高性能有源混频器克服射频发射器设计挑战

下一代蜂窝基站发射器设计给射频设计师带来了极大挑战。这些无线系统严格要求传送具有低噪声和低互调及低谐波失真的纯净信号。因为在传送多载波信号的同时要求更高阶调制，所以就使这些系统的设计更具有挑战性了。设计这些系统对混频器线性性能要求很高。过去，无源二极管环形混频器一直是满足这些要求的首选方案。今天，新一代有源混频器在节省成本、功耗和空间方面具有极大的优势，同时解决了一些与高性能发射器设计有关的技术难题。

图 1 在合理的 LO 功率上选择最低噪声系数

图 2 在最佳 LO 功率上选择最高线性度(IIP3)和转换增益
有源混频器提高发射器
无寄生动态范围性能
射频设计师的主要目标是最大限度地提高发射器的信噪比(SNR)性能。这要求在允许的情况下发送尽可能高的射频信号功率，同时尽可能降低噪声。在最大输出时，射频信号功率被输出频谱分量引入的失真量覆盖。因此，在实现高 SNR 及无寄生动态范围(SFDR)同时达到最高输出功率之间存在精细的平衡。
LT5521有源混频器具有高线性度、低噪声和LO(本机振荡器) 驱动非常容易的特点，而且没有或只有很低的转换损耗，因此可实现经济高效的解决方案。
就确保最佳 SFDR 性能同时达到最大输出功率而言，选择合适的混频器工作点是极其重要的。参见图1，LT5521的最低噪声系数11.9dB发生在 LO功率为 0dBm的时候，此时，LT5521的 IIP3(24.1dBm)和转换增益(-0.5dB)也接近各自的最大值(见图 2)。这样，所有 3 个参数一起扩大了动态范围。
已知 IIP3 和噪声系数，混频器电路的 SFDR 可以用以下等式计算：
SFDR = 2/3 (IIP3-噪声层) (1)
其中：
噪声层 = NF-174dBm + 10 Log BW (2)
就 WCDMA 或 TD-SCDMA 类型.95GHz 、0dBm LO时，将 IIP3＝24.1dBm 和 NF＝11.9dB 代入，那么:
噪声层 = 11.9dB-174dBm + 10 Log (3.84MHz)= -96.3 dBm
有了这套工作参数，就可以得到以下的电路无寄生动态范围: SFDR = 2/3 [24.1dBm-(-96.3dBm)]= 80.3 dB

让输出中有更多的信号
如果以最大限度地增大无失真输出信号为目标，那么较高的转换增益是有利的。这样，无需额外的增益级，就可使输出中有更多的信号成份。例如， LT5521的转换损耗仅为 0.5dB。与一般具有高得多的 6~10dB 损耗的无源混频器相比，净信号改进为 6~8dB。因此，在发射混频器之后需要的放大量较少。

控制 LO 泄漏
LT5521的另一个重要优点是固有的低 LO 驱动和卓越的 LO 抑制性能，仅需要 0dBm(或更低)的信号来驱动其 LO 端口。相比之下，类似的IIP3无源混频器至少需要 +17dBm 的 LO 信号。在 PC 板上有这么强的 LO 信号确实是个缺点。
PC 板上一个 +17dBm 的高功率信号本身就可能是一个不希望的强辐射源。在 1~2GHz 频率上，小 PC 板的寄生成分能耦合足够的 LO 信号，从而影响到系统中的其他敏感电路。也许需要射频屏蔽。但是设计一个有效的射频抑制屏蔽可能需要对 PC 板进行反复修改，以达到完美效果，并可能延长一个项目的开发时间。
相比之下，有源混频器低得多的 LO 水平极大地简化了 LO 驱动电路，通过去掉一或两级功率放大器，减少了很多外部组件。可以极大地节省成本和空间。此外，没有附加的 LO 驱动电路，功耗就低得多。低驱动功率减轻了辐射和泄漏问题，进一步降低了成本。
有源混频器对 LO 功率变化不那么敏感。就无源混频器而言，2~3dB 的 LO 功率变化可以极大地降低其线性性能。设计一个大功率 LO 源，同时保持严格的 LO 功率容限是很难的，尤其是在大批量生产环境中更是这样。LT5521在不大幅降低性能的前提下容许较宽的 LO 功率范围。其低 LO 功率使设计工作容易得多。

较好的射频隔离简化滤波
有源混频器的端口至端口隔离有助于降低发射器输出的 LO 泄漏。典型无源混频器具有大约 30dB 的隔离度。但是在LO信号为 +17dBm 时，输出的 LO 泄漏范围将为 -13dBm，这么高的泄漏是不可接受的，需要大量的滤波处理来抑制。要控制 LO 泄漏，可能需要多级滤波，发射器的频率分配计划也可能受到影响。依频率偏移的不同而稍有不同，两级 SAW 滤波器实现大约 40dB 的衰减。有源混频器的优点源自它的低 LO 驱动功率，加上超过 40dB 的 LO 隔离，它在射频输出端产生大约 -40~-45dBm 的 LO 泄漏。这比无源混频器低 30dB，极大地降低了滤波要求，如果不用有源混频器，这种滤波要求是很高的。
较少的滤波器级不仅节省成本，而且可以提高信号质量。这是因为急转的滚降滤波器有相当可观的带内纹波。级联时，每级滤波器的纹波幅度可能增大到超过设计限制的程度，使已调波形产生失真。此外，每级滤波器都有相当可观的插入损耗。因此，有源混频器宽松的输出滤波器要求极大地降低了成本，提高了信号质量，在发射器输出端有较高的信号电平。

结语
新一代有源混频器具有较宽的无寄生动态范围，在高性能发射器信号链路上有纯净的输出频谱。本文讨论了几种在设计高性能蜂窝基站发射器时需要考虑的关键因素。