混頻器件面貌之變遷
摘要
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201701/343198.htm半導體工藝和RF封裝技術(shù)的不斷創(chuàng )新完全改變了工程師設計RF、微波和毫米波應用的方式。RF設計人員需要比以往任何時(shí)候都更具體、更先進(jìn)的技術(shù)和設計支持。設計技術(shù)持續發(fā)展,RF和微波器件的性質(zhì)在不久的未來(lái)將大不相同。本文介紹各種類(lèi)型的混頻器、各自的優(yōu)缺點(diǎn),以及在不同市場(chǎng)中應用的演變。本文討論不同混頻器件(主要是混頻器)不斷變化的面貌,以及技術(shù)進(jìn)步如何改變不同市場(chǎng)的需求。
簡(jiǎn)介
在RF和微波設計中,混頻是信號鏈最關(guān)鍵的部分之一。過(guò)去,很多應用都受制于混頻器的性能?;祛l器的頻率范圍、轉換損耗和線(xiàn)性度,決定了混頻器能否用于特定應用。頻率高于30 GHz的設計很難實(shí)現,此等頻率的器件封裝更是難上加難。大部分時(shí)候,簡(jiǎn)單的單、雙和三平衡混頻器滿(mǎn)足了一般市場(chǎng)的需求。但是,隨著(zhù)企業(yè)開(kāi)發(fā)出的應用越來(lái)越先進(jìn),并希望提高每dB的性能,傳統混頻器便顯得捉襟見(jiàn)肘。當今和未來(lái)的市場(chǎng)需要這樣的混頻解決方案:針對各種應用專(zhuān)門(mén)定制,性能優(yōu)化,并且支持基于通用平臺的設計以便重復使用。
根據應用類(lèi)型和最終市場(chǎng),如今的設計人員會(huì )有非常不同的需求。一般而言,現在大多數設計人員需要寬帶性能、更高線(xiàn)性度、與信號鏈中其他器件更高的集成度,以及更低的功耗。但是,細分市場(chǎng)不同,以上各種需求的優(yōu)先級也大不相同。
不同種類(lèi)的混頻器和頻率轉換器
討論混頻器和頻率轉換器在不同市場(chǎng)中的應用之前,了解不同類(lèi)型混頻器的基本特性會(huì )很有用。顧名思義,混頻器將兩個(gè)輸入信號混合,產(chǎn)生其頻率之和或頻率之差。利用混頻器產(chǎn)生比輸入信號高的輸出頻率時(shí)(兩個(gè)頻率相加),稱(chēng)為上變頻。利用混頻器產(chǎn)生比輸入信號低的輸出頻率時(shí),稱(chēng)為下變頻。
下一節說(shuō)明各類(lèi)常用混頻器的高層次設計和優(yōu)缺點(diǎn)。
單/雙/三平衡無(wú)源混頻器
最常見(jiàn)的混頻器類(lèi)型是無(wú)源混頻器。此類(lèi)混頻器有不同的設計樣式,如單端、單平衡、雙平衡和三平衡等。使用最廣泛的架構是雙平衡混頻器。這種混頻器很受歡迎,因為其性能出色,實(shí)現和架構簡(jiǎn)單,性?xún)r(jià)比高,并能提供多種選項。
無(wú)源混頻器通常以簡(jiǎn)易性而出名,不需要任何外部直流電源或特殊設置。此類(lèi)混頻器還有其他為人所稱(chēng)道的特性,包括寬帶寬性能、良好的動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲系數(NF)以及端口間良好的隔離。此類(lèi)混頻器的設計及其無(wú)外部直流電源要求的優(yōu)勢,使得混頻器輸出端的噪聲系數很低。一個(gè)較好的經(jīng)驗法則是,無(wú)源混頻器的噪聲系數等于其轉換損耗。此類(lèi)混頻器非常適合有低噪聲系數要求的應用,而有源混頻器無(wú)法滿(mǎn)足這一要求。此類(lèi)混頻器擅長(cháng)的另一個(gè)領(lǐng)域是高頻和寬帶寬設計。從RF一直到毫米波頻率,它們都能提供良好的性能?;祛l器的另一個(gè)重要特性是不同端口之間的隔離。此特性往往決定了具體應用可使用何種混頻器。三平衡無(wú)源混頻器的隔離性能通常最佳,但其架構復雜,而且其他特性(如線(xiàn)性度等)有些不足。雙平衡無(wú)源混頻器的端口間隔離性能良好,同時(shí)架構較簡(jiǎn)單。對大多數應用而言,雙平衡混頻器實(shí)現了隔離度、線(xiàn)性度和噪聲系數的最佳組合。
