基于LTC5569雙通道混頻器能夠完成新一代MIMO的高要求帶來的挑戰(zhàn) - 全文

引言?

高性能無線基站正在經(jīng)歷著根本性的變化，以使高成本?4G?(第四代)?網(wǎng)絡(luò)的部署更可接受、更有效。同時(shí)，隨著?4G?網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到比目前的?3G?網(wǎng)絡(luò)高很多倍，性能要求變得越來越苛刻了。設(shè)備設(shè)計(jì)師面臨著很多挑戰(zhàn)：

-?在射頻單元中塞入很多?MIMO?(多輸入、多輸出)?通道

-?將射頻單元塞進(jìn)占板面積和體積更小的外殼中

-?使射頻單元易于配置，以支持任何頻帶或通信標(biāo)準(zhǔn)

因此，新一代基站的外觀與過去相比有可能不同。通常稱為?RRH?(遠(yuǎn)端射頻頭)?或?RRU?(遠(yuǎn)端射頻單元)?的小型、不受天氣影響的密封機(jī)箱將取代在發(fā)射塔底部的空調(diào)房中放置的大型設(shè)備支架。這些機(jī)箱就像一臺(tái)臺(tái)式電腦那么大，設(shè)計(jì)為安裝在發(fā)射塔的頂部，要經(jīng)受風(fēng)吹雨打。每個(gè)機(jī)箱都有大量射頻電子單元通道，但沒有基帶調(diào)制或解調(diào)處理器。而已調(diào)制信號(hào)通過多條?100Gbps?光纖電纜或通過點(diǎn)到點(diǎn)微波鏈路送進(jìn)、送出。這些信號(hào)被發(fā)送到可能相距數(shù)十公里遠(yuǎn)的一個(gè)基站單元，并一次饋送給多個(gè)蜂窩基站。這種類型的基站架構(gòu)很容易擴(kuò)展，部署時(shí)也有可能更經(jīng)濟(jì)。

新一代系統(tǒng)的另一個(gè)趨勢(shì)是能夠工作于多個(gè)頻段?(在很多情況下能夠執(zhí)行多模式運(yùn)作)?的無線電設(shè)備。此類系統(tǒng)可以容易地利用軟件進(jìn)行配置以適應(yīng)任何電信運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)要求，而不受工作頻段或使用標(biāo)準(zhǔn)的影響。

MIMO?接收器提高網(wǎng)絡(luò)容量

就任何新一代基站而言，最重要的目標(biāo)當(dāng)然都是提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，以提高容量。由于智能電話和便攜式電腦?/?平板電腦使用量的激增，今天的網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)過載狀態(tài)。通過使兩個(gè)或更多的正交接收通道并行工作，MIMO?收發(fā)器有助實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率。其數(shù)據(jù)位流被組合起來以增加有效數(shù)據(jù)速率。

另外，多個(gè)通道還有助于減輕無線接收器所遭受的衰落和多徑干擾，這些干擾會(huì)導(dǎo)致性能下降及數(shù)據(jù)損失。凌力爾特公司的?LTC5569?雙通道混頻器專為提供雙通道同時(shí)接收而設(shè)計(jì)?(通過配置而使每個(gè)混頻器的?LO?由一個(gè)公用輸入來驅(qū)動(dòng))，從而保持了兩個(gè)通道的相位相干性。雖然這同樣可以通過采用兩個(gè)分立的混頻器來實(shí)現(xiàn)，但是將兩個(gè)混頻器均內(nèi)置于單顆芯片之中可在器件之間實(shí)現(xiàn)好得多和一致的匹配。這樣的一款雙通道混頻器由于允許與兩個(gè)物理上分開的天線或接插元件緊密配合，因而可提供更高的信號(hào)完整性水平。于是，可實(shí)現(xiàn)上佳的空間分集。兩個(gè)混頻器的內(nèi)部獨(dú)立?LO?緩沖器在兩個(gè)通道之間提供了超卓的隔離，以支持將兩個(gè)或更多的數(shù)據(jù)位流級(jí)聯(lián)成單個(gè)速率高得多的數(shù)據(jù)位流。

