24 GHz 至 44 GHz 宽带集成上变频器和下变频器可提升微波无线电性能,同时缩小尺寸

时间:2019-08-28 13:51来源:21Dianyuan

摘要:ADMV1013和ADMV1014的性能特性简化了小型5G毫米波(mmW)平台的设计和实现,这些平台包括回传和前传应用中常见的28GHz和39GHz频段,以及许多其他的超带宽发射器和接收器应用。

本文作者:James Wong、Kasey Chatzopoulos和Murtaza Thahirally  ADI公司
 
ADI公司推出了一对高集成的微波上下变频器,ADMV1013ADMV1014。这两颗器件的工作频率极宽,从24 GHz到44 GHz,并提供50 Ω匹配,同时可以支持大于1 GHz的瞬时带宽。ADMV1013和ADMV1014的性能特性简化了小型5G毫米波(mmW)平台的设计和实现,这些平台包括回传和前传应用中常见的28 GHz和39 GHz频段,以及许多其他的超带宽发射器和接收器应用。

每个上变频器和下变频器芯片都是高集成的(见图1),由IQ混频器及片内正交移相器构成,可配置为基带IQ模式(零中频,IQ频率支持dc至6 GHz),或者配置为中频模式(实中频,中频频率支持800 MHz至6 GHz)。上变频器的RF输出端集成了一个含压控衰减器(VVA)的驱动放大器,下变频器的RF输入端包含低噪声放大器(LNA)和带VVA的增益放大器。两个芯片的本振(LO)链路由一个集成式LO缓冲放大器、一个四倍频器和一个可编程的带通滤波器组成。大部分可编程和校准功能都通过SPI接口进行控制,这使得IC易于通过软件配置至出色的性能水平。


 
1.(a) ADMV1013上变频器芯片框图。(b) ADMV1014下变频器芯片框图。
 
ADMV1013上变频器内部视图
ADMV1013提供两种频率转换模式。一种模式是从基带I和Q直接上变频至RF频段。在这种I/Q模式下,基带I和Q差分输入信号范围是从dc到6 GHz,例如,由一对高速数模转换器(DAC)产生的信号。IQ输入信号的共模电压范围为0 V至2.6 V;因此,它们可以满足大部分DAC的接口需求。当所选DAC的共模电压在这个范围内时,可以通过配置上变频器的寄存器,使其输入共模电压和DAC输出的共模电压实现最佳的匹配,从而简化接口设计。另一种模式是复IF输入(例如由正交数字上变频器器件生成的信号),单边带上变频到RF频段。ADMV1013的独特之处在于,它能够在I/Q模式下对I和Q混频器的直流偏置误差进行数字校正,从而改善RF输出的LO泄漏。校准之后,在最大增益下,RF输出端的LO泄漏可以低至-45 dBm。对零中频无线电设计造成妨碍的一个更困难的挑战是I和Q的相位不平衡,导致边带抑制能力差。零中频面临的另一个挑战是边带通常太接近微波载波,使滤波器难以实现。ADMV1013解决了这个问题,它允许用户通过寄存器调谐对I和Q相位不平衡进行数字校正。正常操作期间,上变频器展现出未经校准的26 dBc边带抑制。使用片内寄存器之后,其边带抑制经过校准可以提高到约36 dBc。两种校准特性都是通过SPI实现,无需额外电路。在I/Q模式下,还可以通过调节基带I和Q DAC的相位平衡来进一步提高边带抑制。这些性能增强特性帮助最小化外部滤波,同时改善微波频率下的无线电性能。


 
2.采用6 mm × 6 mm表贴封装的ADMV1013在评估板上的图示。
 
集成了LO缓冲器之后,该部件所需的驱动力仅为0 dBm。因此,可使用集成压控振荡器(VCO)的频综(例如ADF4372ADF5610)直接地驱动该器件,进一步减少外部组件数量。片内四倍频器将LO频率倍升至所需的载波频率,然后通过可编程的带通滤波器滤除不需要的倍频器谐波,该带通滤波器放置在混频器正交相位生成模块之前。这种布局大大减少了进入混频器的杂散频率,同时允许该部件与外部低成本、低频率的频率合成器/VCO协同工作。然后,经过调制的RF输出通过一对放大器级(两者中间存在一个VVA)进行放大。增益控制模块为用户提供35 dB调节范围,最大级联转换增益为23 dB。ADMV1013采用40引脚基板栅格阵列封装(见图2)。这些特性结合起来,可以提供卓越的性能、最大的灵活性和易用性,同时最大程度减少需要的外部组件的数量。因此,可以实现小型蜂窝基站等小型微波平台。
 
