高性能的雙通道無源混頻器運(yùn)用于MIMO接收器

多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)正越來越多地應(yīng)用于高數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)，如Wi-Fi和3G/4G蜂窩技術(shù)。MIMO系統(tǒng)較高的數(shù)據(jù)速率可增加系統(tǒng)容量并提升效率水平。為了降低系統(tǒng)復(fù)雜性和尺寸，MIMO接收器需要能夠處理多個(gè)通道的集成電路(IC)。為滿足這一需求，LTC559x雙通道無源下變頻混頻器系列提供了600MHz至4.5GHz的頻率覆蓋范圍。該混頻器系列包含LTC5590、LTC5591、LTC5592和LTC5593。表1羅列了每款混頻器的頻率覆蓋范圍和典型3.3V性能。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。典型轉(zhuǎn)換增益為8dB，并具有一個(gè)26dBm的輸入三階截取點(diǎn)(IIP3)、10dB的噪聲指數(shù)和1.3W功耗。

LTC559x雙通道高性能混頻器系列非常適用于無線基礎(chǔ)設(shè)施MIMO接收器。此類雙通道解決方案減少了組件數(shù)目、簡化了LO信號(hào)的布線、以及減小了電路板面積。此外，每款LTC559x 器件還內(nèi)置了集成型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)一步減低了總體解決方案尺寸、復(fù)雜性和成本。

表1：LTC559x系列的頻率覆蓋范圍和3.3V性能概要

混頻器描述

圖1中的簡化示意圖描繪了雙通道混頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其采用無源雙平衡混頻器內(nèi)核來驅(qū)動(dòng)IF輸出放大器。這些混頻器內(nèi)核是四路開關(guān)MOSFET，通常具有大約7dB的轉(zhuǎn)換損耗。然而在此場合中，位于其后的IF放大器增益大大彌補(bǔ)了該損耗，從而實(shí)現(xiàn)了8dB左右的總增益。差分IF輸出針對(duì)200Ω負(fù)載進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1：雙通道混頻器的方框圖

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。為了避免發(fā)生不希望的VCO負(fù)載拉移，在所有的操作模式中均保持了優(yōu)良的LO阻抗匹配。作為例子，圖2示出了LTC5591在各種不同操作條件下的LO輸入回程損耗。該特性免除了增設(shè)一個(gè)外部LO緩沖級(jí)的需要。

圖2：LTC5591在各種不同操作狀態(tài)下的LO輸入回程損耗

傳統(tǒng)基站維持的是一種由溫度控制的環(huán)境，并要求組件能在高達(dá)+85℃的溫度下運(yùn)作。然而，較小的蜂窩和遠(yuǎn)端射頻頭卻使組件面臨著一種更加嚴(yán)酷的環(huán)境，組件被要求能夠在高達(dá) +105℃的溫度下工作。LTC559x混頻器專門針對(duì)+105℃的溫度條件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)際的測試，旨在滿足上述要求。

為盡量減小解決方案尺寸， LTC559x混頻器組裝于小型5mm x 5mm 24引線QFN封裝。不過，小封裝尺寸只是導(dǎo)致總體解決方案尺寸減小的原因之一。高集成度將所需的外部組件數(shù)目減少至大約19個(gè)，從而最大限度地縮減了電路板面積、復(fù)雜性和成本。

接收器應(yīng)用

圖3給出了LTC559x混頻器在一個(gè)雙通道接收器中的功能示意圖。在把單端RF信號(hào)施加至混頻器輸入端之前對(duì)其進(jìn)行放大和濾波。在該實(shí)例中示出的是差分IF信號(hào)通路，免除了增設(shè)一個(gè)IF平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的需要。SAW濾波器、IF放大器和集總元件帶通濾波器均為差分型。

圖3：LTC559x雙通道無源混頻器在接收器中的應(yīng)用

在許多MIMO接收器中均使用了高靈敏度SAW濾波器，旨在隔離混頻器輸出端上不想有的雜散信號(hào)和噪聲?；祛l器的8dB轉(zhuǎn)換增益可補(bǔ)償這些濾波器的高插入損耗，并減輕它們對(duì)于系統(tǒng)噪聲層的影響?？傮w混頻器性能可接納濾波器損耗，同時(shí)使接收器能夠滿足靈敏度和雜散性能要求。

多通道接收器的另一個(gè)重要規(guī)格指標(biāo)是“通道間隔離”。通道間隔離是相對(duì)于受驅(qū)動(dòng)通道輸出IF電平的未驅(qū)動(dòng)通道輸出IF電平。該參數(shù)的規(guī)定值通常優(yōu)于“天線間隔離”(高10dB)，以避免導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。憑借其精準(zhǔn)的IC設(shè)計(jì)，LTC559x混頻器實(shí)現(xiàn)了大于45dB的通道間隔離，可滿足大多數(shù)多通道應(yīng)用要求。

功耗和解決方案尺寸

伴隨多頻段/多模式基站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的成熟以及4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定義的進(jìn)一步細(xì)化，無線基礎(chǔ)設(shè)施呈現(xiàn)出這樣的發(fā)展方向，即：構(gòu)建能以極少的硬件和軟件變更來實(shí)現(xiàn)各種不同頻段或模式要求的平臺(tái)配置。所有的LTC559x混頻器均共用同一種引出腳配置，因而可以很容易地將相同的電路板布局用于所有的頻段。

另外，無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展還促使業(yè)界采用更小的蜂窩，例如：微微蜂窩和毫微微蜂窩。由于需要更多和更小的蜂窩，再加上遠(yuǎn)端射頻頭使用量的增加，給基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)施加了額外的限制條件，因而要求更高的集成度和更小的解決方案尺寸。

隨著蜂窩數(shù)目的增加，功耗指標(biāo)也變得日益重要起來，這是因?yàn)槟茉闯杀緦㈦S之成正比例地上升。另一方面，在遠(yuǎn)端射頻頭中，由于依賴被動(dòng)冷卻的原因，熱應(yīng)力是一個(gè)重大的問題。只是簡單地縮減解決方案尺寸還不夠，因?yàn)橄到y(tǒng)尺寸的縮小將導(dǎo)致較高的功率密度、較高的結(jié)溫、以及潛在的組件可靠性下降問題。因此，有必要同時(shí)縮減系統(tǒng)的功耗和尺寸。這一目標(biāo)是頗具挑戰(zhàn)性的，原因是一定不得犧牲RF性能。

過去，把兩個(gè)單獨(dú)的混頻器組合在一顆芯片上將產(chǎn)生2W的總功耗。為了降低功耗，LTC559x混頻器專門針對(duì)3.3V(而不是5V)工作電壓進(jìn)行了設(shè)計(jì)。低電壓電路設(shè)計(jì)方法既可降低功耗，又不會(huì)影響轉(zhuǎn)換增益、IIP3或噪聲指數(shù)性能。唯一受到較低電源電壓影響的參數(shù)是P1dB性能，其大約為11dBm。當(dāng)驅(qū)動(dòng)200Ω負(fù)載阻抗時(shí)，IF放大器開路集電極上的電壓擺幅會(huì)對(duì) P1dB性能產(chǎn)生輸出限制。對(duì)于那些需要較高P1dB的應(yīng)用，混頻器進(jìn)行了針對(duì)性的特別設(shè)計(jì)，允許IF放大器采用一個(gè)5V電源。較高的電壓可將P1dB提升至大于14dBm。