混頻組件不斷變化的格局

作者：Abhishek Kapoor and Assaf Toledano

半導(dǎo)體工藝和射頻封裝技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新徹底改變了工程師設(shè)計射頻、微波和毫米波設(shè)計應(yīng)用的方式。RF設(shè)計人員的技術(shù)和設(shè)計支持需求比以往任何時候都更加具體和先進(jìn)。設(shè)計技術(shù)不斷發(fā)展，在不久的將來，射頻和微波組件的性質(zhì)將大不相同。本文介紹了不同類型的混合器，它們的優(yōu)缺點(diǎn)，以及它們在不同市場中不斷發(fā)展的應(yīng)用。它討論了不同混頻組件（主要是混頻器）不斷變化的格局，以及技術(shù)進(jìn)步如何改變不同細(xì)分市場的需求。

介紹

在RF和微波設(shè)計中，混頻是信號鏈中最關(guān)鍵的部分之一。過去，許多應(yīng)用都受到混頻器性能的限制。混頻器的頻率范圍、轉(zhuǎn)換損耗和線性度決定了混頻器是否可用于應(yīng)用。針對 30 GHz 以上頻率的設(shè)計非常困難，在這些頻率下封裝器件更是困難。大多數(shù)情況下，簡單的單平衡、雙平衡和三平衡混頻器滿足了一般市場的需求。但是，隨著公司開發(fā)更先進(jìn)的應(yīng)用并希望提高每一dB的性能，傳統(tǒng)的混頻器卻無法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)今和未來的市場需要專門適合每種應(yīng)用、針對性能進(jìn)行優(yōu)化并支持可反復(fù)重復(fù)使用的基于平臺的通用設(shè)計的混頻解決方案。

根據(jù)應(yīng)用類型和終端市場的不同，今天的設(shè)計人員有著非常不同的需求。一般來說，大多數(shù)設(shè)計人員現(xiàn)在都希望獲得寬帶性能、更高的線性度、與信號鏈中其他元件的更高集成度以及更低的功耗。但根據(jù)細(xì)分市場的不同，對這些標(biāo)準(zhǔn)中的每個標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先級都大不相同。

不同種類的混頻器和變頻器

在我們討論混頻器和變頻器在不同市場中的應(yīng)用之前，了解不同類型混頻器的基本特性可能會有所幫助。顧名思義，混頻器混合兩個輸入信號以產(chǎn)生其頻率的總和或差值。當(dāng)混頻器用于產(chǎn)生比輸入信號更高的輸出頻率（通過添加兩個頻率）時，稱為上變頻。當(dāng)混頻器用于產(chǎn)生低于輸入信號的輸出頻率時，它被稱為下變頻。

以下部分解釋了常用混合器類型的高級設(shè)計和優(yōu)缺點(diǎn)。

單平衡、雙平衡和三平衡無源混頻器

最常見的混合器類型是被動混合器。這些混頻器有不同的設(shè)計風(fēng)格，如單端、單平衡、雙平衡或三平衡。使用最廣泛的架構(gòu)是雙平衡混頻器。這款混頻器很受歡迎，因為它具有良好的性能，提供簡單的實(shí)現(xiàn)和架構(gòu)，并且是一種具有多種可用選項的經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計選擇。

無源混頻器通常以其簡單性而聞名，因為它們不需要任何外部直流（直流）電源或特殊設(shè)置。這些混頻器還以其寬帶寬性能、良好的動態(tài)范圍、低噪聲系數(shù)（NF）和端口之間的良好隔離而聞名。這些混頻器的設(shè)計及其無直流外部電源要求的優(yōu)勢通過在混頻器輸出端提供低噪聲系數(shù)而受益。一個好的經(jīng)驗法則是，無源混頻器中的NF等于其轉(zhuǎn)換損耗。這些混頻器適用于有源混頻器無法提供的低NF系統(tǒng)要求的應(yīng)用。這些混頻器擅長的另一個領(lǐng)域是高頻和寬帶寬設(shè)計。它們可以在從射頻一直到毫米波頻率的頻率范圍內(nèi)提供良好的性能。另一個關(guān)鍵的混頻器規(guī)格是不同端口之間的隔離。此規(guī)范通常會驅(qū)動可用于應(yīng)用的混合器類型。三重平衡無源混頻器通常提供最佳隔離，但提供復(fù)雜的架構(gòu)，并且受到線性度等其他規(guī)格的限制。雙平衡無源混頻器在端口之間提供良好的隔離，同時提供更簡單的架構(gòu)。雙平衡混頻器為大多數(shù)應(yīng)用提供了隔離、線性度和噪聲系數(shù)的最佳組合。