ADMV1014下变频器内部视图
ADMV1014也有一些相似的元件,例如其LO路径中包含LO缓冲器、四倍频器、可编程的带通滤波器,以及正交移相器。但是,构建作为下变频器件(见图1b中的框图),ADMV1014的RF前端中安装有一个LNA,紧接着安装了一个VVA和一个放大器。连续的19 dB增益调整范围由施加给VCTRL引脚的dc电压进行控制。用户可以选择在I/Q模式下使用ADMV1014作为从微波到基带dc的直接解调器。在这种模式下,经过解调的I和Q信号在各自的I和Q差分输出处放大。它们的增益和dc共模电压可以通过SPI由寄存器设置,使得差分信号可以dc耦合到(例如)一对基带模数转换器(ADC)。或者,ADMV1014可以用作单端复IF端口的镜像抑制下变频器。在任何一种模式下,I和Q相位、幅度的不平衡都可以通过SPI进行校正,在下变频器解调至基带或IF时,提高其镜像抑制性能。总的来说,下变频器在24 GHz至42 GHz频率范围内,可以提供5.5 dB总级联噪声系数,以及17 dB最大转换增益。当工作频率接近基带边缘(高达44 GHz)时,级联式NF仍然坚定保持6 dB。 
 
 
图3.采用更小型的5 mm × 5 mm封装的ADMV1014在评估板上的图示。
 
大幅提升5G mmW无线电性能
图4所示为下变频器在28 GHz频率时的测量性能,测量时,采用5G NR波形,包含4个独立的100 MHz通道,每个通道都在-20 dBm输入功率下调制至256 QAM。测量得出的EVM结果为-40 dB (1% rms),支持对mmW 5G所需的高阶调制方案进行解调。凭借上下变频器>1 GHz的带宽容量,以及上变频器的23 dBm OIP3和下变频器的0 dBm IIP3,其组合可以支持高阶QAM调制,从而实现更高的数据吞吐量。此外,该器件也支持其他应用,如卫星和地面接收站宽带通信链路、安全通信无线电、RF测试设备和雷达系统。其出色的线性度和镜像抑制性能令人瞩目,与紧凑的解决方案尺寸、较小外形、高性能微波链路结合之后,可以实现宽带基站。


 4.测量得出的EVM性能(rms百分比)与28 GHz时的输入功率以及对应的256 QAM星座图。
 
作者简介
James Wong是ADI公司的RF产品营销经理。他曾担任高级营销和销售职位超过25年。此外,他从事RF、模拟电路和系统设计工作超过25年。联系方式:james.wong@analog.com

Kasey Chatzopoulos是ADI公司微波通信部(MCG)的产品应用经理。他负责为MCG的微波集成频率转换、RF可调谐滤波器和波束成型产品提供支持。他于2012年获得马萨诸塞大学达特茅斯分校电气工程(EE)学士学位,于2017年获得马萨诸塞大学洛厄尔分校电气工程硕士学位。他于2012年加入ADI公司/Hittite Microwave并担任了两年产品工程师,然后担任RF和微波部的产品和应用团队负责人。随后被调往微波通信部担任了两年设计评估经理,后来作为产品线经理又工作了两年。最近,他在2019年初担任了产品应用经理一职。联系方式:kasey.chatzopoulos@analog.com

Murtaza Thahirally是ADI公司微波通信部(MCG)的应用工程师。他负责为MCG的微波集成频率转换产品提供支持。他于2012年获得伍斯特理工学院电子与计算机工程(ECE)以及经济学学士学位,于2016年获得普渡大学电子与计算机工程硕士学位。他于2012年加入ADI公司,在RF和微波部担任了三年产品工程师。随后被调往微波通信部,作为应用工程师工作了四年。联系方式:murtaza.thahirally@analog.com

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