混频器材相貌之变迁

　　摘要

　　半导体工艺和RF封装技能的不断立异彻底改动了工程师规划RF、微波和毫米波运用的办法。RF规划人员需求比以往任何时分都更具体、更先进的技能和规划支撑。规划技能持续发展，RF和微波器材的性质在不久的未来将大不相同。本文介绍各品种型的混频器、各自的优缺陷，以及在不同商场中运用的演化。本文评论不同混频器材(首要是混频器)不断改动的相貌，以及技能前进怎么改动不同商场的需求。

　　简介

　　在RF和微波规划中，混频是信号链最要害的部分之一。曩昔，许多运用都受制于混频器的功用。混频器的频率规模、转化损耗和线性度，决议了混频器能否用于特定运用。频率高于30 GHz的规划很难完成，此等频率的器材封装更是难上加难。大部分时分，简略的单、双和三平衡混频器满意了一般商场的需求。可是，跟着企业开宣布的运用越来越先进，并希望前进每dB的功用，传统混频器便显得绰绰有余。当今和未来的商场需求这样的混频解决方案：针对各种运用专门定制，功用优化，并且支撑依据通用渠道的规划以便重复运用。

　　依据运用类型和终究商场，现在的规划人员会有十分不同的需求。一般来说，现在大大都规划人员需求宽带功用、更高线性度、与信号链中其他器材更高的集成度，以及更低的功耗。可是，细分商场不同，以上各种需求的优先级也大不相同。

　　不同品种的混频器和频率转化器

　　评论混频器和频率转化器在不同商场中的运用之前，了解不同类型混频器的根本特性会很有用。望文生义，混频器将两个输入信号混合，发生其频率之和或频率之差。运用混频器发生比输入信号高的输出频率时(两个频率相加)，称为上变频。运用混频器发生比输入信号低的输出频率时，称为下变频。

　　下一节阐明各类常用混频器的高层次规划和优缺陷。

　　单/双/三平衡无源混频器

　　最常见的混频器类型是无源混频器。此类混频器有不同的规划款式，如单端、单平衡、双平衡和三平衡等。运用最广泛的架构是双平衡混频器。这种混频器很受欢迎，因为其功用超卓，完成和架构简略，性价比高，并能供给多种选项。

　　无源混频器一般以简易性而出名，不需求任何外部直流电源或特别设置。此类混频器还有其他为人所称道的特性，包含宽带宽功用、杰出的动态规模、低噪声系数(NF)以及端口间杰出的阻隔。此类混频器的规划及其无外部直流电源要求的优势，使得混频器输出端的噪声系数很低。一个较好的经历法则是，无源混频器的噪声系数等于其转化损耗。此类混频器十分合适有低噪声系数要求的运用，而有源混频器无法满意这一要求。此类混频器拿手的另一个范畴是高频和宽带宽规划。从RF一向到毫米波频率，它们都能供给杰出的功用。混频器的另一个重要特性是不同端口之间的阻隔。此特性往往决议了具体运用可运用何种混频器。三平衡无源混频器的阻隔功用一般最佳，但其架构杂乱，并且其他特性(如线性度等)有些缺乏。双平衡无源混频器的端口间阻隔功用杰出，一起架构较简略。对大大都运用而言，双平衡混频器完成了阻隔度、线性度和噪声系数的最佳组合。

　　2 混频器材相貌之变迁

　　就信号链全体而言，线性度(也常用三阶交调截点IIP3来衡量)是RF和微波规划的最重要特性之一。无源混频器一般以高线性度功用而出名。惋惜的是，为了完成最佳功用，无源混频器需求高LO输入功率。大都无源混频器运用二极管或FET晶体管，需求大约13 dBm到20 dBm的LO驱动，这对某些运用景象来说是适当高的。高LO驱动要求是无源混频器的最大缺陷之一。无源混频器的另一个缺陷是混频器输出端的转化损耗。此类混频器是无增益模块的无源元件，故而混频器输出端往往有很高的信号损耗。例如，若混频器的输入功率为0 dBm，且混频器有9 dB的转化损耗，则混频器输出将是–9 dBm。总的来说，此类混频器十分合适测验丈量和军用商场，稍后将予以评论。

　　无源混频器的优势

• 　　„ 宽带宽

• 　　„ 高动态规模

• 　　„ 低噪声系数

• 　　„ 高端口间阻隔

  