從整個信號鏈的角度來看，線性度（通常也稱為IIP3 - 三階截取點(diǎn)）是RF和微波設(shè)計中最重要的規(guī)格之一。無源混頻器通常以其高線性度性能而聞名。遺憾的是，為了獲得最佳性能，無源混頻器需要高LO輸入功率。大多數(shù)無源混頻器使用二極管或FET晶體管，需要約13 dBm至20 dBm的LO驅(qū)動，對于某些用例來說，這可能相當(dāng)高。高LO驅(qū)動要求是無源混頻器的主要弱點(diǎn)之一。與無源混頻器相關(guān)的另一個弱點(diǎn)是混頻器輸出端的轉(zhuǎn)換損耗。這些混頻器是無源元件，沒有增益模塊;因此，混頻器輸出往往具有很高的信號損耗。例如，如果混頻器的輸入功率為0 dBm，混頻器的轉(zhuǎn)換損耗為9 dB，則混頻器的輸出將為–9 dBm?？傮w而言，這些混合器非常適合測試和測量以及軍事市場，本文稍后將對此進(jìn)行討論。

無源混合器的優(yōu)點(diǎn)

寬帶

高動態(tài)范圍

低噪聲系數(shù)

高端口到端口隔離

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混頻器是一種無源混頻器。它具有與常規(guī)無源混頻器相同的優(yōu)勢，以及無需任何外部濾波即可消除不需要的圖像信號的額外優(yōu)勢。這些混頻器在用作下變頻器時也稱為IRM（鏡像抑制混頻器），在用作上變頻器時也稱為SSB（單邊帶混頻器）。I/Q混頻器由兩個雙平衡混頻器和一個LO信號組成，LO信號被分成兩個，然后相移90°（0°到一個混頻器，90°到第二個混頻器）。這種相位偏移允許混頻器僅產(chǎn)生一個邊帶（所需）信號并抑制不需要的信號。

圖2中的頻譜圖在同一圖表上顯示了I/Q混頻器（紫線）和雙平衡混頻器（藍(lán)線）的性能。如您所見，與同時產(chǎn)生上下邊帶的雙平衡混頻器相比，I/Q混頻器通過提供45 dB抑制來抑制不需要的下邊帶。

圖2.HMC773A無源混頻器與HMC8191 I/Q混頻器在IF輸入為1 GHz，LO輸入為16 GHz時的頻譜圖。

與雙平衡無源混頻器一樣，I/Q混頻器也需要高LO輸入功率。從架構(gòu)上講，由于I/Q混頻器使用兩個雙平衡混頻器，因此與兩個雙平衡混頻器相比，它們往往需要~3 dB的額外LO驅(qū)動。I/Q混頻器對均衡的相位和幅度輸入匹配很敏感。輸入信號、混合信號、系統(tǒng)板或混頻器本身的任何90°相移或幅度不平衡都會直接影響鏡像抑制水平。這些誤差的影響可以通過校準(zhǔn)混頻器從外部糾正，以提高性能。

由于邊帶抑制特性，I/Q混頻器通常用于需要在不進(jìn)行外部濾波的情況下去除邊帶的應(yīng)用，同時確保非常好的NF和線性度。微波點(diǎn)對點(diǎn)回程通信、測試和測量儀器以及軍事終端用途是此類市場的常見例子。

I/Q混頻器的優(yōu)點(diǎn)

固有鏡像抑制

無需昂貴的過濾

良好的幅度和相位匹配

有源混頻器

另一種常見的混頻器是有源混頻器。有源混頻器有兩種主要類型：單平衡和雙平衡（也稱為吉爾伯特單元）混頻器。有源混頻器的優(yōu)勢在于LO端口和RF輸出端具有內(nèi)部增益模塊。這些混頻器為輸出信號提供一定的轉(zhuǎn)換增益，并受益于較低的輸入LO功率要求。有源混頻器的典型LO輸入功率約為0 dBm，遠(yuǎn)低于大多數(shù)無源混頻器。

