24 GHz to 44 GHz Wideband Integrated Upconverters and Downconverters Boost Microwave Radio Performance While Reducing Size

24 GHz至44 GHz寬帶集成上變頻器和下變頻器可提升微波無線電性能，同時縮小尺寸

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 ?匹配，同時可以支持大于1 GHz的瞬時帶寬。ADMV1013和ADMV1014的性能特性簡化了小型5G毫米波(mmW)平臺的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，這些平臺包括回傳和前傳應(yīng)用中常見的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(yīng)用。

每個上變頻器和下變頻器芯片都是高集成的（見圖1），由IQ混頻器及片內(nèi)正交移相器構(gòu)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輸出端集成了一個含壓控衰減器(VVA)的驅(qū)動放大器，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。兩個芯片的本振(LO)鏈路由一個集成式LO緩沖放大器、一個四倍頻器和一個可編程的帶通濾波器組成。大部分可編程和校準(zhǔn)功能都通過SPI接口進(jìn)行控制，這使得IC易于通過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(nèi)部視圖

ADMV1013提供兩種頻率轉(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)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，它們可以滿足大部分DAC的接口需求。當(dāng)所選DAC的共模電壓在這個范圍內(nèi)時，可以通過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(xiàn)最佳的匹配，從而簡化接口設(shè)計(jì)。另一種模式是復(fù)IF輸入（例如由正交數(shù)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(dú)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(shù)字校正，從而改善RF輸出的LO泄漏。校準(zhǔn)之后，在最大增益下，RF輸出端的LO泄漏可以低至-45 dBm。對零中頻無線電設(shè)計(jì)造成妨礙的一個更困難的挑戰(zhàn)是I和Q的相位不平衡，導(dǎo)致邊帶抑制能力差。零中頻面臨的另一個挑戰(zhàn)是邊帶通常太接近微波載波，使濾波器難以實(shí)現(xiàn)。ADMV1013解決了這個問題，它允許用戶通過寄存器調(diào)諧對I和Q相位不平衡進(jìn)行數(shù)字校正。正常操作期間，上變頻器展現(xiàn)出未經(jīng)校準(zhǔn)的26 dBc邊帶抑制。使用片內(nèi)寄存器之后，其邊帶抑制經(jīng)過校準(zhǔn)可以提高到約36 dBc。兩種校準(zhǔn)特性都是通過SPI實(shí)現(xiàn)，無需額外電路。在I/Q模式下，還可以通過調(diào)節(jié)基帶I和Q DAC的相位平衡來進(jìn)一步提高邊帶抑制。這些性能增強(qiáng)特性幫助最小化外部濾波，同時改善微波頻率下的無線電性能。

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(qū)動力僅為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(qū)動該器件，進(jìn)一步減少外部組件數(shù)量。片內(nèi)四倍頻器將LO頻率倍升至所需的載波頻率，然后通過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)過調(diào)制的RF輸出通過一對放大器級（兩者中間存在一個VVA）進(jìn)行放大。增益控制模塊為用戶提供35 dB調(diào)節(jié)范圍，最大級聯(lián)轉(zhuǎn)換增益為23 dB。ADMV1013采用40引腳基板柵格陣列封裝（見圖2）。這些特性結(jié)合起來，可以提供卓越的性能、最大的靈活性和易用性，同時最大程度減少需要的外部組件的數(shù)量。因此，可以實(shí)現(xiàn)小型蜂窩基站等小型微波平臺。

ADMV1014下變頻器內(nèi)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(gòu)建作為下變頻器件（見圖1b中的框圖），ADMV1014的RF前端中安裝有一個LNA，緊接著安裝了一個VVA和一個放大器。連續(xù)的19 dB增益調(diào)整范圍由施加給VCTRL引腳的dc電壓進(jìn)行控制。用戶可以選擇在I/Q模式下使用ADMV1014作為從微波到基帶dc的直接解調(diào)器。在這種模式下，經(jīng)過解調(diào)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SPI由寄存器設(shè)置，使得差分信號可以dc耦合到（例如）一對基帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)?；蛘?，ADMV1014可以用作單端復(fù)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SPI進(jìn)行校正，在下變頻器解調(diào)至基帶或IF時，提高其鏡像抑制性能?？偟膩碚f，下變頻器在24 GHz至42 GHz頻率范圍內(nèi)，可以提供5.5 dB總級聯(lián)噪聲系數(shù)，以及17 dB最大轉(zhuǎn)換增益。當(dāng)工作頻率接近基帶邊緣（高達(dá)44 GHz）時，級聯(lián)式NF仍然堅(jiān)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無線電性能

圖4所示為下變頻器在28 GHz頻率時的測量性能，測量時，采用5G NR波形，包含4個獨(dú)立的100 MHz通道，每個通道都在-20 dBm輸入功率下調(diào)制至256 QAM。測量得出的EVM結(jié)果為-40 dB (1% rms)，支持對mmW 5G所需的高階調(diào)制方案進(jìn)行解調(diào)。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(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐量。此外，該器件也支持其他應(yīng)用，如衛(wèi)星和地面接收站寬帶通信鏈路、安全通信無線電、RF測試設(shè)備和雷達(dá)系統(tǒng)。其出色的線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(jié)合之后，可以實(shí)現(xiàn)寬帶基站。

圖4.測量得出的EVM性能（rms百分比）與28 GHz時的輸入功率以及對應(yīng)的256 QAM星座圖。

作者簡介

James Wong是ADI公司的RF產(chǎn)品營銷經(jīng)理。他曾擔(dān)任高級營銷和銷售職位超過25年。此外，他從事RF、模擬電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作超過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(yīng)用經(jīng)理。他負(fù)責(zé)為MCG的微波集成頻率轉(zhuǎn)換、RF可調(diào)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(dá)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(dān)任了兩年產(chǎn)品工程師，然后擔(dān)任RF和微波部的產(chǎn)品和應(yīng)用團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。隨后被調(diào)往微波通信部擔(dān)任了兩年設(shè)計(jì)評估經(jīng)理，后來作為產(chǎn)品線經(jīng)理又工作了兩年。最近，他在2019年初擔(dān)任了產(chǎn)品應(yīng)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(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)為MCG的微波集成頻率轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)工程(ECE)以及經(jīng)濟(jì)學(xué)學(xué)士學(xué)位，于2016年獲得普渡大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程碩士學(xué)位。他于2012年加入ADI公司，在RF和微波部擔(dān)任了三年產(chǎn)品工程師。隨后被調(diào)往微波通信部，作為應(yīng)用工程師工作了四年。聯(lián)系方式：murtaza.thahirally@analog.com。