混频组件不断变化的格局

作者：Abhishek Kapoor and Assaf Toledano

半导体工艺和射频封装技术的持续创新彻底改变了工程师设计射频、微波和毫米波设计应用的方式。RF设计人员的技术和设计支持需求比以往任何时候都更加具体和先进。设计技术不断发展，在不久的将来，射频和微波组件的性质将大不相同。本文介绍了不同类型的混合器，它们的优缺点，以及它们在不同市场中不断发展的应用。它讨论了不同混频组件（主要是混频器）不断变化的格局，以及技术进步如何改变不同细分市场的需求。

介绍

在RF和微波设计中，混频是信号链中最关键的部分之一。过去，许多应用都受到混频器性能的限制。混频器的频率范围、转换损耗和线性度决定了混频器是否可用于应用。针对 30 GHz 以上频率的设计非常困难，在这些频率下封装器件更是困难。大多数情况下，简单的单平衡、双平衡和三平衡混频器满足了一般市场的需求。但是，随着公司开发更先进的应用并希望提高每一dB的性能，传统的混频器却无法实现。当今和未来的市场需要专门适合每种应用、针对性能进行优化并支持可反复重复使用的基于平台的通用设计的混频解决方案。

根据应用类型和终端市场的不同，今天的设计人员有着非常不同的需求。一般来说，大多数设计人员现在都希望获得宽带性能、更高的线性度、与信号链中其他元件的更高集成度以及更低的功耗。但根据细分市场的不同，对这些标准中的每个标准的优先级都大不相同。

不同种类的混频器和变频器

在我们讨论混频器和变频器在不同市场中的应用之前，了解不同类型混频器的基本特性可能会有所帮助。顾名思义，混频器混合两个输入信号以产生其频率的总和或差值。当混频器用于产生比输入信号更高的输出频率（通过添加两个频率）时，称为上变频。当混频器用于产生低于输入信号的输出频率时，它被称为下变频。

以下部分解释了常用混合器类型的高级设计和优缺点。

单平衡、双平衡和三平衡无源混频器

最常见的混合器类型是被动混合器。这些混频器有不同的设计风格，如单端、单平衡、双平衡或三平衡。使用最广泛的架构是双平衡混频器。这款混频器很受欢迎，因为它具有良好的性能，提供简单的实现和架构，并且是一种具有多种可用选项的经济高效的设计选择。

无源混频器通常以其简单性而闻名，因为它们不需要任何外部直流（直流）电源或特殊设置。这些混频器还以其宽带宽性能、良好的动态范围、低噪声系数（NF）和端口之间的良好隔离而闻名。这些混频器的设计及其无直流外部电源要求的优势通过在混频器输出端提供低噪声系数而受益。一个好的经验法则是，无源混频器中的NF等于其转换损耗。这些混频器适用于有源混频器无法提供的低NF系统要求的应用。这些混频器擅长的另一个领域是高频和宽带宽设计。它们可以在从射频一直到毫米波频率的频率范围内提供良好的性能。另一个关键的混频器规格是不同端口之间的隔离。此规范通常会驱动可用于应用的混合器类型。三重平衡无源混频器通常提供最佳隔离，但提供复杂的架构，并且受到线性度等其他规格的限制。双平衡无源混频器在端口之间提供良好的隔离，同时提供更简单的架构。双平衡混频器为大多数应用提供了隔离、线性度和噪声系数的最佳组合。

从整个信号链的角度来看，线性度（通常也称为IIP3 - 三阶截取点）是RF和微波设计中最重要的规格之一。无源混频器通常以其高线性度性能而闻名。遗憾的是，为了获得最佳性能，无源混频器需要高LO输入功率。大多数无源混频器使用二极管或FET晶体管，需要约13 dBm至20 dBm的LO驱动，对于某些用例来说，这可能相当高。高LO驱动要求是无源混频器的主要弱点之一。与无源混频器相关的另一个弱点是混频器输出端的转换损耗。这些混频器是无源元件，没有增益模块;因此，混频器输出往往具有很高的信号损耗。例如，如果混频器的输入功率为0 dBm，混频器的转换损耗为9 dB，则混频器的输出将为–9 dBm。总体而言，这些混合器非常适合测试和测量以及军事市场，本文稍后将对此进行讨论。