2 混頻器件面貌之變遷
就信號鏈整體而言,線(xiàn)性度(也常用三階交調截點(diǎn)IIP3來(lái)衡量)是RF和微波設計的最重要特性之一。無(wú)源混頻器通常以高線(xiàn)性度性能而出名。遺憾的是,為了實(shí)現最佳性能,無(wú)源混頻器需要高LO輸入功率。多數無(wú)源混頻器使用二極管或FET晶體管,需要大約13 dBm到20 dBm的LO驅動(dòng),這對某些應用情形來(lái)說(shuō)是相當高的。高LO驅動(dòng)要求是無(wú)源混頻器的最大弱點(diǎn)之一。無(wú)源混頻器的另一個(gè)弱點(diǎn)是混頻器輸出端的轉換損耗。此類(lèi)混頻器是無(wú)增益模塊的無(wú)源元件,故而混頻器輸出端往往有很高的信號損耗。例如,若混頻器的輸入功率為0 dBm,且混頻器有9 dB的轉換損耗,則混頻器輸出將是–9 dBm??偟膩?lái)說(shuō),此類(lèi)混頻器非常適合測試測量和軍用市場(chǎng),稍后將予以討論。
無(wú)源混頻器的優(yōu)勢
? 寬帶寬
? 高動(dòng)態(tài)范圍
? 低噪聲系數
? 高端口間隔離
圖1.I/Q混頻器框圖和鏡像抑制頻域圖
I/Q鏡像抑制(IRM)混頻器
I/Q混頻器是一類(lèi)無(wú)源混頻器。它不但擁有常規無(wú)源混頻器的優(yōu)勢,還具備其他優(yōu)勢,即不通過(guò)任何外部濾波便可消除不需要的鏡像信號。此類(lèi)混頻器用作下變頻器時(shí)也稱(chēng)為IRM(鏡像抑制混頻器),用作上變頻器時(shí)則稱(chēng)為SSB(單邊帶混頻器)。I/Q混頻器由兩個(gè)雙平衡混頻器構成,LO信號一分為二,然后經(jīng)過(guò)相移而相差90°(一個(gè)混頻器為0°,另一個(gè)混頻器為90°)。通過(guò)此相移,混頻器得以?xún)H產(chǎn)生一個(gè)邊帶(需要的)信號,而抑制不需要的信號。
圖2在同一頻譜圖上顯示了I/Q混頻器(紫色線(xiàn))和雙平衡混頻器(藍色線(xiàn))的性能??梢钥吹?,I/Q混頻器通過(guò)提供45 dB抑制來(lái)抑制不需要的低邊帶,而雙平衡混頻器同時(shí)產(chǎn)生了高邊帶和低邊帶。
像雙平衡無(wú)源混頻器一樣,I/Q混頻器也需要高LO輸入功率。從架構看,I/Q混頻器采用兩個(gè)雙平衡混頻器,因此與兩個(gè)雙平衡混頻器相比,所需的LO驅動(dòng)往往要再多出大約3 dB。I/Q混頻器對精密平衡的相位和幅度輸入匹配很敏感。輸入信號、混合結構、系統板或混頻器本身的任何偏離90°的相移或幅度失衡,都會(huì )直接影響鏡像抑制水平。通過(guò)外部校準混頻器以改善性能,可以校正這些誤差的影響。
由于邊帶抑制特性,I/Q混頻器常用于需要消除邊帶但不通過(guò)外部濾波的應用,同時(shí)它能提供非常好的噪聲系數和線(xiàn)性度。此類(lèi)市場(chǎng)的常見(jiàn)例子是微波點(diǎn)對點(diǎn)回程通信、測試測量?jì)x器儀表和軍事用途。
I/Q混頻器的優(yōu)勢
? 固有的鏡像抑制
? 無(wú)需昂貴的濾波
? 良好的幅度和相位匹配
有源混頻器
