MIMO 接收器需要高性能的双通道无源混频器
时间：2012-09-06 09:49
来源：凌力尔特公司
作者：Bill Beckwith等
引言
多输入多输出 (MIMO) 技术正越来越多地应用于高数据速率系统，如 Wi-Fi 和 3G/4G 蜂窝技术。MIMO 系统较高的数据速率可增加系统容量并提升效率水平。为了降低系统复杂性和尺寸，MIMO 接收器需要能够处理多个通道的集成电路 (IC)。为满足这一需求，LTC559x双通道无源下变频混频器系列提供了 600MHz 至 4.5GHz 的频率覆盖范围。该混频器系列包含 LTC5590、LTC5591、LTC5592 和 LTC5593。表 1 罗列了每款混频器的频率覆盖范围和典型 3.3V 性能。这些混频器可提供高转换增益、低噪声指数 (NF) 以及高线性度和低 DC 功耗。典型转换增益为 8dB，并具有一个 26dBm 的输入三阶截取点 (IIP3)、10dB 的噪声指数和 1.3W 功耗。
表 1：LTC559x 系列的频率覆盖范围和 3.3V 性能概要
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器件型号
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RF 范围
(GHz)
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LO 范围
(GHz)
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增益
(dB)
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IIP3
(dBm)
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NF
(dB)
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LTC5590
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0.6 至 1.7
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0.7 至 1.5
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8.7
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26.0
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9.7
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LTC5591
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1.3 至 2.3
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1.4 至 2.1
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8.5
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26.2
|
9.9
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LTC5592
|
1.6 至 2.7
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1.7 至 2.5
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8.3
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27.3
|
9.8
|
|
LTC5593
|
2.3 至 4.5
|
2.1 至 4.2
|
8.5
|
27.7
|
9.5
|
LTC559x 双通道高性能混频器系列非常适用于无线基础设施 MIMO 接收器。此类双通道解决方案减少了组件数目、简化了 LO 信号的布线、以及减小了电路板面积。此外，每款 LTC559x 器件还内置了集成型 RF 和 LO 平衡-不平衡转换器、双平衡混频器、LO 缓冲放大器和差分 IF 放大器，从而进一步减低了总体解决方案尺寸、复杂性和成本。
混频器描述
图 1 中的简化示意图描绘了双通道混频器拓扑结构，其采用无源双平衡混频器内核来驱动 IF 输出放大器。这些混频器内核是四路开关 MOSFET，通常具有大约 7dB 的转换损耗。然而在此场合中，位于其后的 IF 放大器增益大大弥补了该损耗，从而实现了 8dB 左右的总增益。差分 IF 输出针对 200Ω 负载进行了优化。