通過在與其接收相同的方向上對(duì)信號(hào)進(jìn)行波束控制，便可在?MIMO?實(shí)現(xiàn)方案中采用一個(gè)智能型天線。為此，兩個(gè)或更多的接收通道必須測(cè)量入射信號(hào)的角度。這就使得保持兩個(gè)通道之間的?LO?相位相干性成為不可或缺。

更大的帶寬使多模式運(yùn)行得以實(shí)現(xiàn)

預(yù)計(jì)?4G?無線網(wǎng)絡(luò)不僅數(shù)據(jù)傳輸速率比目前的?3G?高得多，帶寬也寬得多。這就使多模式運(yùn)行成為可能。無線行業(yè)正在將帶寬需求從?40MHz?推進(jìn)到?65MHz，而且在有些情況下，甚至高達(dá)?75MHz。這對(duì)?RF?工程師而言不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，因?yàn)樵鲆嫫教苟葪l件很苛刻。

圖?1?顯示了一個(gè)采用?LTC5569?雙通道混頻器的應(yīng)用電路，該電路作為上行鏈路接收器，在?2496MHz?至?2690MHz?的?LTE?TDD?頻帶內(nèi)工作。請(qǐng)注意，該雙通道混頻器整體上很簡(jiǎn)單，僅用了非常少的外部組件。

?

圖?1：在?2496MHz?至?2690MHz?的?MIMO?TDD?LTE?頻帶上工作的電路實(shí)例

IFA?OUTPUT：IFA?輸出

PER?MIXER：每混頻器

RFA?INPUT：RFA?輸入

LO?INPUT：LO?輸入

2281MHz?TO?2475MHz：2281MHz?至?2475MHz

在這個(gè)應(yīng)用中，要求?LTC5569?的?IF?輸出涵蓋?195MHz?至?235MHz?的頻率范圍。IF?輸出為在更高的?IF?輸出頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳回程損耗而優(yōu)化，以改善?IF?輸出頻率響應(yīng)平坦度。所測(cè)得的?IF?輸出回程損耗在?235MHz?時(shí)為?20dB，195MHz?時(shí)為?14dB。在?40MHz?IF?輸出帶寬內(nèi)，這實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了?±0.3?dB?的?IF?輸出頻率響應(yīng)平坦度。

差分?IF?輸出采用?120nH?上拉電感器?(Coilcraft?公司的?0603HP?系列，容限為?2%)，還采用了一個(gè)阻抗比為?8:1?的?IF?輸出變壓器?(Mini-Circuits?公司的?TC8-1+)。這樣的輸出匹配為下一級(jí)提供了單端、50Ω?輸出阻抗。

120nH?上拉電感器與?LTC5569?混頻器的?IF?輸出電容?(1.3pF?差分)?以及其他寄生電容并聯(lián)，在?IF?輸出端形成一個(gè)帶寬很寬和單極點(diǎn)帶通濾波器。每個(gè)?IF?輸出引腳從?VCC?傳導(dǎo)?28mA?的?DC?電流。總的?IF?DC?電流為?56mA，在?TC8-1?IF?變壓器的次級(jí)繞組和兩個(gè)?120nH?IF?輸出電感器之間分配。兩個(gè)上拉電感器和?TC8-1?變壓器的中央抽頭之間的節(jié)點(diǎn)需要良好的?AC?地。這個(gè)?AC?地由?10nF?旁路電容器提供。

LO?端口的匹配為?2281MHz?至?2475MHz?的低壓側(cè)?LO?注入而優(yōu)化。

在?2496MHz?至?2690MHz?時(shí)，在?RF?輸入范圍內(nèi)測(cè)得的性能為：

轉(zhuǎn)換增益：?1.5dB?±0.3dB?

