MIMO 接收器需要高性能的雙通道無(wú)源混頻器
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時(shí)間：2012-09-06
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
引言
多輸入多輸出 (MIMO) 技術(shù)正越來(lái)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(wú)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。
表 1：LTC559x 系列的頻率覆蓋范圍和 3.3V 性能概要
器件型號(hào) | RF 范圍 (GHz) | LO 范圍 (GHz) | 增益 (dB) | IIP3 (dBm) | NF (dB) |
LTC5590 | 0.6 至 1.7 | 0.7 至 1.5 | 8.7 | 26.0 | 9.7 |
LTC5591 | 1.3 至 2.3 | 1.4 至 2.1 | 8.5 | 26.2 | 9.9 |
LTC5592 | 1.6 至 2.7 | 1.7 至 2.5 | 8.3 | 27.3 | 9.8 |
LTC5593 | 2.3 至 4.5 | 2.1 至 4.2 | 8.5 | 27.7 | 9.5 |
LTC559x 雙通道高性能混頻器系列非常適用于無(wú)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(jiǎn)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。
混頻器描述
圖 1 中的簡(jiǎn)化示意圖描繪了雙通道混頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其采用無(wú)源雙平衡混頻器內(nèi)核來(lái)驅(qū)動(dòng) IF 輸出放大器。這些混頻器內(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 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°C 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°C 的溫度下工作。LTC559x 混頻器專門針對(duì) +105°C 的溫度條件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)際的測(cè)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(guò)，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(wú)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(wú)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(lái)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(wú)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(lái)，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(wèn)題。只是簡(jiǎn)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(wèn)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(guò)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(kāi)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。
如表 1 所列，雙通道混頻器在功耗剛剛超過(guò) 1.3W 的情況下 (兩個(gè)通道均被使能) 實(shí)現(xiàn)了卓越的性能。如需節(jié)省更多的電能，則可通過(guò)采用獨(dú)立的使能控制按照需要單獨(dú)地關(guān)斷個(gè)別通道。在可以接受降低線性度要求的場(chǎng)合中，ISEL 引腳允許用戶切換至低電流模式并進(jìn)一步減少 DC 功耗。
結(jié)論
LTC559x 雙通道無(wú)源下變頻混頻器系列擁有滿足當(dāng)今多通道基礎(chǔ)設(shè)施接收器之苛刻要求所需的高性能。這些混頻器的高轉(zhuǎn)換增益、低噪聲指數(shù) (NF) 與高線性度組合改善了總體系統(tǒng)性能，而低功耗與小解決方案尺寸則能滿足如今較小基站和遠(yuǎn)端射頻頭更為嚴(yán)格的要求。
評(píng)論