另一種常見(jiàn)混頻器是有源混頻器。有源混頻器主要有兩類(lèi):?jiǎn)纹胶夂碗p平衡(也稱(chēng)為吉爾伯特單元)混頻器。有源混頻器的優(yōu)勢是LO端口和RF輸出端內置增益模塊。此類(lèi)混頻器會(huì )為輸出信號提供一定的轉換增益,并且輸入LO功率要求較低。有源混頻器的典型LO輸入功率是0 dBm左右,遠低于大多數無(wú)源混頻器。
有源混頻器常常還集成LO倍頻器,用來(lái)將LO頻率倍乘到更高的頻率。此倍頻器對客戶(hù)非常有利,無(wú)需高LO頻率便可驅動(dòng)混頻器。有源混頻器通常具有很好的端口間隔離。然而,其缺點(diǎn)是噪聲系數較高,而且多數情況下線(xiàn)性度較低。對輸入直流電源的需求影響了有源混頻器的噪聲系數和線(xiàn)性度。有源混頻器常用于通信和軍用市場(chǎng),低LO驅動(dòng)和集成轉換增益的需求對此類(lèi)市場(chǎng)可能很重要。在測試測量市場(chǎng),有源混頻器主要用作IF子部分的第三級或最后一級混頻器,或用于低端儀表(集成化和高性?xún)r(jià)比設計比噪聲系數更重要)。
有源混頻器的優(yōu)勢
? 高集成度、小尺寸
? LO驅動(dòng)要求低
? 集成LO倍頻器
? 良好的隔離,但線(xiàn)性度和噪聲系數不佳
圖2.HMC773A無(wú)源混頻器和HMC8191 I/Q混頻器的頻譜圖,IF輸入為1 GHz,LO輸入為16 GHz.
集成頻率轉換混頻器
由于客戶(hù)需要更完整的信號鏈解決方案,還有一類(lèi)混頻器變得頗受歡迎,那就是集成頻率轉換器。此類(lèi)器件由不同功能模塊構成,這些模塊連接在一起形成一個(gè)子系統,使得客戶(hù)的最終系統設計更簡(jiǎn)單。此類(lèi)器件在同一封裝或芯片中集成不同模塊,例如混頻器、PLL(鎖相環(huán))、VCO(壓控振蕩器)、倍頻器、增益模塊、檢波器等等??蓪⒋祟?lèi)器件制作成SIP(系統化封裝),即把多個(gè)裸片組裝到同一封裝中,或一個(gè)裸片包括所有設計模塊。
通過(guò)將多個(gè)器件集成到一個(gè)芯片或封裝中,頻率轉換器可以給設計人員帶來(lái)很大好處,比如:尺寸更小、器件更少、設計架構更簡(jiǎn)單,更重要的是,產(chǎn)品上市時(shí)間更快。
圖3.集成頻率轉換混頻器HMC6147A的功能框圖
混頻器在不同市場(chǎng)中的應用
了解各類(lèi)常用混頻器及其優(yōu)缺點(diǎn)之后,我們便可討論其在不同市場(chǎng)中的應用。
蜂窩基站和中繼器市場(chǎng)
對于蜂窩基站和中繼器市場(chǎng),成本和集成度是最大的考量因素。隨著(zhù)全球3G、LTE和TDD-LTE網(wǎng)絡(luò )的快速增長(cháng),運營(yíng)商需要開(kāi)發(fā)能在多個(gè)采用不同頻段的地區性市場(chǎng)重復利用的RF硬件平臺。在技術(shù)上和資金上,各地區性市場(chǎng)的需求是不同的。因此,蜂窩基站所用的混頻器必須能覆蓋多個(gè)蜂窩頻段,達到大量部署所要求的低價(jià)位水平,并提供更高的集成度以便加快開(kāi)發(fā)和降低成本。所以,寬帶、有源、高集成度混頻器(頻率轉換器)常用于這一市場(chǎng)。
一級、二級和蜂窩基站供應商常常使用ADI公司基于SiGe的BiCMOS混頻器,其集成LO/IF放大器和PLL/VCO。ADRF6655(集成PLL/VCO的0.1 GHz至2.5 GHz寬帶混頻器)、AD8342(LF至3 GHz寬帶有源混頻器)和ADL5811(集成IF和寬帶LO放大器的0.7 GHz至2.8 GHz混頻器)是蜂窩基站和接收機設計常用的混頻器。這些混頻器混合使用有源和無(wú)源混頻器技術(shù),以低成本集成多個(gè)RF器件,并提供寬帶性能。
