微波变频器和下变频器可提高微波无线电性能同时减小尺寸

作者：James Wong, Kasey Chatzopoulos, and Murtaza Thahirally

ADI公司分别推出了一对高度集成的微波上变频器和下变频器芯片ADMV1013和ADMV1014。这些 IC 可在非常宽的频率范围内工作，在 50 GHz 至 24 GHz 范围内具有 44 Ω匹配，可支持超过 1 GHz 的瞬时带宽。ADMV1013和ADMV1014的性能属性简化了小型5G毫米波（mmW）平台的设计和实现，这些平台覆盖回传和前传中流行的28 GHz和39 GHz频段，以及许多其他超宽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度集成的（见图1），由同相（I）和正交相位（Q）混频器组成，片内正交移相器可配置为与基带（可在直流至6 GHz范围内工作）或工作频率为800 MHz至6 GHz的中频（IF）之间的直接转换。上变频器RF输出具有带电压可变衰减器（VVA）的片内发射驱动放大器，而下变频器的RF输入包含低噪声放大器（LNA）和带VVA的增益级。两个芯片的本振（LO）链由一个集成LO缓冲器、一个频率四倍器和一个可编程带通滤波器组成。大多数可编程性和校准功能通过SPI接口进行控制，使IC易于通过软件配置为无与伦比的性能水平。

图1.（a） ADMV1013上变频器芯片框图。（b） ADMV1014下变频器芯片框图。

ADMV1013上变频器内部介绍

ADMV1013提供两种频率转换模式。一种模式是从基带I和Q到RF的直接上变频。在这种I/Q模式下，基带I和Q差分输入可以接受直流至6 GHz的信号，例如，由一对高速发射数模转换器（DAC）产生的信号。这些输入具有0 V至2.6 V的可配置共模范围;因此，它们可以满足大多数DAC的接口要求。因此，当选择具有特定共模电压的DAC时，可以轻松设置上变频器的寄存器，以匹配该V的最佳偏置厘米电压，简化接口设计。另一种模式是从复杂的IF输入（例如正交数字上变频器器件产生的信号）将单边带上变频至RF。ADMV1013的独特之处在于，它能够在I/Q模式下对I和Q混频器的直流失调误差进行数字校正，从而改善RF输出的LO泄漏。校准后可实现的LO泄漏在RF输出端可低至–45 dBm，最大增益。困扰直接变频无线电设计的一个更困难的挑战是I和Q相位不平衡，这会导致边带抑制不良。直接变频的另一个挑战是边带通常离微波载波太近，这使得滤波器不切实际。ADMV1013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，从而解决了这一问题。正常工作时，上变频器表现出26 dBc的未校准边带抑制。使用片内寄存器，校准后其边带抑制可改善至约36 dBc。两种校正功能均可通过SPI访问，无需额外电路。在I/Q模式下，通过进一步调整基带I和Q DAC的相位平衡，可以实现额外的抑制。这些性能增强功能最大限度地减少了外部滤波，同时提高了微波频率下的无线电性能。

集成LO缓冲器后，该器件仅需0 dBm驱动。因此，该器件可以方便地直接从集成压控振荡器（VCO）的频率合成器驱动，如ADF4372或ADF5610，从而进一步减少外部元件。片内频率四倍器将LO频率乘以所需的载波频率，并通过可编程带通滤波器，以减少不需要的乘法器谐波，然后再馈入混频器的正交相位发生器级。这种布置大大减少了混频器的杂散注入，同时允许该器件与外部低成本、低频频率合成器/VCO配合使用。然后，调制后的RF输出通过一对放大器级放大，中间有一个VVA。增益控制提供35 dB的用户调整范围，最大级联转换增益为23 dB。ADMV1013采用40引脚焊盘栅格阵列封装（见图2）。这些特性相结合，可提供卓越的性能、最大的灵活性和易用性，同时需要最少的外部元件。因此，可以实现小型微波平台，例如小型蜂窝基站。

图2.ADMV1013采用6 mm×6 mm表面贴装封装，如评估板所示。

ADMV1014下变频器内部简介

ADMV1014的LO路径中还具有一些类似的元件，如LO缓冲器、四倍频器、可编程带通滤波器和正交移相器。但是，ADMV1采用下变频器件（见图1014b框图），其RF前端具有LNA，后跟VVA和放大器。连续的19 dB增益调节范围由施加到VCTRL引脚的直流电压控制。用户可以选择在I/Q模式下将ADMV1014用作从微波到基带直流的直接变频解调器。在这种模式下，解调的I和Q信号在各自的I和Q差分输出上放大。它们的增益和直流共模电压可通过SPI通过寄存器设置，从而允许差分信号直流耦合，例如，耦合到一对基带模数转换器（ADC）。或者，ADMV1014可用作单端I和Q IF端口的镜像抑制下变频器。在任一模式下，I和Q相位以及幅度不平衡都可以通过SPI进行校正，从而改善下变频器解调至基带或IF时的镜像抑制性能。总体而言，下变频器在5 GHz至5 GHz的频率范围内提供17.24 dB的总级联噪声系数，最大转换增益为42 dB。当工作频率接近频带边缘（高达44 GHz）时，级联NF仍然是一个可观的6 dB。

图3.ADMV1014采用略小的5 mm×5 mm封装，安装在评估板上。

提升 5G 毫米波无线电性能

图4显示了在28 GHz频率下测得的性能，在5个独立的4 MHz通道上使用100G NR波形，每个通道的输入功率为256 QAM，每通道输入功率为–20 dBm。由此产生的 EVM 测量值为 –40 dB （1% rms），能够解调毫米波 5G 所需的高阶调制方案。凭借上变频器和下变频器的> GHz带宽能力，以及上变频器的1 dBm OIP23和下变频器的3 dBm IIP0，该组合有望支持高阶QAM调制，从而实现高数据吞吐量。此外，这些器件还有利于其他应用，如卫星和地面站宽带通信链路、安全通信无线电、射频测试设备和雷达系统。其卓越的线性度和镜像抑制性能令人信服，当与紧凑的解决方案尺寸、小尺寸、高性能微波链路相结合时，可以实现宽带基站。

图4.以均方根百分比与输入功率和相应的 256 QAM 星座图（以均方根百分比表示）测量的 EVM 性能，以及 28 GHz 时的相应 <> QAM 星座图。

审核编辑：郭婷