　　图1.I/Q混频器框图和镜像按捺频域图

　　I/Q镜像按捺(IRM)混频器

　　I/Q混频器是一类无源混频器。它不光具有惯例无源混频器的优势，还具有其他优势，即不经过任何外部滤波便可消除不需求的镜像信号。此类混频器用作下变频器时也称为IRM(镜像按捺混频器)，用作上变频器时则称为SSB(单边带混频器)。I/Q混频器由两个双平衡混频器构成，LO信号一分为二，然后经过相移而相差90°(一个混频器为0°，另一个混频器为90°)。经过此相移，混频器得以仅发生一个边带(需求的)信号，而按捺不需求的信号。

　　图2在同一频谱图上显现了I/Q混频器(紫色线)和双平衡混频器(蓝色线)的功用。可以看到，I/Q混频器经过供给45 dB按捺来按捺不需求的低边带，而双平衡混频器一起发生了高边带和低边带。

　　像双平衡无源混频器相同，I/Q混频器也需求高LO输入功率。从架构看，I/Q混频器选用两个双平衡混频器，因而与两个双平衡混频器比较，所需的LO驱动往往要再多出大约3 dB。I/Q混频器对精细平衡的相位和起伏输入匹配很灵敏。输入信号、混合结构、体系板或混频器自身的任何违背90°的相移或起伏失衡，都会直接影响镜像按捺水平。经过外部校准混频器以改进功用，可以校对这些差错的影响。

　　因为边带按捺特性，I/Q混频器常用于需求消除边带但不经过外部滤波的运用，一起它能供给十分好的噪声系数和线性度。此类商场的常见比方是微波点对点回程通讯、测验丈量仪器外表和军事用处。

　　I/Q混频器的优势

• 　　„ 固有的镜像按捺

• 　　„ 无需贵重的滤波

• 　　„ 杰出的起伏和相位匹配

　　有源混频器

　　另一种常见混频器是有源混频器。有源混频器首要有两类：单平衡和双平衡(也称为吉尔伯特单元)混频器。有源混频器的优势是LO端口和RF输出端内置增益模块。此类混频器会为输出信号供给必定的转化增益，并且输入LO功率要求较低。有源混频器的典型LO输入功率是0 dBm左右，远低于大大都无源混频器。

　　有源混频器常常还集成LO倍频器，用来将LO频率倍乘到更高的频率。此倍频器对客户十分有利，无需高LO频率便可驱动混频器。有源混频器一般具有很好的端口间阻隔。但是，其缺陷是噪声系数较高，并且大都情况下线性度较低。对输入直流电源的需求影响了有源混频器的噪声系数和线性度。有源混频器常用于通讯和军用商场，低LO驱动和集成转化增益的需求对此类商场或许很重要。在测验丈量商场，有源混频器首要用作IF子部分的第三级或终究一级混频器，或用于低端外表(集成化和高性价比规划比噪声系数更重要)。

　　有源混频器的优势

• 　　„ 高集成度、小尺度

• 　　„ LO驱动要求低

• 　　„ 集成LO倍频器

• 　　„ 杰出的阻隔，但线性度和噪声系数欠安

  

图2.HMC773A无源混频器和HMC8191 I/Q混频器的频谱图，IF输入为1 GHz，LO输入为16 GHz.

　　集成频率转化混频器

　　因为客户需求更完好的信号链解决方案，还有一类混频器变得颇受欢迎，那就是集成频率转化器。此类器材由不同功用模块构成，这些模块衔接在一起构成一个子体系，使得客户的终究体系规划更简略。此类器材在同一封装或芯片中集成不同模块，例如混频器、PLL(锁相环)、VCO(压控振荡器)、倍频器、增益模块、检波器等等。可将此类器材制作成SIP(体系化封装)，即把多个裸片组装到同一封装中，或一个裸片包含一切规划模块。

　　经过将多个器材集成到一个芯片或封装中，频率转化器可以给规划人员带来很大优点，比方：尺度更小、器材更少、规划架构更简略，更重要的是，产品上市时刻更快。

　　图3.集成频率转化混频器HMC6147A的功用框图

　　混频器在不同商场中的运用

　　了解各类常用混频器及其优缺陷之后，咱们便可评论其在不同商场中的运用。

　　蜂窝基站和中继器商场

　　关于蜂窝基站和中继器商场，本钱和集成度是最大的考量要素。跟着全球3G、LTE和TDD-LTE网络的快速增加，运营商需求开发能在多个选用不同频段的地区性商场重复运用的RF硬件渠道。在技能上和资金上，各地区性商场的需求是不同的。因而，蜂窝基站所用的混频器有必要能掩盖多个蜂窝频段，到达很多布置所要求的低价位水平，并供给更高的集成度以便加速开发和下降本钱。所以，宽带、有源、高集成度混频器(频率转化器)常用于这一商场。