點(diǎn)對點(diǎn)微波回程(通信基礎設施)
通信基礎設施(有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn))制造商正在轉向集成度更高的設計,且特別注重高性能,以支持數據吞吐所需的最高調制。為了支持更高的數據速率,回程無(wú)線(xiàn)電必須具有非常高的性能。一二十年前,大多數OEM(原始設備制造商)采用平衡混頻器和外差架構,通用混頻器即可很好地滿(mǎn)足多種點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線(xiàn)電設計需求。后來(lái),OEM開(kāi)始采用I/Q(或IRM)混頻器來(lái)改善性能并減少濾波電路。如上所述,消除鏡像頻率是I/Q混頻器的固有能力,因此無(wú)需進(jìn)行成本高昂的干擾邊帶濾波。ADI公司提供種類(lèi)廣泛的I/Q混頻器,可覆蓋所有商用微波頻段。這些混頻器大大簡(jiǎn)化了基站設計,并顯著(zhù)提高了系統性能以支持更高的QAM。
現在,產(chǎn)品上市時(shí)間越來(lái)越短,對點(diǎn)到點(diǎn)回程性能的要求越來(lái)越高,因此OEM開(kāi)始采用集成度更高的I/Q上變頻器和下變頻器。ADI公司的典型上變頻器(如HMC7911LP5E和HMC7912LP5E)將I/Q混頻器、2倍有源倍頻器和RF輸出端的驅動(dòng)放大器集成在同一封裝中。因此,無(wú)需再選擇多款匹配器件并優(yōu)化各器件的性能,設計人員現在可以只選擇一款上變頻器,并把更多時(shí)間投入到優(yōu)化信號鏈的整體性能上。
類(lèi)似地,ADI公司的I/Q下變頻器(如HMC1113LP5E、HMC977LP4E和HMC6147ALC5A)將I/Q混頻器、LNA、2倍有源倍頻器和LO放大器集成在同一封裝中。ADI公司的下變頻器提供業(yè)界領(lǐng)先的性能,全頻段的鏡像抑制高達40 dBc,噪底低至2.5 dB,適合所有商用微波回程接收機設計。ADI公司是業(yè)界唯一提供全系列上變頻器和下變頻器產(chǎn)品的公司,這些產(chǎn)品支持從6 GHz到42 GHz的所有商用微波頻段。
微波回程無(wú)線(xiàn)電市場(chǎng)的性能和集成度競爭非常激烈。幾年前,多數OEM聚焦于某些特定頻段,僅針對這些頻段來(lái)研發(fā)解決方案。如今,隨著(zhù)全球無(wú)線(xiàn)需求的增長(cháng)和新頻譜的分配,多數OEM計劃開(kāi)發(fā)支持6 GHz到42 GHz的所有商用微波頻段的無(wú)線(xiàn)電。因此,基站設計不再依賴(lài)于分立器件或部分集成的器件。新設計要求采用平臺化方法,以便能將常見(jiàn)器件用于多個(gè)頻段。
因此,多數OEM現在期望通過(guò)一個(gè)通用混頻平臺來(lái)覆蓋多個(gè)無(wú)線(xiàn)電頻段,并獲得最佳性能和規模經(jīng)濟。ADI公司業(yè)界領(lǐng)先的ADRF6780(6 GHz至24 GHz I/Q調制器)便是在這一方向上取得的一大進(jìn)步?,F在利用單個(gè)I/Q調制器或I/Q解調器,OEM便能設計支持6 GHz到24 GHz的九個(gè)不同頻段的微波回程無(wú)線(xiàn)電。如圖4所示,ADRF6780將I/Q混頻器、可選的LO倍頻器、VVA、對數檢波器和SPI可編程的四通道分離緩沖器集成在同一封裝中。這款器件功能靈活,OEM既可將其用于傳統的外差架構中(IF為0.8 GHz至3.5 GHz,無(wú)需多個(gè)器件),也可將其用于直接變頻架構(零中頻架構)中(一個(gè)器件支持RF至基帶)。由于集成了LO倍頻器和緩沖器,減少了對高輸入頻率和功率的需要。此器件還具有VVA增益控制功能,需要時(shí)可提供恒定的輸出增益。此器件的所有與增益設置、鏡像抑制、校準等有關(guān)的功能,都可以通過(guò)SPI總線(xiàn)控制,設計人員在設計中使用起來(lái)更簡(jiǎn)便。
