很小的解決方案尺寸滿足了不斷變小的基站和遠(yuǎn)端射頻頭越來(lái)越嚴(yán)格的要求。