　　一级、二级和蜂窝基站供货商常常运用ADI公司依据SiGe的BiCMOS混频器，其集成LO/IF放大器和PLL/VCO。ADRF6655(集成PLL/VCO的0.1 GHz至2.5 GHz宽带混频器)、AD8342(LF至3 GHz宽带有源混频器)和ADL5811(集成IF和宽带LO放大器的0.7 GHz至2.8 GHz混频器)是蜂窝基站和接收机规划常用的混频器。这些混频器混合运用有源和无源混频器技能，以低本钱集成多个RF器材，并供给宽带功用。

　　点对点微波回程(通讯基础设施)

　　通讯基础设施(有线和无线)制造商正在转向集成度更高的规划，且特别重视高功用，以支撑数据吞吐所需的最高调制。为了支撑更高的数据速率，回程无线电有必要具有十分高的功用。一二十年前，大大都OEM(原始设备制造商)选用平衡混频器和外差架构，通用混频器即可很好地满意多种点到点无线电规划需求。后来，OEM开端选用I/Q(或IRM)混频器来改进功用并削减滤波电路。如上所述，消除镜像频率是I/Q混频器的固有才能，因而无需进行本钱昂扬的搅扰边带滤波。ADI公司供给品种广泛的I/Q混频器，可掩盖一切商用微波频段。这些混频器大大简化了基站规划，并明显前进了体系功用以支撑更高的QAM。

　　现在，产品上市时刻越来越短，对点到点回程功用的要求越来越高，因而OEM开端选用集成度更高的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)将I/Q混频器、2倍有源倍频器和RF输出端的驱动放大器集成在同一封装中。因而，无需再挑选多款匹配器材并优化各器材的功用，规划人员现在可以只挑选一款上变频器，并把更多时刻投入到优化信号链的全体功用上。

　　类似地，ADI公司的I/Q下变频器(如HMC1113LP5E、HMC977LP4E和HMC6147ALC5A)将I/Q混频器、LNA、2倍有源倍频器和LO放大器集成在同一封装中。ADI公司的下变频器供给业界抢先的功用，全频段的镜像按捺高达40 dBc，噪底低至2.5 dB，合适一切商用微波回程接收机规划。ADI公司是业界仅有供给全系列上变频器和下变频器产品的公司，这些产品支撑从6 GHz到42 GHz的一切商用微波频段。

　　微波回程无线电商场的功用和集成度竞赛十分剧烈。几年前，大都OEM聚集于某些特定频段，仅针对这些频段来研制解决方案。现在，跟着全球无线需求的增加和新频谱的分配，大都OEM方案开发支撑6 GHz到42 GHz的一切商用微波频段的无线电。因而，基站规划不再依赖于分立器材或部分集成的器材。新规划要求选用渠道化办法，以便能将常见器材用于多个频段。

　　因而，大都OEM现在希望经过一个通用混频渠道来掩盖多个无线电频段，并取得最佳功用和规模经济。ADI公司业界抢先的ADRF6780(6 GHz至24 GHz I/Q调制器)就是在这一方向上取得的一大前进。现在运用单个I/Q调制器或I/Q解调器，OEM便能规划支撑6 GHz到24 GHz的九个不同频段的微波回程无线电。如图4所示，ADRF6780将I/Q混频器、可选的LO倍频器、VVA、对数检波器和SPI可编程的四通道别离缓冲器集成在同一封装中。这款器材功用灵敏，OEM既可将其用于传统的外差架构中(IF为0.8 GHz至3.5 GHz，无需多个器材)，也可将其用于直接变频架构(零中频架构)中(一个器材支撑RF至基带)。因为集成了LO倍频器和缓冲器，削减了对高输入频率和功率的需求。此器材还具有VVA增益操控功用，需求时可供给稳定的输出增益。此器材的一切与增益设置、镜像按捺、校准等有关的功用，都可以经过SPI总线操控，规划人员在规划中运用起来更简洁。

　　图4.宽带微波上变频器ADRF6780功用框图

　　图5显现了ADRF6780校准后的边带按捺功用，并杰出反映了即便在宽带景象下，这款新一代器材也能供给先进的RF功用。

　　图5.ADRF6780边带按捺和载波馈通调零

　　新转化器从头界说了规划人员规划微波基站信号链的办法。运用这款转化器，RF规划人员现在可以把更多时刻花在信号链功用优化和软件晋级上，而传统的匹配各器材的办法只能完成体系根本特性。