通常，有源混頻器還包括一個集成的LO倍增器，以將LO頻率乘以更高的頻率。該乘法器通過消除驅(qū)動混頻器的高LO頻率，為客戶提供了一個主要優(yōu)勢。有源混頻器通常在端口之間具有良好的隔離性。然而，它們的噪聲系數(shù)較高，在大多數(shù)情況下，線性度較低。對輸入直流電源的需求會影響有源混頻器的噪聲系數(shù)和線性度性能。有源混頻器通常用于通信和軍事市場，在這些市場中，低LO驅(qū)動和對集成轉(zhuǎn)換增益的需求可能很重要。在測試和測量市場中，有源混頻器主要用作IF子部分中的第三級或最后級混頻器，或用于集成且經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計比同類最佳NF更重要的低層儀器。

有源混合器的優(yōu)點(diǎn)

高集成度，體積小

低LO驅(qū)動要求

集成LO乘法器

良好的隔離，但線性度和噪聲系數(shù)不佳

集成變頻混頻器

由于客戶期望更完整的信號鏈解決方案，另一類流行的混頻器是集成變頻器。這些設(shè)備由連接在一起的不同功能塊構(gòu)建而成，以創(chuàng)建一個子系統(tǒng)，使客戶的終端系統(tǒng)設(shè)計更容易。這些器件在同一封裝或芯片中集成了不同的模塊，如混頻器、PLL（鎖相環(huán)）、VCO（電壓控制振蕩器）、乘法器、增益模塊、檢測器等。這些器件可以構(gòu)建為SIP（系統(tǒng)級封裝），它在同一封裝中或在一個包含所有設(shè)計模塊的芯片上組裝多個芯片。

通過將多個器件集成到一個芯片或封裝中，變頻器為設(shè)計人員提供了顯著的優(yōu)勢，例如更小的尺寸、更少的部件、更簡單的設(shè)計架構(gòu)，最重要的是，更快的上市時間。

圖3.HMC6147A集成變頻混頻器框圖

混合器應(yīng)用：按市場

現(xiàn)在我們了解了不同類型的常用混合器類型及其優(yōu)缺點(diǎn)，我們可以討論它們在不同類型市場中的應(yīng)用。

蜂窩基站和中繼器市場

對于蜂窩基站和中繼器市場，成本和集成是最大的驅(qū)動因素。隨著全球3G、LTE和TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的快速增長，運(yùn)營商需要開發(fā)射頻硬件平臺，以便利用不同的頻率信道在多個地理市場中重復(fù)使用。每個地理市場的需求在技術(shù)和財務(wù)上都不同。因此，蜂窩基站的混頻器需要能夠覆蓋多個蜂窩頻段，滿足大規(guī)模部署的低價位，并提供更高的集成度以實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)和低成本。因此，寬帶、有源和高度集成的混頻器（變頻器）是該市場常用的。

ADI公司基于SiGe的Bi CMOS混頻器集成LO和IF放大器以及集成PLL/VCO，通常用于第1層、第2層和蜂窩基站提供商。ADRF6655（0.1 GHz至2.5 GHz寬帶混頻器，集成PLL/VCO）、AD8342（LF至3 GHz寬帶有源混頻器）和ADL5811（0.7 GHz至2.8 GHz混頻器，帶IF和寬帶LO放大器）是蜂窩基站和接收器設(shè)計的常用混頻器。 這些混頻器采用有源和無源混頻器混合技術(shù)，以低成本集成多個射頻組件，同時提供寬帶性能。

點(diǎn)對點(diǎn)微波回程（通信基礎(chǔ)設(shè)施）

基礎(chǔ)設(shè)施通信（有線和無線）制造商正在轉(zhuǎn)向集成度更高的設(shè)計，但重點(diǎn)是高性能，以支持?jǐn)?shù)據(jù)吞吐量的最高調(diào)制。由于需要支持增加的數(shù)據(jù)，回程無線電必須具有非常高的性能要求。十年或二十年前，大多數(shù)OEM（原始設(shè)備制造商）使用平衡混頻器和外差架構(gòu)，通用混頻器適用于多種點(diǎn)對點(diǎn)無線電設(shè)計。然后，OEM廠商開始使用I/Q（或IRM）混頻器來提高性能并減少濾波電路。如上所示，I/Q混頻器固有地消除了鏡像頻率，從而消除了對不需要的邊帶進(jìn)行昂貴濾波的需要。ADI公司提供各種I/Q混頻器，涵蓋所有商用微波頻段。這些混頻器大大簡化了基站設(shè)計，并顯著提高了支持更高QAM的性能。

但現(xiàn)在，隨著對更短上市時間和點(diǎn)對點(diǎn)回程性能要求的進(jìn)一步改進(jìn)的需求不斷增長，OEM 已開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）在同一封裝中集成了I/Q混頻器、×2有源乘法器和RF輸出端的驅(qū)動放大器。因此，設(shè)計人員現(xiàn)在可以選擇單個上變頻器，將更多時間集中在優(yōu)化信號鏈的整體性能上，而不是選擇多個匹配元件并優(yōu)化每個元件的性能。

