混頻器的關(guān)鍵性能、參數(shù)及如何選擇

引言

無線基站通信標(biāo)準(zhǔn)，例如GSM、UMTS和LTE，定義了不同參數(shù)的下限指標(biāo)，包括接收機(jī)的靈敏度和大信號性能。這些關(guān)鍵指標(biāo)對無線基站中的每個射頻功能模塊提出了設(shè)計挑戰(zhàn)。在接收信號通路，混頻器性能主要影響接收機(jī)的靈敏度和大信號性能。本文所介紹的混頻器關(guān)鍵性能和參數(shù)，有助于設(shè)計接收通道時選擇最佳的混頻器。

無線基站接收機(jī)

我們首先分析無線基站中的典型接收機(jī)方框圖（圖1）。因為接收到的信號經(jīng)過兩次連續(xù)的下變頻，變換到較低頻率，這些接收機(jī)被稱為超外差式接收機(jī)。如圖所示，信號通過天線接收，然后經(jīng)過第1級RF濾波器濾波，該濾波器通常用于濾除無用信號。隨后，該濾波器輸出通過一個LNA （低噪聲放大器）進(jìn)行放大，該放大器通常具有非常低的噪聲系數(shù)。

放大信號通過第2級RF濾波器再次進(jìn)行濾波，該濾波器濾除限制混頻器性能的無用信號的同時還對頻率范圍加以限制。經(jīng)過濾波后帶寬受限的信號被送入第一級混頻器，在此通過與LO （本振）信號混頻，下變頻至一次IF頻率。根據(jù)接收機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，該IF信號可以進(jìn)一步下變頻至更低的二次IF頻率，然后送入基帶進(jìn)行解調(diào)處理。

現(xiàn)在，我們開始研究接收鏈路中的混頻器。因為影響接收機(jī)靈敏度和大信號性能的主要因素是混頻器參數(shù)，應(yīng)該對其進(jìn)行仔細(xì)分析。

混頻器參數(shù)

混頻器的噪聲系數(shù)表示從輸入至輸出的SNR （信噪比）衰減，該比值通常用對數(shù)表示（dB），如式（1）所示：

另一個重要參數(shù)是變換增益（或變換損耗）。變換增益是判斷混頻器配置為有源架構(gòu)或無源架構(gòu)的重要依據(jù)。無源混頻器不包含放大信號的元件，存在插入損耗（稱為變換損耗）;而有源混頻器包含有源器件，能夠提供變換增益。

可以采用兩種配置實現(xiàn)有源混頻器：基于平衡（吉爾伯特單元）架構(gòu)設(shè)計的集成混頻器，或結(jié)合IF放大級的無源混頻器，提供增益而非損耗。由于集成混頻器具有放大能力，不需要額外的IF放大級補(bǔ)償插入損耗。

變換增益（或損耗）用對數(shù)表示，單位為dB，如式2所示，是頻率的函數(shù)，定義在混頻器的整個工作頻率范圍內(nèi)。為了保證最佳接收性能，變換增益/損耗的變化應(yīng)該在規(guī)定頻率范圍內(nèi)盡可能小。

由于無線基站通常工作在溫度波動的環(huán)境下，應(yīng)該給出整個工作溫度范圍內(nèi)變換增益/損耗的規(guī)格，而且要求變化量盡可能小。由于正常工作條件下，較小的溫度變化范圍對設(shè)計裕量的要求也較小，而設(shè)計裕量對于系統(tǒng)規(guī)劃非常有用，因此，溫度范圍在設(shè)計中是非常重要的因素。

混頻器在大信號下的特性利用一個稱為“1dB壓縮點(diǎn)”（該指標(biāo)也稱為壓縮點(diǎn)（IP1dB））的混頻器參數(shù)以及2階、3階交調(diào)截點(diǎn)（IP2和IP3）表示。根據(jù)下式所示線性表達(dá)式，IP1dB壓縮點(diǎn)用于預(yù)測混頻器增益降低1dB時對應(yīng)的輸入功率：

當(dāng)兩個頻率幾乎相同的大信號作用到混頻器的輸入時，混頻器應(yīng)該也能夠轉(zhuǎn)換微弱信號。該性能通常用3階交調(diào)截點(diǎn)（IP3）表示，該參數(shù)與噪聲系數(shù)一起表示混頻器的動態(tài)范圍。IP3較大說明混頻器的線性度較高?；祛l器數(shù)據(jù)手冊還應(yīng)提供混頻器的輸入、輸出交調(diào)截點(diǎn)，利用式（4），可以根據(jù)IIP3（輸入交調(diào)截點(diǎn)）計算OIP3（輸出交調(diào)截點(diǎn)），反之亦然：

