基于LTC5569双通道混频器能够完成新一代MIMO的高要求带来的挑战 - 全文

引言 

高性能无线基站正在经历着根本性的变化，以使高成本 4G (第四代) 网络的部署更可接受、更有效。同时，随着 4G 网络的数据传输速率提高到比目前的 3G 网络高很多倍，性能要求变得越来越苛刻了。设备设计师面临着很多挑战：

- 在射频单元中塞入很多 MIMO (多输入、多输出) 通道

- 将射频单元塞进占板面积和体积更小的外壳中

- 使射频单元易于配置，以支持任何频带或通信标准

因此，新一代基站的外观与过去相比有可能不同。通常称为 RRH (远端射频头) 或 RRU (远端射频单元) 的小型、不受天气影响的密封机箱将取代在发射塔底部的空调房中放置的大型设备支架。这些机箱就像一台台式电脑那么大，设计为安装在发射塔的顶部，要经受风吹雨打。每个机箱都有大量射频电子单元通道，但没有基带调制或解调处理器。而已调制信号通过多条 100Gbps 光纤电缆或通过点到点微波链路送进、送出。这些信号被发送到可能相距数十公里远的一个基站单元，并一次馈送给多个蜂窝基站。这种类型的基站架构很容易扩展，部署时也有可能更经济。

新一代系统的另一个趋势是能够工作于多个频段 (在很多情况下能够执行多模式运作) 的无线电设备。此类系统可以容易地利用软件进行配置以适应任何电信运营商的服务要求，而不受工作频段或使用标准的影响。

MIMO 接收器提高网络容量

就任何新一代基站而言，最重要的目标当然都是提供更高的数据传输速率，以提高容量。由于智能电话和便携式电脑 / 平板电脑使用量的激增，今天的网络呈现过载状态。通过使两个或更多的正交接收通道并行工作，MIMO 收发器有助实现较高的数据速率。其数据位流被组合起来以增加有效数据速率。

另外，多个通道还有助于减轻无线接收器所遭受的衰落和多径干扰，这些干扰会导致性能下降及数据损失。凌力尔特公司的 LTC5569 双通道混频器专为提供双通道同时接收而设计 (通过配置而使每个混频器的 LO 由一个公用输入来驱动)，从而保持了两个通道的相位相干性。虽然这同样可以通过采用两个分立的混频器来实现，但是将两个混频器均内置于单颗芯片之中可在器件之间实现好得多和一致的匹配。这样的一款双通道混频器由于允许与两个物理上分开的天线或接插元件紧密配合，因而可提供更高的信号完整性水平。于是，可实现上佳的空间分集。两个混频器的内部独立 LO 缓冲器在两个通道之间提供了超卓的隔离，以支持将两个或更多的数据位流级联成单个速率高得多的数据位流。

通过在与其接收相同的方向上对信号进行波束控制，便可在 MIMO 实现方案中采用一个智能型天线。为此，两个或更多的接收通道必须测量入射信号的角度。这就使得保持两个通道之间的 LO 相位相干性成为不可或缺。

更大的带宽使多模式运行得以实现

预计 4G 无线网络不仅数据传输速率比目前的 3G 高得多，带宽也宽得多。这就使多模式运行成为可能。无线行业正在将带宽需求从 40MHz 推进到 65MHz，而且在有些情况下，甚至高达 75MHz。这对 RF 工程师而言不是一项简单的任务，因为增益平坦度条件很苛刻。

图 1 显示了一个采用 LTC5569 双通道混频器的应用电路，该电路作为上行链路接收器，在 2496MHz 至 2690MHz 的 LTE TDD 频带内工作。请注意，该双通道混频器整体上很简单，仅用了非常少的外部组件。

图 1：在 2496MHz 至 2690MHz 的 MIMO TDD LTE 频带上工作的电路实例

IFA OUTPUT：IFA 输出

PER MIXER：每混频器

RFA INPUT：RFA 输入

LO INPUT：LO 输入

2281MHz TO 2475MHz：2281MHz 至 2475MHz

在这个应用中，要求 LTC5569 的 IF 输出涵盖 195MHz 至 235MHz 的频率范围。IF 输出为在更高的 IF 输出频率时实现最佳回程损耗而优化，以改善 IF 输出频率响应平坦度。所测得的 IF 输出回程损耗在 235MHz 时为 20dB，195MHz 时为 14dB。在 40MHz IF 输出带宽内，这实际上实现了 ±0.3 dB 的 IF 输出频率响应平坦度。