同樣，ADI公司的I/Q下變頻器（如HMC1113LP5E、HMC977LP4E和HMC6147ALC5A）在同一封裝中集成了I/Q混頻器、LNA、×2有源乘法器和LO放大器。ADI公司的下變頻器在整個頻段內(nèi)具有高達(dá)40 dBc的鏡像抑制和低至2.5 dB的本底噪聲，為所有商用微波回程接收器設(shè)計提供業(yè)界領(lǐng)先的性能。ADI公司是業(yè)內(nèi)唯一一家為6 GHz至42 GHz之間的每個商用微波頻段提供完整的上變頻器和下變頻器產(chǎn)品組合的公司。

微波回程無線電市場對性能和集成度的競爭非常激烈。幾年前，大多數(shù)原始設(shè)備制造商專注于某些特定的頻段，并僅針對這些頻段提供解決方案。如今，隨著全球無線增長的需求和全球新頻譜的可用性，大多數(shù)原始設(shè)備制造商計劃為6 GHz至42 GHz之間的所有商用微波無線電頻段開發(fā)無線電。因此，基站設(shè)計不再依賴于分立或部分集成的組件。新設(shè)計需要一種平臺方法，以允許跨多個頻段利用通用組件。

因此，大多數(shù)原始設(shè)備制造商現(xiàn)在都希望一個通用混頻平臺能夠覆蓋多個無線電頻段，并獲得最佳性能和規(guī)模經(jīng)濟(jì)。ADI公司業(yè)界領(lǐng)先的ADRF6780（6 GHz至24 GHz I/Q調(diào)制器）是朝著這個方向邁出的一步。使用單個 I/Q 調(diào)制器或 I/Q 解調(diào)器，OEM 現(xiàn)在可以為 6 GHz 和 24 GHz 之間的九個不同無線電頻段設(shè)計微波回程無線電。如圖4所示，ADRF6780在同一封裝中集成了I/Q混頻器、可選LO乘法器、VVA、對數(shù)檢波器和SPI可編程四通道分離緩沖器。該器件為 OEM 提供了靈活性，既可以在中頻為 0.8 GHz 至 3.5 GHz 的傳統(tǒng)外差架構(gòu)中使用此混頻器，并消除單個組件，也可以在僅用一個部件即可從 RF 一直到基帶的直接轉(zhuǎn)換（零中頻架構(gòu)）中使用這種混頻器。集成的LO倍增器和緩沖器減少了對高輸入頻率和功率的需求。該器件還包括VVA增益控制，以在需要時提供恒定的輸出增益。該器件中與增益設(shè)置、鏡像抑制、校準(zhǔn)等相關(guān)的所有功能都可以由SPI總線控制，使設(shè)計人員更容易在設(shè)計中使用。

圖4.ADRF6780寬帶微波上變頻器框圖

圖5顯示了ADRF6780的校準(zhǔn)邊帶抑制，并強(qiáng)調(diào)即使具有寬帶性能，新一代器件也能提供最先進(jìn)的RF性能。

圖5.ADRF6780邊帶抑制和載波饋通歸零

新轉(zhuǎn)換器重新定義了設(shè)計人員處理微波基站信號鏈設(shè)計的方式。借助該轉(zhuǎn)換器，RF設(shè)計人員現(xiàn)在可以花更多時間通過軟件升級來優(yōu)化信號鏈的性能，而傳統(tǒng)方法只是為了達(dá)到基本的系統(tǒng)規(guī)格而匹配每個組件。

測試和測量儀器儀表和軍事

測試和測量（T&M）儀器儀表和軍事市場一直對寬帶性能有著非常獨(dú)特的需求。這些市場中的大多數(shù)應(yīng)用，如電子戰(zhàn)、雷達(dá)和頻譜分析儀，都是高度定制的，需要極好的信號完整性和準(zhǔn)確性。這些應(yīng)用通常還跨越很寬的頻段（寬帶要求），并且需要能夠檢測非常低保真度的信號（低噪聲系數(shù)和高線性度）。ADI營銷總監(jiān)鄧肯·博斯沃思（Duncan Bosworth）于2015年6月發(fā)表了一篇詳細(xì)的文章《多功能：困境還是現(xiàn)實(shí)？》，討論了軍事客戶的寬帶需求。