无源混合器的优点

宽带

高动态范围

低噪声系数

高端口到端口隔离

图1.I/Q混频器框图和镜像抑制频域图

I/Q 镜像抑制 （IRM） 混频器

I/Q混频器是一种无源混频器。它具有与常规无源混频器相同的优势，以及无需任何外部滤波即可消除不需要的图像信号的额外优势。这些混频器在用作下变频器时也称为IRM（镜像抑制混频器），在用作上变频器时也称为SSB（单边带混频器）。I/Q混频器由两个双平衡混频器和一个LO信号组成，LO信号被分成两个，然后相移90°（0°到一个混频器，90°到第二个混频器）。这种相位偏移允许混频器仅产生一个边带（所需）信号并抑制不需要的信号。

图2中的频谱图在同一图表上显示了I/Q混频器（紫线）和双平衡混频器（蓝线）的性能。如您所见，与同时产生上下边带的双平衡混频器相比，I/Q混频器通过提供45 dB抑制来抑制不需要的下边带。

图2.HMC773A无源混频器与HMC8191 I/Q混频器在IF输入为1 GHz，LO输入为16 GHz时的频谱图。

与双平衡无源混频器一样，I/Q混频器也需要高LO输入功率。从架构上讲，由于I/Q混频器使用两个双平衡混频器，因此与两个双平衡混频器相比，它们往往需要~3 dB的额外LO驱动。I/Q混频器对均衡的相位和幅度输入匹配很敏感。输入信号、混合信号、系统板或混频器本身的任何90°相移或幅度不平衡都会直接影响镜像抑制水平。这些误差的影响可以通过校准混频器从外部纠正，以提高性能。

由于边带抑制特性，I/Q混频器通常用于需要在不进行外部滤波的情况下去除边带的应用，同时确保非常好的NF和线性度。微波点对点回程通信、测试和测量仪器以及军事终端用途是此类市场的常见例子。

I/Q混频器的优点

固有镜像抑制

无需昂贵的过滤

良好的幅度和相位匹配

有源混频器

另一种常见的混频器是有源混频器。有源混频器有两种主要类型：单平衡和双平衡（也称为吉尔伯特单元）混频器。有源混频器的优势在于LO端口和RF输出端具有内部增益模块。这些混频器为输出信号提供一定的转换增益，并受益于较低的输入LO功率要求。有源混频器的典型LO输入功率约为0 dBm，远低于大多数无源混频器。

通常，有源混频器还包括一个集成的LO倍增器，以将LO频率乘以更高的频率。该乘法器通过消除驱动混频器的高LO频率，为客户提供了一个主要优势。有源混频器通常在端口之间具有良好的隔离性。然而，它们的噪声系数较高，在大多数情况下，线性度较低。对输入直流电源的需求会影响有源混频器的噪声系数和线性度性能。有源混频器通常用于通信和军事市场，在这些市场中，低LO驱动和对集成转换增益的需求可能很重要。在测试和测量市场中，有源混频器主要用作IF子部分中的第三级或最后级混频器，或用于集成且经济高效的设计比同类最佳NF更重要的低层仪器。

有源混合器的优点

高集成度，体积小

低LO驱动要求

集成LO乘法器

良好的隔离，但线性度和噪声系数不佳

集成变频混频器

由于客户期望更完整的信号链解决方案，另一类流行的混频器是集成变频器。这些设备由连接在一起的不同功能块构建而成，以创建一个子系统，使客户的终端系统设计更容易。这些器件在同一封装或芯片中集成了不同的模块，如混频器、PLL（锁相环）、VCO（电压控制振荡器）、乘法器、增益模块、检测器等。这些器件可以构建为SIP（系统级封装），它在同一封装中或在一个包含所有设计模块的芯片上组装多个芯片。

通过将多个器件集成到一个芯片或封装中，变频器为设计人员提供了显著的优势，例如更小的尺寸、更少的部件、更简单的设计架构，最重要的是，更快的上市时间。

图3.HMC6147A集成变频混频器框图

混合器应用：按市场

现在我们了解了不同类型的常用混合器类型及其优缺点，我们可以讨论它们在不同类型市场中的应用。

蜂窝基站和中继器市场

对于蜂窝基站和中继器市场，成本和集成是最大的驱动因素。随着全球3G、LTE和TDD-LTE网络的快速增长，运营商需要开发射频硬件平台，以便利用不同的频率信道在多个地理市场中重复使用。每个地理市场的需求在技术和财务上都不同。因此，蜂窝基站的混频器需要能够覆盖多个蜂窝频段，满足大规模部署的低价位，并提供更高的集成度以实现快速开发和低成本。因此，宽带、有源和高度集成的混频器（变频器）是该市场常用的。