图 1：双通道混频器的方框图
LO 通路采用了一个共用的平衡-不平衡转换器，以将单端输入转换为一个差分 LO，然后驱动每个通道的独立缓冲放大器。为了避免发生不希望的 VCO 负载拉移，在所有的操作模式中均保持了优良的 LO 阻抗匹配。作为例子，图 2 示出了 LTC5591 在各种不同操作条件下的 LO 输入回程损耗。该特性免除了增设一个外部 LO 缓冲级的需要。
图 2：LTC5591 在各种不同操作状态下的 LO 输入回程损耗
传统基站维持的是一种由温度控制的环境，并要求组件能在高达 +85°C 的温度下运作。然而，较小的蜂窝和远端射频头却使组件面临着一种更加严酷的环境，组件被要求能够在高达 +105°C 的温度下工作。LTC559x 混频器专门针对 +105°C 的温度条件进行了设计和实际的测试，旨在满足上述要求。
为尽量减小解决方案尺寸， LTC559x 混频器组装于小型 5mm x 5mm 24 引线 QFN 封装。不过，小封装尺寸只是导致总体解决方案尺寸减小的原因之一。高集成度将所需的外部组件数目减少至大约 19 个，从而最大限度地缩减了电路板面积、复杂性和成本。
接收器应用
图 3 给出了 LTC559x 混频器在一个双通道接收器中的功能示意图。在把单端 RF 信号施加至混频器输入端之前对其进行放大和滤波。在该实例中示出的是差分 IF 信号通路，免除了增设一个 IF 平衡-不平衡转换器的需要。SAW 滤波器、IF 放大器和集总元件带通滤波器均为差分型。
图 3：LTC559x 双通道无源混频器在接收器中的应用
在许多 MIMO 接收器中均使用了高灵敏度 SAW 滤波器，旨在隔离混频器输出端上不想有的杂散信号和噪声。混频器的 8dB 转换增益可补偿这些滤波器的高插入损耗，并减轻它们对于系统噪声层的影响。总体混频器性能可接纳滤波器损耗，同时使接收器能够满足灵敏度和杂散性能要求。
多通道接收器的另一个重要规格指标是“通道间隔离”。通道间隔离是相对于受驱动通道输出 IF 电平的未驱动通道输出 IF 电平。该参数的规定值通常优于“天线间隔离”(高 10dB)，以避免导致系统性能下降。凭借其精准的 IC 设计，LTC559x 混频器实现了大于 45dB 的通道间隔离，可满足大多数多通道应用要求。
功耗和解决方案尺寸
伴随多频段/多模式基站拓扑结构的成熟以及 4G 网络系统定义的进一步细化，无线基础设施呈现出这样的发展方向，即：构建能以极少的硬件和软件变更来实现各种不同频段或模式要求的平台配置。所有的 LTC559x 混频器均共用同一种引出脚配置，因而可以很容易地将相同的电路板布局用于所有的频段。
另外，无线通信技术的不断发展还促使业界采用更小的蜂窝，例如：微微蜂窝和毫微微蜂窝。由于需要更多和更小的蜂窝，再加上远端射频头使用量的增加，给基础设施系统施加了额外的限制条件，因而要求更高的集成度和更小的解决方案尺寸。
随着蜂窝数目的增加，功耗指标也变得日益重要起来，这是因为能源成本将随之成正比例地上升。另一方面，在远端射频头中，由于依赖被动冷却的原因，热应力是一个重大的问题。只是简单地缩减解决方案尺寸还不够，因为系统尺寸的缩小将导致较高的功率密度、较高的结温、以及潜在的组件可靠性下降问题。因此，有必要同时缩减系统的功耗和尺寸。这一目标是颇具挑战性的，原因是一定不得牺牲 RF 性能。
过去，把两个单独的混频器组合在一颗芯片上将产生 2W 的总功耗。为了降低功耗，LTC559x 混频器专门针对 3.3V (而不是 5V) 工作电压进行了设计。低电压电路设计方法既可降低功耗，又不会影响转换增益、IIP3 或噪声指数性能。唯一受到较低电源电压影响的参数是 P1dB 性能，其大约为 11dBm。当驱动 200Ω 负载阻抗时，IF 放大器开路集电极上的电压摆幅会对 P1dB 性能产生输出限制。对于那些需要较高 P1dB 的应用，混频器进行了针对性的特别设计，允许 IF 放大器采用一个 5V 电源。较高的电压可将 P1dB 提升至大于 14dBm。
如表 1 所列，双通道混频器在功耗刚刚超过 1.3W 的情况下 (两个通道均被使能) 实现了卓越的性能。如需节省更多的电能，则可通过采用独立的使能控制按照需要单独地关断个别通道。在可以接受降低线性度要求的场合中，ISEL 引脚允许用户切换至低电流模式并进一步减少 DC 功耗。
结论
LTC559x 双通道无源下变频混频器系列拥有满足当今多通道基础设施接收器之苛刻要求所需的高性能。这些混频器的高转换增益、低噪声指数 (NF) 与高线性度组合改善了总体系统性能，而低功耗与小解决方案尺寸则能满足如今较小基站和远端射频头更为严格的要求。
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