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24 GHz to 44 GHz Wideband Integrated Upconverters and Downconverters Boost Microwave Radio Performance While Reducing Size 作者：James Wong、Kasey Chatzopoulos和Murtaza Thahirally，ADI公司 ADI公司推出了一對高集成的微波上下變頻器，ADMV1013和ADMV1014。這兩顆器件的工作頻率極寬，從24 GHz到44 GHz，并提供50 Ω匹配，同時(shí)可以支持大于1 GHz的瞬時(shí)帶寬。ADMV1013和ADMV1014的性能特性簡(jiǎn)化了小型5G毫米波(mmW)平臺的設計和實(shí)現，這些平臺包括回傳和前傳應用中常見(jiàn)的28 GHz和39 GHz頻段，以及許多其他的超帶寬發(fā)射器和接收器應用。 每個(gè)上變頻器和下變頻器芯片都是高集成的（見(jiàn)圖1），由IQ混頻器及片內正交移相器構成，可配置為基帶IQ模式（零中頻，IQ頻率支持dc至6 GHz），或者配置為中頻模式（實(shí)中頻，中頻頻率支持800 MHz至6 GHz）。上變頻器的RF輸出端集成了一個(gè)含壓控衰減器(VVA)的驅動(dòng)放大器，下變頻器的RF輸入端包含低噪聲放大器(LNA)和帶VVA的增益放大器。兩個(gè)芯片的本振(LO)鏈路由一個(gè)集成式LO緩沖放大器、一個(gè)四倍頻器和一個(gè)可編程的帶通濾波器組成。大部分可編程和校準功能都通過(guò)SPI接口進(jìn)行控制，這使得IC易于通過(guò)軟件配置至出色的性能水平。 
圖1.(a) ADMV1013上變頻器芯片框圖。(b) ADMV1014下變頻器芯片框圖。 ADMV1013上變頻器內部視圖 ADMV1013提供兩種頻率轉換模式。一種模式是從基帶I和Q直接上變頻至RF頻段。在這種I/Q模式下，基帶I和Q差分輸入信號范圍是從dc到6 GHz，例如，由一對高速數模轉換器(DAC)產(chǎn)生的信號。IQ輸入信號的共模電壓范圍為0 V至2.6 V；因此，它們可以滿(mǎn)足大部分DAC的接口需求。當所選DAC的共模電壓在這個(gè)范圍內時(shí)，可以通過(guò)配置上變頻器的寄存器，使其輸入共模電壓和DAC輸出的共模電壓實(shí)現最佳的匹配，從而簡(jiǎn)化接口設計。另一種模式是復IF輸入（例如由正交數字上變頻器器件生成的信號），單邊帶上變頻到RF頻段。ADMV1013的獨特之處在于，它能夠在I/Q模式下對I和Q混頻器的直流偏置誤差進(jìn)行數字校正，從而改善RF輸出的LO泄漏。校準之后，在最大增益下，RF輸出端的LO泄漏可以低至-45 dBm。對零中頻無(wú)線(xiàn)電設計造成妨礙的一個(gè)更困難的挑戰是I和Q的相位不平衡，導致邊帶抑制能力差。零中頻面臨的另一個(gè)挑戰是邊帶通常太接近微波載波，使濾波器難以實(shí)現。ADMV1013解決了這個(gè)問(wèn)題，它允許用戶(hù)通過(guò)寄存器調諧對I和Q相位不平衡進(jìn)行數字校正。正常操作期間，上變頻器展現出未經(jīng)校準的26 dBc邊帶抑制。使用片內寄存器之后，其邊帶抑制經(jīng)過(guò)校準可以提高到約36 dBc。兩種校準特性都是通過(guò)SPI實(shí)現，無(wú)需額外電路。在I/Q模式下，還可以通過(guò)調節基帶I和Q DAC的相位平衡來(lái)進(jìn)一步提高邊帶抑制。這些性能增強特性幫助最小化外部濾波，同時(shí)改善微波頻率下的無(wú)線(xiàn)電性能。
圖2.采用6 mm × 6 mm表貼封裝的ADMV1013在評估板上的圖示。 集成了LO緩沖器之后，該部件所需的驅動(dòng)力僅為0 dBm。因此，可使用集成壓控振蕩器(VCO)的頻綜（例如ADF4372或ADF5610）直接地驅動(dòng)該器件，進(jìn)一步減少外部組件數量。片內四倍頻器將LO頻率倍升至所需的載波頻率，然后通過(guò)可編程的帶通濾波器濾除不需要的倍頻器諧波，該帶通濾波器放置在混頻器正交相位生成模塊之前。這種布局大大減少了進(jìn)入混頻器的雜散頻率，同時(shí)允許該部件與外部低成本、低頻率的頻率合成器/VCO協(xié)同工作。然后，經(jīng)過(guò)調制的RF輸出通過(guò)一對放大器級（兩者中間存在一個(gè)VVA）進(jìn)行放大。增益控制模塊為用戶(hù)提供35 dB調節范圍，最大級聯(lián)轉換增益為23 dB。ADMV1013采用40引腳基板柵格陣列封裝（見(jiàn)圖2）。