式中，OIP3是混頻器的輸出交調(diào)截點(diǎn)，IIP3是輸入交調(diào)截點(diǎn)，G為變換損耗或增益。由此，對于無源混頻器，混頻器的變換損耗降低了OIP3。為了達(dá)到接收機(jī)要求的總體噪聲系數(shù)，應(yīng)該在RF或IF增益級對插入損耗進(jìn)行補(bǔ)償（噪聲系數(shù)是在設(shè)計接收機(jī)時必須考慮的另一參數(shù)）。

無源混頻器與有源混頻器

無源混頻器的主要優(yōu)勢在于它們也可以用作上變頻器。換句話說，其輸入信號可以轉(zhuǎn)換到更高頻率。上變頻器通常用于發(fā)射鏈路，它將IF信號變換到最終的發(fā)射頻率。因為無源混頻器既可用于發(fā)射鏈路，亦可用于接收鏈路，只需訂購一款器件或保留一款器件的庫存。

“直接下變頻接收機(jī)”將輸入信號直接下變頻至基帶，無需IF信號。對于這種接收機(jī)，混頻器的數(shù)據(jù)手冊應(yīng)該規(guī)定另一重要參數(shù)，即端口間隔離度。該參數(shù)用于衡量LO信號和混頻器輸入信號之間的隔離度。如果端口間隔離度不足，LO將與其自身信號混頻，從而在混頻器輸出產(chǎn)生一個直流失調(diào)，進(jìn)而降低接收機(jī)性能。

由于混頻器對頻率進(jìn)行變換，它將產(chǎn)生新的頻率分量（稱為混頻器雜散分量）。應(yīng)該對雜散分量進(jìn)行全面分析，特別是（2RF-2LO）、（3RF-3LO）和更高階頻譜分量，它們與IF頻率相吻合，直接影響接收機(jī)性能。這種現(xiàn)象通常在混頻器數(shù)據(jù)手冊中用2×2和3×3指標(biāo)表示。

除這些參數(shù)外，還必須考慮集成度。將混頻器內(nèi)核與LO放大器、非平衡變壓器和LO開關(guān)集成在一起對于一些應(yīng)用非常有益。

通用PCB接收機(jī)布板提高設(shè)計靈活性

目前，針對不同頻率范圍采用同一電路板布局可有效減輕開發(fā)工作的負(fù)荷。只需改動少數(shù)關(guān)鍵元件，即可將900MHz GSM接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計用于1800MHz GSM系統(tǒng)。

引腳兼容的混頻器系列產(chǎn)品非常適合采用同一通用PCB布局支持多頻段無線架構(gòu)的應(yīng)用。最終目標(biāo)是開發(fā)一個電路布局用于多種標(biāo)準(zhǔn)的無線基站，支持GSM、UMTS、WiMAX和LTE應(yīng)用。

例如，接收鏈路中，類似于MAX2029的無源混頻器可以對接收信號進(jìn)行下變頻，而同樣的混頻器可以在發(fā)送鏈路對IF信號進(jìn)行上變頻，將其轉(zhuǎn)換到最終發(fā)射頻率。圖2所示電路中集成了所有外部元件：LO緩沖放大器、非平衡變壓器和LO開關(guān)。

作為下變頻器，MAX2029可提供36.5dBm的IIP3、27dBm的IP1dB、6.5dB的變換損耗以及6.7dB的噪聲系數(shù)。由于MAX2029的 SiGe處理工藝大大提高了器件性能，非常適合要求超高線性度和低噪聲系數(shù)的基站應(yīng)用。

2RF-2LO抑制（-10dBm RF輸入信號時72dBc）有助于降低中心頻率附近諧波分量的濾波要求，從而簡化濾波器設(shè)計，提高性價比。MAX2029擴(kuò)展了815MHz至1000MHz的低端頻率范圍。作為引腳兼容的混頻器系列（包括MAX2039和MAX2041）產(chǎn)品的一員，MAX2029允許接收機(jī)采用同一PCB布局支持不同頻率范圍、不同通信標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計。

有源混頻器既可采用平衡式（吉爾伯特單元）設(shè)計，亦可采用無源混頻器與IF放大器相組合的形式。例如，MAX9986即采用了第二種配置。較低的噪聲系數(shù)允許混頻器之前采用很低的RF增益，有助于改善接收機(jī)的線性度。另一方面，如果為了降低串聯(lián)噪聲系數(shù)而增大混頻器前級的增益時，混頻器必須具備足夠高的線性度，以保證接收機(jī)的整體線性度指標(biāo)。

正確選擇混頻器

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