由于對寬帶、設(shè)計靈活性和高性能的需求，T&M和軍事公司更喜歡使用可以單獨(dú)定制和優(yōu)化的分立混頻器，以實(shí)現(xiàn)特定的設(shè)計目標(biāo)。如上所述，無源混頻器比集成或有源混頻器提供更好的線性度和更好的噪聲系數(shù)。順便說一下，即使在無源混頻器中，寬帶和最佳RF性能（線性度、噪聲系數(shù)、雜散等）就像硬幣的兩個相反面。傳統(tǒng)上，半導(dǎo)體公司會以寬帶換取射頻性能，或者相反。因此，軍事和測試與測量設(shè)計師將并行使用窄帶部件來覆蓋寬頻率范圍。這樣，他們就能夠在每個窄帶中提供最佳性能。這樣的解決方案有效，但使設(shè)計極其復(fù)雜、昂貴且難以維護(hù)。

隨著技術(shù)和工藝的改進(jìn)，ADI公司等公司現(xiàn)在簡化了設(shè)計。使用寬帶混頻器部件，T&M和軍事客戶可以獲得與窄帶器件相當(dāng)或更好的性能，同時還可以用一個器件覆蓋多個頻段。自2009年以來，ADI公司推出了業(yè)界最廣泛的無源寬帶混頻器產(chǎn)品組合——單平衡、雙平衡和三平衡混頻器、I/Q混頻器、高IP3混頻器和次諧波混頻器。設(shè)計人員不再需要為寬帶設(shè)計而犧牲性能。ADI公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Chandra Gupta最近發(fā)表了一篇題為“調(diào)查寬帶頻率轉(zhuǎn)換器”的詳細(xì)文章，討論了ADI公司如何使用寬帶頻率轉(zhuǎn)換器簡化測試與M和軍事設(shè)計。圖6突出顯示了寬帶器件（包括寬帶混頻器）如何簡化T&M和軍事應(yīng)用中的整體信號鏈。

圖6.寬帶器件簡化了測試與測量和軍事應(yīng)用中的整體信號鏈。

盡管大多數(shù)其他細(xì)分市場已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向集成混頻器以降低成本和簡化設(shè)計，但分立混頻元件如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）在T&M和軍事客戶中占有重要地位。對于頻譜分析儀和信號分析儀等高精度測試和測量儀器應(yīng)用，以及高級雷達(dá)和電子戰(zhàn)應(yīng)用，I/Q混頻器已開始普及。這些混頻器無需外部濾波，同時仍提供良好的鏡像抑制性能。

過去，業(yè)界大多數(shù)I/Q混頻器都是窄帶限制。但現(xiàn)在，隨著ADI公司突破RF和微波創(chuàng)新的極限，業(yè)界現(xiàn)在可以期待兩款新的寬帶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）。有了這兩款混頻器，T&M和軍用客戶可以更換多達(dá)8個窄帶I/Q混頻器，并且仍然可以實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的相同設(shè)計目標(biāo)。設(shè)計人員不再需要為了寬帶性能而犧牲性能。

未來幾年，T&M和軍事部門可能會繼續(xù)使用離散混頻解決方案。然而，隨著對更便攜和更低功耗應(yīng)用的需求，我們可能很快就會開始看到對提高集成度和降低功耗的需求不斷增長。默認(rèn)情況下，無源混頻器提供更好的線性度、噪聲系數(shù)和功耗，但集成靈活性有限。同樣，有源混頻器提供高集成度，但需要犧牲功耗和NF。我們期待在這個方向上有更多的創(chuàng)新和先進(jìn)的發(fā)展
。也許有一天，我們會看到混頻器可以提供兩全其美的優(yōu)勢，并提供高線性度、寬帶性能、低功耗和更小的尺寸。那一天并不遙遠(yuǎn)。

總結(jié)

微波行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步繼續(xù)給工程界帶來驚喜。微波混合組件的需求現(xiàn)在比以往任何時候都更加多樣化和特定于市場應(yīng)用。昨天的通用混音器產(chǎn)品將不適用于不同細(xì)分市場的新應(yīng)用。OEM 正在以更加以平臺和應(yīng)用為中心的方式看待他們的設(shè)計。半導(dǎo)體廠商需要能夠為每個細(xì)分市場提供混頻解決方案。OEM廠商需要開始與ADI公司等半導(dǎo)體行業(yè)先驅(qū)密切合作，開發(fā)混頻解決方案，而不僅僅是混頻元件。

審核編輯：郭婷