圖4.寬帶微波上變頻器ADRF6780功能框圖
圖5顯示了ADRF6780校準后的邊帶抑制性能,并突出反映了即使在寬帶情形下,這款新一代器件也能提供先進(jìn)的RF性能。
圖5.ADRF6780邊帶抑制和載波饋通調零
新轉換器重新定義了設計人員設計微波基站信號鏈的方法。利用這款轉換器,RF設計人員現在可以把更多時(shí)間花在信號鏈性能優(yōu)化和軟件升級上,而傳統的匹配各器件的方法只能實(shí)現系統基本特性。
測試測量?jì)x器儀表和軍用
測試測量(T&M)儀器儀表和軍用市場(chǎng)對寬帶性能一直有著(zhù)非常獨特的需求。此類(lèi)市場(chǎng)中的大部分應用(如電子戰、雷達、頻譜分析儀等)是高度定制化的,需要極其出色的信號完整度和精度。這些應用通常還跨越廣泛的頻譜(寬帶要求),需要能夠檢測超低保真度信號(低噪聲系數和高線(xiàn)性度)。ADI公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)總監Duncan Bosworth于2015年6月發(fā)表了一篇文章“多功能:困境抑或現實(shí)?”,詳細討論了軍工客戶(hù)的寬帶需求。
寬帶、設計靈活性和高性能的需求,使得測試測量和軍工客戶(hù)更喜歡使用能夠個(gè)別定制和優(yōu)化以達到特定設計目標的分立混頻器。如上所述,無(wú)源混頻器的線(xiàn)性度和噪聲系數優(yōu)于集成或有源混頻器。順帶說(shuō)一句,即便在無(wú)源混頻器中,寬帶和最優(yōu)RF性能(線(xiàn)性度、噪聲系數、雜散等)也像一枚硬幣的兩面。傳統上,半導體公司用帶寬來(lái)交換RF性能,或者相反。結果,軍工和測試測量設計人員并聯(lián)使用多個(gè)窄帶器件來(lái)覆蓋寬頻率范圍。通過(guò)這種方法,他們能在各窄帶中提供最佳性能。這樣的解決方案是有效的,但設計極其復雜、昂貴且難以維護。
隨著(zhù)技術(shù)和工藝的進(jìn)步,ADI等公司現在能夠簡(jiǎn)化設計。利用寬帶混頻器,測試測量和軍工客戶(hù)可以獲得與窄帶器件相當或更好的性能,而且一個(gè)器件就能覆蓋多個(gè)頻段。2009以來(lái),ADI公司推出了業(yè)界最齊全的無(wú)源寬帶混頻器系列,包括單/雙/三平衡混頻器、I/Q混頻器、高IP3和次諧波混頻器。設計人員再也不需要犧牲性能來(lái)實(shí)現寬帶設計。ADI公司業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監Chandra Gupta最近發(fā)表了一篇文章“探究寬帶頻率轉換器”,詳細討論了ADI公司如何利用寬帶頻率轉換器簡(jiǎn)化測試測量和軍用設計。圖6突出展示了寬帶器件(包括寬帶混頻器)如何簡(jiǎn)化測試測量和軍工應用的整個(gè)信號鏈。
雖然其他市場(chǎng)大多已開(kāi)始轉向集成混頻器以降低成本并簡(jiǎn)化設計,但諸如HMC773ALC3B(6 GHz至26 GHz雙平衡混頻器)和HMC1048LC3B(2 GHz至18 GHz雙平衡混頻器)之類(lèi)的分立混頻器件在測試測量和軍工客戶(hù)中仍然占有突出地位。對于頻譜分析儀和信號分析儀等高精度測試測量?jì)x器儀表應用,以及對于先進(jìn)雷達和電子戰應用,I/Q混頻器開(kāi)始受到歡迎。這些混頻器無(wú)需外部濾波,同時(shí)仍有良好的鏡像抑制性能。