ADI公司基于SiGe的Bi CMOS混频器集成LO和IF放大器以及集成PLL/VCO，通常用于第1层、第2层和蜂窝基站提供商。ADRF6655（0.1 GHz至2.5 GHz宽带混频器，集成PLL/VCO）、AD8342（LF至3 GHz宽带有源混频器）和ADL5811（0.7 GHz至2.8 GHz混频器，带IF和宽带LO放大器）是蜂窝基站和接收器设计的常用混频器。 这些混频器采用有源和无源混频器混合技术，以低成本集成多个射频组件，同时提供宽带性能。

点对点微波回程（通信基础设施）

基础设施通信（有线和无线）制造商正在转向集成度更高的设计，但重点是高性能，以支持数据吞吐量的最高调制。由于需要支持增加的数据，回程无线电必须具有非常高的性能要求。十年或二十年前，大多数OEM（原始设备制造商）使用平衡混频器和外差架构，通用混频器适用于多种点对点无线电设计。然后，OEM厂商开始使用I/Q（或IRM）混频器来提高性能并减少滤波电路。如上所示，I/Q混频器固有地消除了镜像频率，从而消除了对不需要的边带进行昂贵滤波的需要。ADI公司提供各种I/Q混频器，涵盖所有商用微波频段。这些混频器大大简化了基站设计，并显著提高了支持更高QAM的性能。

但现在，随着对更短上市时间和点对点回程性能要求的进一步改进的需求不断增长，OEM 已开始采用集成度更高的 I/Q 上变频器和下变频器。ADI公司的典型上变频器（如HMC7911LP5E和HMC7912LP5E）在同一封装中集成了I/Q混频器、×2有源乘法器和RF输出端的驱动放大器。因此，设计人员现在可以选择单个上变频器，将更多时间集中在优化信号链的整体性能上，而不是选择多个匹配元件并优化每个元件的性能。

同样，ADI公司的I/Q下变频器（如HMC1113LP5E、HMC977LP4E和HMC6147ALC5A）在同一封装中集成了I/Q混频器、LNA、×2有源乘法器和LO放大器。ADI公司的下变频器在整个频段内具有高达40 dBc的镜像抑制和低至2.5 dB的本底噪声，为所有商用微波回程接收器设计提供业界领先的性能。ADI公司是业内唯一一家为6 GHz至42 GHz之间的每个商用微波频段提供完整的上变频器和下变频器产品组合的公司。

微波回程无线电市场对性能和集成度的竞争非常激烈。几年前，大多数原始设备制造商专注于某些特定的频段，并仅针对这些频段提供解决方案。如今，随着全球无线增长的需求和全球新频谱的可用性，大多数原始设备制造商计划为6 GHz至42 GHz之间的所有商用微波无线电频段开发无线电。因此，基站设计不再依赖于分立或部分集成的组件。新设计需要一种平台方法，以允许跨多个频段利用通用组件。

因此，大多数原始设备制造商现在都希望一个通用混频平台能够覆盖多个无线电频段，并获得最佳性能和规模经济。ADI公司业界领先的ADRF6780（6 GHz至24 GHz I/Q调制器）是朝着这个方向迈出的一步。使用单个 I/Q 调制器或 I/Q 解调器，OEM 现在可以为 6 GHz 和 24 GHz 之间的九个不同无线电频段设计微波回程无线电。如图4所示，ADRF6780在同一封装中集成了I/Q混频器、可选LO乘法器、VVA、对数检波器和SPI可编程四通道分离缓冲器。该器件为 OEM 提供了灵活性，既可以在中频为 0.8 GHz 至 3.5 GHz 的传统外差架构中使用此混频器，并消除单个组件，也可以在仅用一个部件即可从 RF 一直到基带的直接转换（零中频架构）中使用这种混频器。集成的LO倍增器和缓冲器减少了对高输入频率和功率的需求。该器件还包括VVA增益控制，以在需要时提供恒定的输出增益。该器件中与增益设置、镜像抑制、校准等相关的所有功能都可以由SPI总线控制，使设计人员更容易在设计中使用。

图4.ADRF6780宽带微波上变频器框图

图5显示了ADRF6780的校准边带抑制，并强调即使具有宽带性能，新一代器件也能提供最先进的RF性能。

图5.ADRF6780边带抑制和载波馈通归零

新转换器重新定义了设计人员处理微波基站信号链设计的方式。借助该转换器，RF设计人员现在可以花更多时间通过软件升级来优化信号链的性能，而传统方法只是为了达到基本的系统规格而匹配每个组件。

