【導讀】5G的帶寬至少需要從目前的20MHz帶寬增大到100MHz甚至更高，這就意味著需要進入3.6GHz以上或更高的頻段。為了滿足這種需求，凌力爾特的LTC5593雙無源下變頻混頻器在3.6GHz提供了出色的線性度和動態(tài)范圍性能，同時支持超過200MHz的平坦信號帶寬，可用來構(gòu)成極其堅固的MIMO（多輸入多輸出） 接收器。
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無線網(wǎng)絡容量的極限。下一代 5G網(wǎng)絡需要將容量提高10倍以上，以跟上未來的發(fā)展需求。盡管5G標準尚未最終確定，但即使不是全部也是大部分市場參與者都認為，帶寬至少需要 （從目前的 20MHz帶寬） 增大到100MHz，有些人甚至說，會增大到200MHz。如果這樣，就需要進入3.6GHz以上或更高的頻段。
為了滿足這種需求，凌力爾特的LTC5593雙無源下變頻混頻器在3.6GHz提供了出色的線性度和動態(tài)范圍性能，同時支持超過200MHz的平坦信號帶寬，可用來構(gòu)成堅固的MIMO（多輸入多輸出） 接收器。在Wi-Fi和4G網(wǎng)絡等系統(tǒng)中，當帶寬有限時，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，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（IIP3）、10dB的噪聲指數(shù)和1.3W功耗。
圖1 雙通道混頻器方框圖
LTC5593系列的雙高性能混頻器非常適合無線基礎設施MIMO接收器，例如RRH（遠端射頻頭）。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，對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，簡化了LO信號走線并減小了電路板面積。此外，每個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，從而進一步減小了總的解決方案尺寸、降低了復雜性和成本。
1 混頻器描述
圖1中的簡化方框圖表示出了雙通道混頻器拓撲，其采用無源雙平衡混頻器內(nèi)核驅(qū)動IF輸出放大器。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，位于其后的片內(nèi)IF放大器增益大大彌補了該損耗，從而實現(xiàn)了8dB左右的總功率增益。差分IF輸出針對一個標準的200Ω接口進行了優(yōu)化，它能夠直接驅(qū)動差分IF濾波器和可變增益放大器，從而最大限度減少了外部組件。
LO通路采用了一個共用的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，以將單端輸入轉(zhuǎn)換為一個差分LO，然后驅(qū)動每個通道的獨立緩沖放大器。這種分離的LO驅(qū)動拓撲保持了至兩個混頻器之LO信號的相位相干性，同時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負載拉移或者對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，甚至當一個或兩個混頻器級被接通和關(guān)斷時也不例外。2.1GHz至3.4GHz頻率范圍內(nèi)的50Ω阻抗匹配通過增設一個1.5pF外部串聯(lián)電容器C2來實現(xiàn)。該電容器也是DC隔離所需要的。對于更高的3.6GHz頻段，在電容器的電源側(cè)上增設一個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。該功能消除了對外部LO緩沖級的需要。
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+85°時保持正常工作。然而，較小的蜂窩和遠端射頻頭對組件而言則是一種更嚴酷的環(huán)境，要求在溫度高達+105℃時保持正常運行。LTC5593混頻器針對高達+105℃的溫度而設計，并在這一溫度上經(jīng)過測試，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5mmx5mm 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，從而最大限度減小了電路板面積、降低了復雜性和成本。
2 接收器應用
雙通道接收器中的LTC5593混頻器功能圖如圖3所示。單端RF信號加到混頻器輸入之前經(jīng)過放大和濾波。在這個例子中有差分IF信號通路，因此無需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。這個例子中的接收器采用如圖3所示的電路組件值時，支持150MHz IF帶寬。通過降低差分引腳之間的阻抗，可以實現(xiàn)更大的帶寬，但增益會略有降低。
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)換增益補償了這類濾波器的高插入損耗，降低了它們對系統(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，使接收器滿足靈敏度和無寄生要求。
圖2 在不同工作狀態(tài)下LTC5593的LO回程損耗
多通道接收器的另一個重要性能目標是通道至通道隔離度。通道至通道隔離度指的是，未驅(qū)動通道的IF輸出值與已驅(qū)動通道的IF輸出值之比。這個參數(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設計為基礎，在3.6GHz時實現(xiàn)了44dB通道至通道隔離度，在2.6GHz時則為 52dB，這滿足了很多種多通道應用的需求。
3 功耗和解決方案尺寸
隨著多頻段 / 多模式基站拓撲的成熟以及從4G到未來的5G網(wǎng)絡系統(tǒng)的定義更加精確，無線基礎設施系統(tǒng)也正在向新的平臺配置方式轉(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，因此易于針對所有頻段使用相同的電路板布局。
圖3 接收器應用中的LTC5593雙無源混頻器
無線通信的持續(xù)增長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越多地使用遠端射頻頭，已經(jīng)對基礎設施系統(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，因為能耗成本成比例地上升了。另一方面，在遠端射頻頭中，由于依靠被動冷卻，所以熱量壓力成了主要問題。只是減小解決方案尺寸還不夠，因為系統(tǒng)尺寸減小會導致功率密度提高、結(jié)溫上升和潛在的組件可靠性降低之問題。因此，有必要同時降低系統(tǒng)功耗和減小尺寸。這個目標很有挑戰(zhàn)性，因為必須保證不影響RF性能。
表1 LTC559X頻率覆蓋范圍和3.3V性能總結(jié)
過去，將兩個單獨的混頻器整合到一個芯片上會導致2W的總體功耗。為了降低功耗，LTC5593系列混頻器設計為以3.3V而不是5V運行。低壓電路設計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。當驅(qū)動200Ω負載阻抗時，P1dB受IF放大器開路集電極端輸出電壓擺幅的限制。就需要較高P1dB的應用而言，這些混頻器被專門設計成允許在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，雙混頻器實現(xiàn)了卓越的性能，同時在兩個通道都啟動時，功耗才剛剛超過1.3W。為了進一步降低功率，通過使用獨立的使能控制，每個通道都可以獨立地按需關(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，以進一步降低DC功耗。
4 結(jié)論
為滿足新興5G多通道基礎設施接收器的嚴格要求，LTC5593雙無源下變頻混頻器提供了所需的高性能，推進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端射頻頭越來越嚴格的要求。
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