過(guò)去,業(yè)界中的大部分I/Q混頻器受窄帶限制。但現在,隨著(zhù)ADI公司通過(guò)創(chuàng )新不斷突破RF和微波的限制,業(yè)界將擁有兩款新型寬帶I/Q混頻器——HMC8191LC4(6 GHz至26 GHz I/Q混頻器)和HMC8193LC4(2.5 GHz至8.5 GHz I/Q混頻器)。測試測量和軍工客戶(hù)可以用這兩款混頻器取代最多八個(gè)窄帶I/Q混頻器,同時(shí)仍能實(shí)現同樣的應用設計目標。設計人員再也不需要放棄性能來(lái)?yè)Q取寬帶性能。
未來(lái)幾年,測試測量和軍用市場(chǎng)可能會(huì )繼續使用分立式混頻解決方案。然而,隨著(zhù)便攜式和低功耗需求的增長(cháng),我們很快會(huì )看到這些應用將逐漸提高集成度并降低功耗。無(wú)源混頻器先天具有更高的線(xiàn)性度、更好的噪聲系數和更低的功耗,但集成靈活性有限。有源混頻器具有高集成度,但功耗和噪聲系數不如人意。我們預期在這個(gè)方向上會(huì )有更多創(chuàng )新和更先進(jìn)的研發(fā)成果?;蛟S有一天,我們會(huì )擁有兩全其美的混頻器——既能提供高線(xiàn)性度和寬帶性能,又有較低的功耗和較小的尺寸。這一天不會(huì )太遠。
總結
微波行業(yè)不斷取得令工程界驚訝的技術(shù)進(jìn)步?,F在對微波混頻器件的需求變得比以往更加多樣化,與特定市場(chǎng)應用的關(guān)系更加密切。過(guò)去的通用混頻器產(chǎn)品將不再適用不同市場(chǎng)中的新型應用。OEM更多地以平臺和應用為中心來(lái)看待其設計。半導體業(yè)者必須能夠為每個(gè)細分市場(chǎng)提供混頻解決方案。OEM需要開(kāi)始與ADI公司等半導體行業(yè)的先鋒企業(yè)密切合作,以開(kāi)發(fā)混頻解決方案,而不只是混頻器件。
圖6.寬帶器件簡(jiǎn)化測試測量和軍工應用的整個(gè)信號鏈
作者簡(jiǎn)介
Abhishek Kapoor是ADI公司射頻與微波部(RFMG)的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理。他負責制定射頻與微波部的整體市場(chǎng)策略,以及在新興市場(chǎng)贏(yíng)得業(yè)務(wù)。在其職業(yè)生涯中,他從事過(guò)射頻和半導體行業(yè)的工程設計、產(chǎn)品管理、銷(xiāo)售、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)等多種工作。他于2007年獲得弗吉尼亞理工學(xué)院電氣工程學(xué)士學(xué)位,2013年獲得北卡羅來(lái)納大學(xué)Kenan-Flagler商學(xué)院(Chapel Hill)工商管理碩士學(xué)位。
Assaf Toledano是ADI公司射頻與微波部的應用工程經(jīng)理。他于2004年獲得麻省大學(xué)洛威爾分校電氣工程學(xué)士學(xué)位(B.S.E.E.),2009年獲得美國東北大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位(MSEE)。他于2004年加入ADI公司,做過(guò)兩年測試應用工程師。隨后被調往高速數模轉換器部,作為產(chǎn)品工程師工作了七年。他在A(yíng)DI公司內部和外部發(fā)表過(guò)多篇技術(shù)文章。
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