混頻器的關(guān)鍵性能、參數(shù)及如何選擇

引言

無(wú)線(xiàn)基站通信標(biāo)準(zhǔn)，例如GSM、UMTS和LTE，定義了不同參數(shù)的下限指標(biāo)，包括接收機(jī)的靈敏度和大信號(hào)性能。這些關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)無(wú)線(xiàn)基站中的每個(gè)射頻功能模塊提出了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在接收信號(hào)通路，混頻器性能主要影響接收機(jī)的靈敏度和大信號(hào)性能。本文所介紹的混頻器關(guān)鍵性能和參數(shù)，有助于設(shè)計(jì)接收通道時(shí)選擇最佳的混頻器。

無(wú)線(xiàn)基站接收機(jī)

我們首先分析無(wú)線(xiàn)基站中的典型接收機(jī)方框圖（圖1）。因?yàn)榻邮盏降男盘?hào)經(jīng)過(guò)兩次連續(xù)的下變頻，變換到較低頻率，這些接收機(jī)被稱(chēng)為超外差式接收機(jī)。如圖所示，信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)接收，然后經(jīng)過(guò)第1級(jí)RF濾波器濾波，該濾波器通常用于濾除無(wú)用信號(hào)。隨后，該濾波器輸出通過(guò)一個(gè)LNA （低噪聲放大器）進(jìn)行放大，該放大器通常具有非常低的噪聲系數(shù)。

放大信號(hào)通過(guò)第2級(jí)RF濾波器再次進(jìn)行濾波，該濾波器濾除限制混頻器性能的無(wú)用信號(hào)的同時(shí)還對(duì)頻率范圍加以限制。經(jīng)過(guò)濾波后帶寬受限的信號(hào)被送入第一級(jí)混頻器，在此通過(guò)與LO （本振）信號(hào)混頻，下變頻至一次IF頻率。根據(jù)接收機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，該IF信號(hào)可以進(jìn)一步下變頻至更低的二次IF頻率，然后送入基帶進(jìn)行解調(diào)處理。

現(xiàn)在，我們開(kāi)始研究接收鏈路中的混頻器。因?yàn)橛绊懡邮諜C(jī)靈敏度和大信號(hào)性能的主要因素是混頻器參數(shù)，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)分析。

混頻器參數(shù)

混頻器的噪聲系數(shù)表示從輸入至輸出的SNR （信噪比）衰減，該比值通常用對(duì)數(shù)表示（dB），如式（1）所示：

另一個(gè)重要參數(shù)是變換增益（或變換損耗）。變換增益是判斷混頻器配置為有源架構(gòu)或無(wú)源架構(gòu)的重要依據(jù)。無(wú)源混頻器不包含放大信號(hào)的元件，存在插入損耗（稱(chēng)為變換損耗）;而有源混頻器包含有源器件，能夠提供變換增益。

可以采用兩種配置實(shí)現(xiàn)有源混頻器：基于平衡（吉爾伯特單元）架構(gòu)設(shè)計(jì)的集成混頻器，或結(jié)合IF放大級(jí)的無(wú)源混頻器，提供增益而非損耗。由于集成混頻器具有放大能力，不需要額外的IF放大級(jí)補(bǔ)償插入損耗。

變換增益（或損耗）用對(duì)數(shù)表示，單位為dB，如式2所示，是頻率的函數(shù)，定義在混頻器的整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)。為了保證最佳接收性能，變換增益/損耗的變化應(yīng)該在規(guī)定頻率范圍內(nèi)盡可能小。

由于無(wú)線(xiàn)基站通常工作在溫度波動(dòng)的環(huán)境下，應(yīng)該給出整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)變換增益/損耗的規(guī)格，而且要求變化量盡可能小。由于正常工作條件下，較小的溫度變化范圍對(duì)設(shè)計(jì)裕量的要求也較小，而設(shè)計(jì)裕量對(duì)于系統(tǒng)規(guī)劃非常有用，因此，溫度范圍在設(shè)計(jì)中是非常重要的因素。

混頻器在大信號(hào)下的特性利用一個(gè)稱(chēng)為“1dB壓縮點(diǎn)”（該指標(biāo)也稱(chēng)為壓縮點(diǎn)（IP1dB））的混頻器參數(shù)以及2階、3階交調(diào)截點(diǎn)（IP2和IP3）表示。根據(jù)下式所示線(xiàn)性表達(dá)式，IP1dB壓縮點(diǎn)用于預(yù)測(cè)混頻器增益降低1dB時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入功率：

當(dāng)兩個(gè)頻率幾乎相同的大信號(hào)作用到混頻器的輸入時(shí)，混頻器應(yīng)該也能夠轉(zhuǎn)換微弱信號(hào)。該性能通常用3階交調(diào)截點(diǎn)（IP3）表示，該參數(shù)與噪聲系數(shù)一起表示混頻器的動(dòng)態(tài)范圍。IP3較大說(shuō)明混頻器的線(xiàn)性度較高。混頻器數(shù)據(jù)手冊(cè)還應(yīng)提供混頻器的輸入、輸出交調(diào)截點(diǎn)，利用式（4），可以根據(jù)IIP3（輸入交調(diào)截點(diǎn)）計(jì)算OIP3（輸出交調(diào)截點(diǎn)），反之亦然：