测试和测量仪器仪表和军事

测试和测量（T&M）仪器仪表和军事市场一直对宽带性能有着非常独特的需求。这些市场中的大多数应用，如电子战、雷达和频谱分析仪，都是高度定制的，需要极好的信号完整性和准确性。这些应用通常还跨越很宽的频段（宽带要求），并且需要能够检测非常低保真度的信号（低噪声系数和高线性度）。ADI营销总监邓肯·博斯沃思（Duncan Bosworth）于2015年6月发表了一篇详细的文章《多功能：困境还是现实？》，讨论了军事客户的宽带需求。

由于对宽带、设计灵活性和高性能的需求，T&M和军事公司更喜欢使用可以单独定制和优化的分立混频器，以实现特定的设计目标。如上所述，无源混频器比集成或有源混频器提供更好的线性度和更好的噪声系数。顺便说一下，即使在无源混频器中，宽带和最佳RF性能（线性度、噪声系数、杂散等）就像硬币的两个相反面。传统上，半导体公司会以宽带换取射频性能，或者相反。因此，军事和测试与测量设计师将并行使用窄带部件来覆盖宽频率范围。这样，他们就能够在每个窄带中提供最佳性能。这样的解决方案有效，但使设计极其复杂、昂贵且难以维护。

随着技术和工艺的改进，ADI公司等公司现在简化了设计。使用宽带混频器部件，T&M和军事客户可以获得与窄带器件相当或更好的性能，同时还可以用一个器件覆盖多个频段。自2009年以来，ADI公司推出了业界最广泛的无源宽带混频器产品组合——单平衡、双平衡和三平衡混频器、I/Q混频器、高IP3混频器和次谐波混频器。设计人员不再需要为宽带设计而牺牲性能。ADI公司业务发展总监Chandra Gupta最近发表了一篇题为“调查宽带频率转换器”的详细文章，讨论了ADI公司如何使用宽带频率转换器简化测试与M和军事设计。图6突出显示了宽带器件（包括宽带混频器）如何简化T&M和军事应用中的整体信号链。

图6.宽带器件简化了测试与测量和军事应用中的整体信号链。

尽管大多数其他细分市场已经开始转向集成混频器以降低成本和简化设计，但分立混频元件如HMC773ALC3B（6 GHz至26 GHz双平衡混频器）和HMC1048LC3B（2 GHz至18 GHz双平衡混频器）在T&M和军事客户中占有重要地位。对于频谱分析仪和信号分析仪等高精度测试和测量仪器应用，以及高级雷达和电子战应用，I/Q混频器已开始普及。这些混频器无需外部滤波，同时仍提供良好的镜像抑制性能。

过去，业界大多数I/Q混频器都是窄带限制。但现在，随着ADI公司突破RF和微波创新的极限，业界现在可以期待两款新的宽带I/Q混频器：HMC8191LC4（6 GHz至26 GHz I/Q混频器）和HMC8193LC4（2.5 GHz至8.5 GHz I/Q混频器）。有了这两款混频器，T&M和军用客户可以更换多达8个窄带I/Q混频器，并且仍然可以实现其应用的相同设计目标。设计人员不再需要为了宽带性能而牺牲性能。

未来几年，T&M和军事部门可能会继续使用离散混频解决方案。然而，随着对更便携和更低功耗应用的需求，我们可能很快就会开始看到对提高集成度和降低功耗的需求不断增长。默认情况下，无源混频器提供更好的线性度、噪声系数和功耗，但集成灵活性有限。同样，有源混频器提供高集成度，但需要牺牲功耗和NF。我们期待在这个方向上有更多的创新和先进的发展
。也许有一天，我们会看到混频器可以提供两全其美的优势，并提供高线性度、宽带性能、低功耗和更小的尺寸。那一天并不遥远。

总结

微波行业的技术进步继续给工程界带来惊喜。微波混合组件的需求现在比以往任何时候都更加多样化和特定于市场应用。昨天的通用混音器产品将不适用于不同细分市场的新应用。OEM 正在以更加以平台和应用为中心的方式看待他们的设计。半导体厂商需要能够为每个细分市场提供混频解决方案。OEM厂商需要开始与ADI公司等半导体行业先驱密切合作，开发混频解决方案，而不仅仅是混频元件。

规格	HMC8193			HMC8191
	最小值	典型值	麦克斯	最小值	典型值	麦克斯	单位
射频和低电平范围	2.5		8.5	6		26.5	千兆赫
中频范围	直流		3.5	直流		5	千兆赫
转换损失		8	10		9	12	分贝
镜像抑制	23	32		20	25		分贝
输入 IP3	17	21		15	20		电子提单
LO 至射频隔离	37	45		40	45		分贝
LO 至 IF 隔离	30	40		35	40		分贝

审核编辑：郭婷