OIP3：+26.0dBm?至?27.2dBm

在?195MHz?至?235MHz?時(shí)，在?IF?輸出范圍內(nèi)測(cè)得了同樣的性能。

在?MIMO?RRU?設(shè)計(jì)中，尺寸很重要

在日益縮小的機(jī)箱中塞進(jìn)很多接收器通道時(shí)，空間資源會(huì)很稀少。像?LTC5569?采用的那種?4mm?x?4mm?QFN?封裝通常只能含有一個(gè)混頻器?，F(xiàn)在，LTC5569?卻含有兩個(gè)混頻器，因此使放置密度提高了一倍。每個(gè)混頻器的?RF?輸入和公共的?LO?輸入都有集成的、內(nèi)置到該芯片中的平衡-不平衡變壓器，以使這些端口不需要外部變壓器。值得注意的是，典型的變壓器常常占用與器件本身一樣大的?PC?板面積。當(dāng)采用兩個(gè)或更多通道?(例如：4?個(gè)通道或?8?個(gè)通道)?時(shí)，占板面積的增加看似微不足道，實(shí)際上其快速增加有可能變得難以處理。

值得注意的是，內(nèi)置在芯片上的?RF?平衡-不平衡變壓器擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樽鳛?a target="_blank">半導(dǎo)體工藝的一部分，其金屬走線的形狀和厚度以及絕緣性都得到了很好的控制，因此這些變壓器具有一致的阻抗特性，這是分立式、機(jī)械纏繞的變壓器無法比擬的。因此，這些變壓器以最小的偏差在不同系統(tǒng)間提供了可重復(fù)的響應(yīng)特性。

LTC5569?的?RF?和?LO?輸入端的?50Ω?阻抗匹配還有助于保持外部匹配要求最低。在?1.4GHz?到?3.3GHz?時(shí)，RF?和?LO?輸入回程損耗高于?12dB。在這些端口將只需要?DC?隔離電容器。因?yàn)?LTC5569?能在低至?300MHz?的寬頻率范圍內(nèi)工作，所以針對(duì)?700MHz?LTE?和?800MHz?GSM?頻帶，它的?RF?輸入可以非常容易地匹配。

此外，LTC5569?的?2dB?高轉(zhuǎn)換增益有助于消除對(duì)額外?IF?增益級(jí)的需要。該混頻器提供卓越的?26.8dBm?輸入?IP3?性能?(在?190MHz?IF?時(shí))。此外，該混頻器具有卓越的阻塞信號(hào)處理能力。當(dāng)?RF?輸入端存在?5dBm?的帶內(nèi)阻塞信號(hào)時(shí)，其?NF?僅略有下降，從?11.7dB?降至?17dB?(在?1.95GHz?RF?時(shí))。

低功率使熱量管理可控

這么高的混頻器性能幾乎總是以犧牲功耗性能為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。LTC5569?的性能已經(jīng)為更低的?3.3V?電源電壓而進(jìn)行了優(yōu)化。采樣這樣的電源電壓，每個(gè)混頻器都以僅為?90mA?的?DC?電流工作，以實(shí)現(xiàn)每通道?300mW?的卓越功耗。如果考慮該器件提供的寬帶性能、線性度和信號(hào)增益，那么?LTC5569?在混頻器領(lǐng)域是非常出色的。

以這樣的功耗，一個(gè)?8?通道?MIMO?接收器可以僅消耗?2.4W?功率。而可替代的每通道?1W?的混頻器組成同樣的接收器總共消耗?8W?功率，可見?LTC5569?的總功耗低得多。

當(dāng)在印刷電路板上焊接該雙通道混頻器時(shí)，應(yīng)該小心，以確保底面裸露的中央焊盤得到完全充分的焊接。這不僅對(duì)提供最高效的熱量傳導(dǎo)很重要，而且對(duì)實(shí)現(xiàn)最佳的?RF?信號(hào)接地也很有必要。這樣能提高?RF?信噪比性能。

LTC5569?的封裝具有非常低的?8°C/W?結(jié)點(diǎn)至管殼熱阻?(ΘJC)。在兩個(gè)通道都工作?(總功耗為?600mW)、電路板溫度為?105°C?時(shí)，該器件的節(jié)溫僅為?110°C，遠(yuǎn)低于?150°C?的絕對(duì)最大額定值。

結(jié)論

LTC5569?雙通道混頻器在非常寬的帶寬范圍內(nèi)提供卓越的性能，同時(shí)具有緊湊的占板面積和非常低的功耗。該器件能應(yīng)對(duì)新一代?LTE?MIMO?RRU?的高要求帶來的挑戰(zhàn)。