24GHz至44GHz寬帶集成上變頻器和下變頻器:可提升微波無線電性能,同時(shí)縮小尺寸
ADI公司推出了一對(duì)高集成的微波上下變頻器,ADMV1013和ADMV1014。這兩顆器件的工作頻率極寬,從24 GHz到44 GHz,并提供50 ?匹配,同時(shí)可以支持大于1 GHz的瞬時(shí)帶寬。ADMV1013和ADMV1014的性能特性簡(jiǎn)化了小型5G毫米波(mmW)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),這些平臺(tái)包括回傳和前傳應(yīng)用中常見的28 GHz和39 GHz頻段,以及許多其他的超帶寬發(fā)射器和接收器應(yīng)用。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201908/404202.htm每個(gè)上變頻器和下變頻器芯片都是高集成的(見圖1),由IQ混頻器及片內(nèi)正交移相器構(gòu)成,可配置為基帶IQ模式(零中頻,IQ頻率支持dc至6 GHz),或者配置為中頻模式(實(shí)中頻,中頻頻率支持800 MHz至6 GHz)。上變頻器的RF輸出端集成了一個(gè)含壓控衰減器(VVA)的驅(qū)動(dòng)放大器,下變頻器的RF輸入端包含低噪聲放大器(LNA)和帶VVA的增益放大器。兩個(gè)芯片的本振(LO)鏈路由一個(gè)集成式LO緩沖放大器、一個(gè)四倍頻器和一個(gè)可編程的帶通濾波器組成。大部分可編程和校準(zhǔn)功能都通過SPI接口進(jìn)行控制,這使得IC易于通過軟件配置至出色的性能水平。
圖1.(a) ADMV1013上變頻器芯片框圖。(b) ADMV1014下變頻器芯片框圖。
ADMV1013上變頻器內(nèi)部視圖
ADMV1013提供兩種頻率轉(zhuǎn)換模式。一種模式是從基帶I和Q直接上變頻至RF頻段。在這種I/Q模式下,基帶I和Q差分輸入信號(hào)范圍是從dc到6 GHz,例如,由一對(duì)高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生的信號(hào)。IQ輸入信號(hào)的共模電壓范圍為0 V至2.6 V;因此,它們可以滿足大部分DAC的接口需求。當(dāng)所選DAC的共模電壓在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí),可以通過配置上變頻器的寄存器,使其輸入共模電壓和DAC輸出的共模電壓實(shí)現(xiàn)最佳的匹配,從而簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)。另一種模式是復(fù)IF輸入(例如由正交數(shù)字上變頻器器件生成的信號(hào)),單邊帶上變頻到RF頻段。
ADMV1013的獨(dú)特之處在于,它能夠在I/Q模式下對(duì)I和Q混頻器的直流偏置誤差進(jìn)行數(shù)字校正,從而改善RF輸出的LO泄漏。校準(zhǔn)之后,在最大增益下,RF輸出端的LO泄漏可以低至-45 dBm。對(duì)零中頻無線電設(shè)計(jì)造成妨礙的一個(gè)更困難的挑戰(zhàn)是I和Q的相位不平衡,導(dǎo)致邊帶抑制能力差。零中頻面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是邊帶通常太接近微波載波,使濾波器難以實(shí)現(xiàn)。
ADMV1013解決了這個(gè)問題,它允許用戶通過寄存器調(diào)諧對(duì)I和Q相位不平衡進(jìn)行數(shù)字校正。正常操作期間,上變頻器展現(xiàn)出未經(jīng)校準(zhǔn)的26 dBc邊帶抑制。使用片內(nèi)寄存器之后,其邊帶抑制經(jīng)過校準(zhǔn)可以提高到約36 dBc。兩種校準(zhǔn)特性都是通過SPI實(shí)現(xiàn),無需額外電路。在I/Q模式下,還可以通過調(diào)節(jié)基帶I和Q DAC的相位平衡來進(jìn)一步提高邊帶抑制。這些性能增強(qiáng)特性幫助最小化外部濾波,同時(shí)改善微波頻率下的無線電性能。
圖2.采用6 mm × 6 mm表貼封裝的ADMV1013在評(píng)估板上的圖示。
集成了LO緩沖器之后,該部件所需的驅(qū)動(dòng)力僅為0 dBm。因此,可使用集成壓控振蕩器(VCO)的頻綜(例如ADF4372或ADF5610)直接地驅(qū)動(dòng)該器件,進(jìn)一步減少外部組件數(shù)量。片內(nèi)四倍頻器將LO頻率倍升至所需的載波頻率,然后通過可編程的帶通濾波器濾除不需要的倍頻器諧波,該帶通濾波器放置在混頻器正交相位生成模塊之前。這種布局大大減少了進(jìn)入混頻器的雜散頻率,同時(shí)允許該部件與外部低成本、低頻率的頻率合成器/VCO協(xié)同工作。然后,經(jīng)過調(diào)制的RF輸出通過一對(duì)放大器級(jí)(兩者中間存在一個(gè)VVA)進(jìn)行放大。增益控制模塊為用戶提供35 dB調(diào)節(jié)范圍,最大級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換增益為23 dB。ADMV1013采用40引腳基板柵格陣列封裝(見圖2)。這些特性結(jié)合起來,可以提供卓越的性能、最大的靈活性和易用性,同時(shí)最大程度減少需要的外部組件的數(shù)量。因此,可以實(shí)現(xiàn)小型蜂窩基站等小型微波平臺(tái)。
ADMV1014下變頻器內(nèi)部視圖