式中，OIP3是混頻器的輸出交調(diào)截點(diǎn)，IIP3是輸入交調(diào)截點(diǎn)，G為變換損耗或增益。由此，對(duì)于無(wú)源混頻器，混頻器的變換損耗降低了OIP3。為了達(dá)到接收機(jī)要求的總體噪聲系數(shù)，應(yīng)該在RF或IF增益級(jí)對(duì)插入損耗進(jìn)行補(bǔ)償（噪聲系數(shù)是在設(shè)計(jì)接收機(jī)時(shí)必須考慮的另一參數(shù)）。

無(wú)源混頻器與有源混頻器

無(wú)源混頻器的主要優(yōu)勢(shì)在于它們也可以用作上變頻器。換句話(huà)說(shuō)，其輸入信號(hào)可以轉(zhuǎn)換到更高頻率。上變頻器通常用于發(fā)射鏈路，它將IF信號(hào)變換到最終的發(fā)射頻率。因?yàn)闊o(wú)源混頻器既可用于發(fā)射鏈路，亦可用于接收鏈路，只需訂購(gòu)一款器件或保留一款器件的庫(kù)存。

“直接下變頻接收機(jī)”將輸入信號(hào)直接下變頻至基帶，無(wú)需IF信號(hào)。對(duì)于這種接收機(jī)，混頻器的數(shù)據(jù)手冊(cè)應(yīng)該規(guī)定另一重要參數(shù)，即端口間隔離度。該參數(shù)用于衡量LO信號(hào)和混頻器輸入信號(hào)之間的隔離度。如果端口間隔離度不足，LO將與其自身信號(hào)混頻，從而在混頻器輸出產(chǎn)生一個(gè)直流失調(diào)，進(jìn)而降低接收機(jī)性能。

由于混頻器對(duì)頻率進(jìn)行變換，它將產(chǎn)生新的頻率分量（稱(chēng)為混頻器雜散分量）。應(yīng)該對(duì)雜散分量進(jìn)行全面分析，特別是（2RF-2LO）、（3RF-3LO）和更高階頻譜分量，它們與IF頻率相吻合，直接影響接收機(jī)性能。這種現(xiàn)象通常在混頻器數(shù)據(jù)手冊(cè)中用2×2和3×3指標(biāo)表示。

除這些參數(shù)外，還必須考慮集成度。將混頻器內(nèi)核與LO放大器、非平衡變壓器和LO開(kāi)關(guān)集成在一起對(duì)于一些應(yīng)用非常有益。

通用PCB接收機(jī)布板提高設(shè)計(jì)靈活性

目前，針對(duì)不同頻率范圍采用同一電路板布局可有效減輕開(kāi)發(fā)工作的負(fù)荷。只需改動(dòng)少數(shù)關(guān)鍵元件，即可將900MHz GSM接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于1800MHz GSM系統(tǒng)。

引腳兼容的混頻器系列產(chǎn)品非常適合采用同一通用PCB布局支持多頻段無(wú)線(xiàn)架構(gòu)的應(yīng)用。最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)電路布局用于多種標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)基站，支持GSM、UMTS、WiMAX和LTE應(yīng)用。

例如，接收鏈路中，類(lèi)似于MAX2029的無(wú)源混頻器可以對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行下變頻，而同樣的混頻器可以在發(fā)送鏈路對(duì)IF信號(hào)進(jìn)行上變頻，將其轉(zhuǎn)換到最終發(fā)射頻率。圖2所示電路中集成了所有外部元件：LO緩沖放大器、非平衡變壓器和LO開(kāi)關(guān)。

作為下變頻器，MAX2029可提供36.5dBm的IIP3、27dBm的IP1dB、6.5dB的變換損耗以及6.7dB的噪聲系數(shù)。由于MAX2029的 SiGe處理工藝大大提高了器件性能，非常適合要求超高線(xiàn)性度和低噪聲系數(shù)的基站應(yīng)用。

2RF-2LO抑制（-10dBm RF輸入信號(hào)時(shí)72dBc）有助于降低中心頻率附近諧波分量的濾波要求，從而簡(jiǎn)化濾波器設(shè)計(jì)，提高性?xún)r(jià)比。MAX2029擴(kuò)展了815MHz至1000MHz的低端頻率范圍。作為引腳兼容的混頻器系列（包括MAX2039和MAX2041）產(chǎn)品的一員，MAX2029允許接收機(jī)采用同一PCB布局支持不同頻率范圍、不同通信標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。

有源混頻器既可采用平衡式（吉爾伯特單元）設(shè)計(jì)，亦可采用無(wú)源混頻器與IF放大器相組合的形式。例如，MAX9986即采用了第二種配置。較低的噪聲系數(shù)允許混頻器之前采用很低的RF增益，有助于改善接收機(jī)的線(xiàn)性度。另一方面，如果為了降低串聯(lián)噪聲系數(shù)而增大混頻器前級(jí)的增益時(shí)，混頻器必須具備足夠高的線(xiàn)性度，以保證接收機(jī)的整體線(xiàn)性度指標(biāo)。

正確選擇混頻器

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