差分 IF 输出采用 120nH 上拉电感器 (Coilcraft 公司的 0603HP 系列，容限为 2%)，还采用了一个阻抗比为 8:1 的 IF 输出变压器 (Mini-Circuits 公司的 TC8-1+)。这样的输出匹配为下一级提供了单端、50Ω 输出阻抗。

120nH 上拉电感器与 LTC5569 混频器的 IF 输出电容 (1.3pF 差分) 以及其他寄生电容并联，在 IF 输出端形成一个带宽很宽和单极点带通滤波器。每个 IF 输出引脚从 VCC 传导 28mA 的 DC 电流。总的 IF DC 电流为 56mA，在 TC8-1 IF 变压器的次级绕组和两个 120nH IF 输出电感器之间分配。两个上拉电感器和 TC8-1 变压器的中央抽头之间的节点需要良好的 AC 地。这个 AC 地由 10nF 旁路电容器提供。

LO 端口的匹配为 2281MHz 至 2475MHz 的低压侧 LO 注入而优化。

在 2496MHz 至 2690MHz 时，在 RF 输入范围内测得的性能为：

转换增益： 1.5dB ±0.3dB 

OIP3：+26.0dBm 至 27.2dBm

在 195MHz 至 235MHz 时，在 IF 输出范围内测得了同样的性能。

在 MIMO RRU 设计中，尺寸很重要

在日益缩小的机箱中塞进很多接收器通道时，空间资源会很稀少。像 LTC5569 采用的那种 4mm x 4mm QFN 封装通常只能含有一个混频器。现在，LTC5569 却含有两个混频器，因此使放置密度提高了一倍。每个混频器的 RF 输入和公共的 LO 输入都有集成的、内置到该芯片中的平衡-不平衡变压器，以使这些端口不需要外部变压器。值得注意的是，典型的变压器常常占用与器件本身一样大的 PC 板面积。当采用两个或更多通道 (例如：4 个通道或 8 个通道) 时，占板面积的增加看似微不足道，实际上其快速增加有可能变得难以处理。

值得注意的是，内置在芯片上的 RF 平衡-不平衡变压器拥有独特的优势。因为作为半导体工艺的一部分，其金属走线的形状和厚度以及绝缘性都得到了很好的控制，因此这些变压器具有一致的阻抗特性，这是分立式、机械缠绕的变压器无法比拟的。因此，这些变压器以最小的偏差在不同系统间提供了可重复的响应特性。

LTC5569 的 RF 和 LO 输入端的 50Ω 阻抗匹配还有助于保持外部匹配要求最低。在 1.4GHz 到 3.3GHz 时，RF 和 LO 输入回程损耗高于 12dB。在这些端口将只需要 DC 隔离电容器。因为 LTC5569 能在低至 300MHz 的宽频率范围内工作，所以针对 700MHz LTE 和 800MHz GSM 频带，它的 RF 输入可以非常容易地匹配。

此外，LTC5569 的 2dB 高转换增益有助于消除对额外 IF 增益级的需要。该混频器提供卓越的 26.8dBm 输入 IP3 性能 (在 190MHz IF 时)。此外，该混频器具有卓越的阻塞信号处理能力。当 RF 输入端存在 5dBm 的带内阻塞信号时，其 NF 仅略有下降，从 11.7dB 降至 17dB (在 1.95GHz RF 时)。

低功率使热量管理可控

这么高的混频器性能几乎总是以牺牲功耗性能为代价实现的。LTC5569 的性能已经为更低的 3.3V 电源电压而进行了优化。采样这样的电源电压，每个混频器都以仅为 90mA 的 DC 电流工作，以实现每通道 300mW 的卓越功耗。如果考虑该器件提供的宽带性能、线性度和信号增益，那么 LTC5569 在混频器领域是非常出色的。

以这样的功耗，一个 8 通道 MIMO 接收器可以仅消耗 2.4W 功率。而可替代的每通道 1W 的混频器组成同样的接收器总共消耗 8W 功率，可见 LTC5569 的总功耗低得多。

当在印刷电路板上焊接该双通道混频器时，应该小心，以确保底面裸露的中央焊盘得到完全充分的焊接。这不仅对提供最高效的热量传导很重要，而且对实现最佳的 RF 信号接地也很有必要。这样能提高 RF 信噪比性能。

LTC5569 的封装具有非常低的 8°C/W 结点至管壳热阻 (ΘJC)。在两个通道都工作 (总功耗为 600mW)、电路板温度为 105°C 时，该器件的节温仅为 110°C，远低于 150°C 的绝对最大额定值。

结论

LTC5569 双通道混频器在非常宽的带宽范围内提供卓越的性能，同时具有紧凑的占板面积和非常低的功耗。该器件能应对新一代 LTE MIMO RRU 的高要求带来的挑战。