ADI 公司推出了一对高集成的微波上下变频器,ADMV1013 和 ADMV1014。这两颗器件的工作频率极宽,从 24 GHz 到 44 GHz,并提供 50 Ω匹配,同时可以支持大于 1 GHz 的瞬时带宽。ADMV1013 和 ADMV1014 的性能特性简化了小型 5G 毫米波(mmW)平台的设计和实现,这些平台包括回传和前传应用中常见的 28 GHz 和 39 GHz 频段,以及许多其他的超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集成的(见图 1),由 IQ 混频器及片内正交移相器构成,可配置为基带 IQ 模式(零中频,IQ 频率支持 dc 至 6 GHz),或者配置为中频模式(实中频,中频频率支持 800 MHz 至 6 GHz)。上变频器的 RF 输出端集成了一个含压控衰减器(VVA)的驱动放大器,下变频器的 RF 输入端包含低噪声放大器(LNA)和带 VVA 的增益放大器。两个芯片的本振(LO)链路由一个集成式 LO 缓冲放大器、一个四倍频器和一个可编程的带通滤波器组成。大部分可编程和校准功能都通过 SPI 接口进行控制,这使得 IC 易于通过软件配置至出色的性能水平。

 

 

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

 

ADMV1013 上变频器内部视图

ADMV1013 提供两种频率转换模式。一种模式是从基带 I 和 Q 直接上变频至 RF 频段。在这种 I/Q 模式下,基带 I 和 Q 差分输入信号范围是从 dc 到 6 GHz,例如,由一对高速数模转换器(DAC)产生的信号。IQ 输入信号的共模电压范围为 0 V 至 2.6 V;因此,它们可以满足大部分 DAC 的接口需求。当所选 DAC 的共模电压在这个范围内时,可以通过配置上变频器的寄存器,使其输入共模电压和 DAC 输出的共模电压实现最佳的匹配,从而简化接口设计。另一种模式是复 IF 输入(例如由正交数字上变频器器件生成的信号),单边带上变频到 RF 频段。ADMV1013 的独特之处在于,它能够在 I/Q 模式下对 I 和 Q 混频器的直流偏置误差进行数字校正,从而改善 RF 输出的 LO 泄漏。校准之后,在最大增益下,RF 输出端的 LO 泄漏可以低至 -45 dBm。对零中频无线电设计造成妨碍的一个更困难的挑战是 I 和 Q 的相位不平衡,导致边带抑制能力差。零中频面临的另一个挑战是边带通常太接近微波载波,使滤波器难以实现。ADMV1013 解决了这个问题,它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。正常操作期间,上变频器展现出未经校准的 26 dBc 边带抑制。使用片内寄存器之后,其边带抑制经过校准可以提高到约 36 dBc。两种校准特性都是通过 SPI 实现,无需额外电路。在 I/Q 模式下,还可以通过调节基带 I 和 Q DAC 的相位平衡来进一步提高边带抑制。这些性能增强特性帮助最小化外部滤波,同时改善微波频率下的无线电性能。

 

图 2. 采用 6 mm ×6 mm 表贴封装的 ADMV1013 在评估板上的图示。


集成了 LO 缓冲器之后,该部件所需的驱动力仅为 0 dBm。因此,可使用集成压控振荡器(VCO)的频综(例如 ADF4372 或 ADF5610)直接地驱动该器件,进一步减少外部组件数量。片内四倍频器将 LO 频率倍升至所需的载波频率,然后通过可编程的带通滤波器滤除不需要的倍频器谐波,该带通滤波器放置在混频器正交相位生成模块之前。这种布局大大减少了进入混频器的杂散频率,同时允许该部件与外部低成本、低频率的频率合成器 /VCO 协同工作。然后,经过调制的 RF 输出通过一对放大器级(两者中间存在一个 VVA)进行放大。增益控制模块为用户提供 35 dB 调节范围,最大级联转换增益为 23 dB。ADMV1013 采用 40 引脚基板栅格阵列封装(见图 2)。这些特性结合起来,可以提供卓越的性能、最大的灵活性和易用性,同时最大程度减少需要的外部组件的数量。因此,可以实现小型蜂窝基站等小型微波平台。


ADMV1014 下变频器内部视图

ADMV1014 也有一些相似的元件,例如其 LO 路径中包含 LO 缓冲器、四倍频器、可编程的带通滤波器,以及正交移相器。但是,构建作为下变频器件(见图 1b 中的框图),ADMV1014 的 RF 前端中安装有一个 LNA,紧接着安装了一个 VVA 和一个放大器。连续的 19 dB 增益调整范围由施加给 VCTRL 引脚的 dc 电压进行控制。用户可以选择在 I/Q 模式下使用 ADMV1014 作为从微波到基带 dc 的直接解调器。在这种模式下,经过解调的 I 和 Q 信号在各自的 I 和 Q 差分输出处放大。它们的增益和 dc 共模电压可以通过 SPI 由寄存器设置,使得差分信号可以 dc 耦合到(例如)一对基带模数转换器(ADC)。或者,ADMV1014 可以用作单端复 IF 端口的镜像抑制下变频器。在任何一种模式下,I 和 Q 相位、幅度的不平衡都可以通过 SPI 进行校正,在下变频器解调至基带或 IF 时,提高其镜像抑制性能。总的来说,下变频器在 24 GHz 至 42 GHz 频率范围内,可以提供 5.5 dB 总级联噪声系数,以及 17 dB 最大转换增益。当工作频率接近基带边缘(高达 44 GHz)时,级联式 NF 仍然坚定保持 6 dB。

 

图 3. 采用更小型的 5 mm ×5 mm 封装的 ADMV1014 在评估板上的图示。

 

大幅提升 5G mmW 无线电性能

图 4 所示为下变频器在 28 GHz 频率时的测量性能,测量时,采用 5G NR 波形,包含 4 个独立的 100 MHz 通道,每个通道都在 -20 dBm 输入功率下调制至 256 QAM。测量得出的 EVM 结果为 -40 dB (1% rms),支持对 mmW 5G 所需的高阶调制方案进行解调。凭借上下变频器>1 GHz 的带宽容量,以及上变频器的 23 dBm OIP3 和下变频器的 0 dBm IIP3,其组合可以支持高阶 QAM 调制,从而实现更高的数据吞吐量。此外,该器件也支持其他应用,如卫星和地面接收站宽带通信链路、安全通信无线电、RF 测试设备和雷达系统。其出色的线性度和镜像抑制性能令人瞩目,与紧凑的解决方案尺寸、较小外形、高性能微波链路结合之后,可以实现宽带基站。

 

 

图 4. 测量得出的 EVM 性能(rms 百分比)与 28 GHz 时的输入功率以及对应的 256 QAM 星座图。