ADMV1014也有一些相似的元件,例如其LO路徑中包含LO緩沖器、四倍頻器、可編程的帶通濾波器,以及正交移相器。但是,構(gòu)建作為下變頻器件(見圖1b中的框圖),ADMV1014的RF前端中安裝有一個(gè)LNA,緊接著安裝了一個(gè)VVA和一個(gè)放大器。連續(xù)的19 dB增益調(diào)整范圍由施加給VCTRL引腳的dc電壓進(jìn)行控制。用戶可以選擇在I/Q模式下使用ADMV1014作為從微波到基帶dc的直接解調(diào)器。在這種模式下,經(jīng)過解調(diào)的I和Q信號(hào)在各自的I和Q差分輸出處放大。它們的增益和dc共模電壓可以通過SPI由寄存器設(shè)置,使得差分信號(hào)可以dc耦合到(例如)一對(duì)基帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。或者,ADMV1014可以用作單端復(fù)IF端口的鏡像抑制下變頻器。在任何一種模式下,I和Q相位、幅度的不平衡都可以通過SPI進(jìn)行校正,在下變頻器解調(diào)至基帶或IF時(shí),提高其鏡像抑制性能。總的來說,下變頻器在24 GHz至42 GHz頻率范圍內(nèi),可以提供5.5 dB總級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù),以及17 dB最大轉(zhuǎn)換增益。當(dāng)工作頻率接近基帶邊緣(高達(dá)44 GHz)時(shí),級(jí)聯(lián)式NF仍然堅(jiān)定保持6 dB。
圖3.采用更小型的5 mm × 5 mm封裝的ADMV1014在評(píng)估板上的圖示。
大幅提升5G mmW無線電性能
圖4所示為下變頻器在28 GHz頻率時(shí)的測(cè)量性能,測(cè)量時(shí),采用5G NR波形,包含4個(gè)獨(dú)立的100 MHz通道,每個(gè)通道都在-20 dBm輸入功率下調(diào)制至256 QAM。測(cè)量得出的EVM結(jié)果為-40 dB (1% rms),支持對(duì)mmW 5G所需的高階調(diào)制方案進(jìn)行解調(diào)。憑借上下變頻器>1 GHz的帶寬容量,以及上變頻器的23 dBm OIP3和下變頻器的0 dBm IIP3,其組合可以支持高階QAM調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量。此外,該器件也支持其他應(yīng)用,如衛(wèi)星和地面接收站寬帶通信鏈路、安全通信無線電、RF測(cè)試設(shè)備和雷達(dá)系統(tǒng)。其出色的線性度和鏡像抑制性能令人矚目,與緊湊的解決方案尺寸、較小外形、高性能微波鏈路結(jié)合之后,可以實(shí)現(xiàn)寬帶基站。
圖4.測(cè)量得出的EVM性能(rms百分比)與28 GHz時(shí)的輸入功率以及對(duì)應(yīng)的256 QAM星座圖。
作者簡(jiǎn)介
James Wong是ADI公司的RF產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理。他曾擔(dān)任高級(jí)營(yíng)銷和銷售職位超過25年。此外,他從事RF、模擬電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作超過25年。聯(lián)系方式:james.wong@analog.com
Kasey Chatzopoulos是ADI公司微波通信部(MCG)的產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理。他負(fù)責(zé)為MCG的微波集成頻率轉(zhuǎn)換、RF可調(diào)諧濾波器和波束成型產(chǎn)品提供支持。他于2012年獲得馬薩諸塞大學(xué)達(dá)特茅斯分校電氣工程(EE)學(xué)士學(xué)位,于2017年獲得馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校電氣工程碩士學(xué)位。他于2012年加入ADI公司/Hittite Microwave并擔(dān)任了兩年產(chǎn)品工程師,然后擔(dān)任RF和微波部的產(chǎn)品和應(yīng)用團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。隨后被調(diào)往微波通信部擔(dān)任了兩年設(shè)計(jì)評(píng)估經(jīng)理,后來作為產(chǎn)品線經(jīng)理又工作了兩年。最近,他在2019年初擔(dān)任了產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理一職。聯(lián)系方式:kasey.chatzopoulos@analog.com
Murtaza Thahirally是ADI公司微波通信部(MCG)的應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)為MCG的微波集成頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品提供支持。他于2012年獲得伍斯特理工學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程(ECE)以及經(jīng)濟(jì)學(xué)學(xué)士學(xué)位,于2016年獲得普渡大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程碩士學(xué)位。他于2012年加入ADI公司,在RF和微波部擔(dān)任了三年產(chǎn)品工程師。隨后被調(diào)往微波通信部,作為應(yīng)用工程師工作了四年。聯(lián)系方式:murtaza.thahirally@analog.com
評(píng)論