這些特性結合起來(lái)，可以提供卓越的性能、最大的靈活性和易用性，同時(shí)最大程度減少需要的外部組件的數量。因此，可以實(shí)現小型蜂窩基站等小型微波平臺。 ADMV1014下變頻器內部視圖 ADMV1014也有一些相似的元件，例如其LO路徑中包含LO緩沖器、四倍頻器、可編程的帶通濾波器，以及正交移相器。但是，構建作為下變頻器件（見(jiàn)圖1b中的框圖），ADMV1014的RF前端中安裝有一個(gè)LNA，緊接著(zhù)安裝了一個(gè)VVA和一個(gè)放大器。連續的19 dB增益調整范圍由施加給VCTRL引腳的dc電壓進(jìn)行控制。用戶(hù)可以選擇在I/Q模式下使用ADMV1014作為從微波到基帶dc的直接解調器。在這種模式下，經(jīng)過(guò)解調的I和Q信號在各自的I和Q差分輸出處放大。它們的增益和dc共模電壓可以通過(guò)SPI由寄存器設置，使得差分信號可以dc耦合到（例如）一對基帶模數轉換器(ADC)�；蛘�，ADMV1014可以用作單端復IF端口的鏡像抑制下變頻器。在任何一種模式下，I和Q相位、幅度的不平衡都可以通過(guò)SPI進(jìn)行校正，在下變頻器解調至基帶或IF時(shí)，提高其鏡像抑制性能�？偟膩�(lái)說(shuō)，下變頻器在24 GHz至42 GHz頻率范圍內，可以提供5.5 dB總級聯(lián)噪聲系數，以及17 dB最大轉換增益。當工作頻率接近基帶邊緣（高達44 GHz）時(shí)，級聯(lián)式NF仍然堅定保持6 dB。
圖3.采用更小型的5 mm × 5 mm封裝的ADMV1014在評估板上的圖示。 大幅提升5G mmW無(wú)線(xiàn)電性能 圖4所示為下變頻器在28 GHz頻率時(shí)的測量性能，測量時(shí)，采用5G NR波形，包含4個(gè)獨立的100 MHz通道，每個(gè)通道都在-20 dBm輸入功率下調制至256 QAM。測量得出的EVM結果為-40 dB (1% rms)，支持對mmW 5G所需的高階調制方案進(jìn)行解調。憑借上下變頻器>1 GHz的帶寬容量，以及上變頻器的23 dBm OIP3和下變頻器的0 dBm IIP3，其組合可以支持高階QAM調制，從而實(shí)現更高的數據吞吐量。此外，該器件也支持其他應用，如衛星和地面接收站寬帶通信鏈路、安全通信無(wú)線(xiàn)電、RF測試設備和雷達系統。其出色的線(xiàn)性度和鏡像抑制性能令人矚目，與緊湊的解決方案尺寸、較小外形、高性能微波鏈路結合之后，可以實(shí)現寬帶基站。
圖4.測量得出的EVM性能（rms百分比）與28 GHz時(shí)的輸入功率以及對應的256 QAM星座圖。 作者簡(jiǎn)介 James Wong是ADI公司的RF產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。他曾擔任高級營(yíng)銷(xiāo)和銷(xiāo)售職位超過(guò)25年。此外，他從事RF、模擬電路和系統設計工作超過(guò)25年。聯(lián)系方式：james.wong@analog.com。 Kasey Chatzopoulos是ADI公司微波通信部(MCG)的產(chǎn)品應用經(jīng)理。他負責為MCG的微波集成頻率轉換、RF可調諧濾波器和波束成型產(chǎn)品提供支持。他于2012年獲得馬薩諸塞大學(xué)達特茅斯分校電氣工程(EE)學(xué)士學(xué)位，于2017年獲得馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校電氣工程碩士學(xué)位。他于2012年加入ADI公司/Hittite Microwave并擔任了兩年產(chǎn)品工程師，然后擔任RF和微波部的產(chǎn)品和應用團隊負責人。隨后被調往微波通信部擔任了兩年設計評估經(jīng)理，后來(lái)作為產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理又工作了兩年。最近，他在2019年初擔任了產(chǎn)品應用經(jīng)理一職。聯(lián)系方式：kasey.chatzopoulos@analog.com。 Murtaza Thahirally是ADI公司微波通信部(MCG)的應用工程師。他負責為MCG的微波集成頻率轉換產(chǎn)品提供支持。他于2012年獲得伍斯特理工學(xué)院電子與計算機工程(ECE)以及經(jīng)濟學(xué)學(xué)士學(xué)位，于2016年獲得普渡大學(xué)電子與計算機工程碩士學(xué)位。他于2012年加入ADI公司，在RF和微波部擔任了三年產(chǎn)品工程師。隨后被調往微波通信部，作為應用工程師工作了四年。聯(lián)系方式：murtaza.thahirally@analog.com。 |
