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)平臺的設計和實現，這些平臺包括回傳和前傳應用中常見的28 GHz和39 GHz頻段，以及許多其他的超帶寬發射器和接收器應用。

每個上變頻器和下變頻器芯片都是高集成的（見圖1），由IQ混頻器及片內正交移相器構成，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功能都通過SPI接口進行控制，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上變頻器內部視圖

ADMV1013提供兩種頻率轉換模式。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，由一對高速數模轉換器(DAC)產生的信號。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。當所選DAC的共模電壓在這個范圍內時，可以通過配置上變頻器的寄存器，使其輸入共模電壓和DAC輸出的共模電壓實現最佳的匹配，從而簡化接口設計。另一種模式是復IF輸入（例如由正交數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行數字校正，從而改善RF輸出的LO泄漏。校準之后，在最大增益下，RF輸出端的LO泄漏可以低至-45 dBm。對零中頻無線電設計造成妨礙的一個更困難的挑戰是I和Q的相位不平衡，導致邊帶抑制能力差。零中頻面臨的另一個挑戰是邊帶通常太接近微波載波，使濾波器難以實現。ADMV1013解決了這個問題，它允許用戶通過寄存器調諧對I和Q相位不平衡進行數字校正。正常操作期間，上變頻器展現出未經校準的26 dBc邊帶抑制。使用片內寄存器之后，其邊帶抑制經過校準可以提高到約36 dBc。兩種校準特性都是通過SPI實現，無需額外電路。在I/Q模式下，還可以通過調節基帶I和Q DAC的相位平衡來進一步提高邊帶抑制。這些性能增強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）直接地驅動該器件，進一步減少外部組件數量。片內四倍頻器將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協同工作。然后，經過調制的RF輸出通過一對放大器級（兩者中間存在一個VVA）進行放大。增益控制模塊為用戶提供35 dB調節范圍，最大級聯轉換增益為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量。因此，可以實現小型蜂窩基站等小型微波平臺。

ADMV1014下變頻器內部視圖

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。連續的19 dB增益調整范圍由施加給VCTRL引腳的dc電壓進行控制。用戶可以選擇在I/Q模式下使用ADMV1014作為從微波到基帶dc的直接解調器。在這種模式下，經過解調的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由寄存器設置，使得差分信號可以dc耦合到（例如）一對基帶模數轉換器(ADC)?；蛘?，ADMV1014可以用作單端復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進行校正，在下變頻器解調至基帶或IF時，提高其鏡像抑制性能。總的來說，下變頻器在24 GHz至42 GHz頻率范圍內，可以提供5.5 dB總級聯噪聲系數，以及17 dB最大轉換增益。當工作頻率接近基帶邊緣（高達44 GHz）時，級聯式NF仍然堅定保持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個獨立的100 MHz通道，每個通道都在-20 dBm輸入功率下調制至256 QAM。測量得出的EVM結果為-40 dB (1% rms)，支持對mmW 5G所需的高階調制方案進行解調。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調制，從而實現更高的數據吞吐量。此外，該器件也支持其他應用，如衛星和地面接收站寬帶通信鏈路、安全通信無線電、RF測試設備和雷達系統。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、高性能微波鏈路結合之后，可以實現寬帶基站。

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的256 QAM星座圖。

作者簡介

James Wong是ADI公司的RF產品營銷經理。他曾擔任高級營銷和銷售職位超過25年。此外，他從事RF、模擬電路和系統設計工作超過25年。聯系方式：james.wong@analog.com。

Kasey Chatzopoulos是ADI公司微波通信部(MCG)的產品應用經理。他負責為MCG的微波集成頻率轉換、RF可調諧濾波器和波束成型產品提供支持。他于2012年獲得馬薩諸塞大學達特茅斯分校電氣工程(EE)學士學位，于2017年獲得馬薩諸塞大學洛厄爾分校電氣工程碩士學位。他于2012年加入ADI公司/Hittite Microwave并擔任了兩年產品工程師，然后擔任RF和微波部的產品和應用團隊負責人。隨后被調往微波通信部擔任了兩年設計評估經理，后來作為產品線經理又工作了兩年。最近，他在2019年初擔任了產品應用經理一職。聯系方式：[email protected]。

Murtaza Thahirally是ADI公司微波通信部(MCG)的應用工程師。他負責為MCG的微波集成頻率轉換產品提供支持。他于2012年獲得伍斯特理工學院電子與計算機工程(ECE)以及經濟學學士學位，于2016年獲得普渡大學電子與計算機工程碩士學位。他于2012年加入ADI公司，在RF和微波部擔任了三年產品工程師。隨后被調往微波通信部，作為應用工程師工作了四年。聯系方式：[email protected]。