MIMO接收器需要高性能的雙通道無源混頻器 - 全文

　　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26dBm的輸入三階截取點（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撲結(jié)構(gòu)，其采用無源雙平衡混頻器內(nèi)核來驅(qū)動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了該損耗，從而實現(xiàn)了8dB左右的總增益。差分IF輸出針對200Ω負載進行了優(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。為了避免發(fā)生不希望的VCO負載拉移，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)一個外部LO緩沖級的需要。

　　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+85℃的溫度下運作。然而，較小的蜂窩和遠端射頻頭卻使組件面臨著一種更加嚴酷的環(huán)境，組件被要求能夠在高達 +105℃的溫度下工作。LTC559x混頻器專門針對+105℃的溫度條件進行了設(shè)計和實際的測試，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，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混頻器在一個雙通道接收器中的功能示意圖。在把單端RF信號施加至混頻器輸入端之前對其進行放大和濾波。在該實例中示出的是差分IF信號通路，免除了增設(shè)一個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和噪聲?；祛l器的8dB轉(zhuǎn)換增益可補償這些濾波器的高插入損耗，并減輕它們對于系統(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重要規(guī)格指標是“通道間隔離”。通道間隔離是相對于受驅(qū)動通道輸出IF電平的未驅(qū)動通道輸出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。憑借其精準的IC設(shè)計，LTC559x混頻器實現(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/多模式基站拓撲結(jié)構(gòu)的成熟以及4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定義的進一步細化，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現(xiàn)各種不同頻段或模式要求的平臺配置。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，功耗指標也變得日益重要起來，這是因為能源成本將隨之成正比例地上升。另一方面，在遠端射頻頭中，由于依賴被動冷卻的原因，熱應(yīng)力是一個重大的問題。只是簡單地縮減解決方案尺寸還不夠，因為系統(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，有必要同時縮減系統(tǒng)的功耗和尺寸。這一目標是頗具挑戰(zhàn)性的，原因是一定不得犧牲RF性能。

　　過去，把兩個單獨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3.3V（而不是5V）工作電壓進行了設(shè)計。低電壓電路設(shè)計方法既可降低功耗，又不會影響轉(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。當驅(qū)動200Ω負載阻抗時，IF放大器開路集電極上的電壓擺幅會對 P1dB性能產(chǎn)生輸出限制。對于那些需要較高P1dB的應(yīng)用，混頻器進行了針對性的特別設(shè)計，允許IF放大器采用一個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1.3W的情況下（兩個通道均被使能） 實現(xiàn)了卓越的性能。如需節(jié)省更多的電能，則可通過采用獨立的使能控制按照需要單獨地關(guān)斷個別通道。在可以接受降低線性度要求的場合中，ISEL引腳允許用戶切換至低電流模式并進一步減少DC功耗。

　　結(jié)論

　　LTC559x雙通道無源下變頻混頻器系列擁有滿足當今多通道基礎(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端射頻頭更為嚴格的要求。