　　测验丈量仪器外表和军用

　　测验丈量(T&M)仪器外表和军用商场对宽带功用一向有着十分共同的需求。此类商场中的大部分运用(如电子战、雷达、频谱剖析仪等)是高度定制化的，需求极端超卓的信号完好度和精度。这些运用一般还跨过广泛的频谱(宽带要求)，需求可以检测超低保真度信号(低噪声系数和高线性度)。ADI公司商场营销总监Duncan Bosworth于2015年6月宣布了一篇文章“多功用：窘境抑或实际?”，具体评论了军工客户的宽带需求。

　　宽带、规划灵敏性和高功用的需求，使得测验丈量和军工客户更喜爱运用可以单个定制和优化以到达特定规划方针的分立混频器。如上所述，无源混频器的线性度和噪声系数优于集成或有源混频器。顺带说一句，即便在无源混频器中，宽带和最优RF功用(线性度、噪声系数、杂散等)也像一枚硬币的双面。传统上，半导体公司用带宽来交流RF功用，或许相反。效果，军工和测验丈量规划人员并联运用多个窄带器材来掩盖宽频率规模。经过这种办法，他们能在各窄带中供给最佳功用。这样的解决方案是有用的，但规划极端杂乱、贵重且难以保护。

　　跟着技能和工艺的前进，ADI等公司现在可以简化规划。运用宽带混频器，测验丈量和军工客户可以取得与窄带器材适当或更好的功用，并且一个器材就能掩盖多个频段。2009以来，ADI公司推出了业界最完全的无源宽带混频器系列，包含单/双/三平衡混频器、I/Q混频器、高IP3和次谐波混频器。规划人员再也不需求献身功用来完成宽带规划。ADI公司事务开发总监Chandra Gupta最近宣布了一篇文章“探求宽带频率转化器”，具体评论了ADI公司怎么运用宽带频率转化器简化测验丈量和军用规划。图6杰出展现了宽带器材(包含宽带混频器)怎么简化测验丈量和军工运用的整个信号链。

　　尽管其他商场大多已开端转向集成混频器以下降本钱并简化规划，但比如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)之类的分立混频器材在测验丈量和军工客户中依然占有杰出位置。关于频谱剖析仪和信号剖析仪等高精度测验丈量仪器外表运用，以及关于先进雷达和电子战运用，I/Q混频器开端遭到欢迎。这些混频器无需外部滤波，一起仍有杰出的镜像按捺功用。

　　曩昔，业界中的大部分I/Q混频器受窄带约束。但现在，跟着ADI公司经过立异不断打破RF和微波的约束，业界将具有两款新式宽带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)。测验丈量和军工客户可以用这两款混频器替代最多八个窄带I/Q混频器，一起仍能完成相同的运用规划方针。规划人员再也不需求抛弃功用来交换宽带功用。

　　未来几年，测验丈量和军用商场或许会持续运用分立式混频解决方案。但是，跟着便携式和低功耗需求的增加，咱们很快会看到这些运用将逐步前进集成度并下降功耗。无源混频器先天具有更高的线性度、更好的噪声系数和更低的功耗，但集成灵敏性有限。有源混频器具有高集成度，但功耗和噪声系数不如人意。咱们预期在这个方向上会有更多立异和更先进的研制效果。或许有一天，咱们会具有一举两得的混频器——既能供给高线性度和宽带功用，又有较低的功耗和较小的尺度。这一天不会太远。

　　总结

　　微波职业不断取得令工程界惊奇的技能前进。现在对微波混频器材的需求变得比以往愈加多样化，与特定商场运用的联系愈加亲近。曩昔的通用混频器产品将不再适用不同商场中的新式运用。OEM更多地以渠道和运用为中心来看待其规划。半导体业者有必要可以为每个细分商场供给混频解决方案。OEM需求开端与ADI公司等半导体职业的前锋企业亲近合作，以开发混频解决方案，而不只是混频器材。

　　图6.宽带器材简化测验丈量和军工运用的整个信号链

　　作者简介

　　Abhishek Kapoor是ADI公司射频与微波部(RFMG)的商场开发司理。他担任拟定射频与微波部的全体商场策略，以及在新式商场赢得事务。在其职业生涯中，他从事过射频和半导体职业的工程规划、产品办理、出售、商场营销和事务开发等多种作业。他于2007年取得弗吉尼亚理工学院电气工程学士学位，2013年取得北卡罗来纳大学Kenan-Flagler商学院(Chapel Hill)工商办理硕士学位。

　　Assaf Toledano是ADI公司射频与微波部的运用工程司理。他于2004年取得麻省大学洛威尔分校电气工程学士学位(B.S.E.E.)，2009年取得美国东北大学电气工程硕士学位(MSEE)。他于2004年参加ADI公司，做过两年测验运用工程师。随后被调往高速数模转化器部，作为产品工程师作业了七年。他在ADI公司内部和外部宣布过多篇技能文章。