下一代的蜂巢式基地台發送器設計,為射頻設計師帶來了極大挑戰。這些無線系統嚴格要求傳輸具有低雜訊層和低互調,及低諧波失真的乾淨訊號,而由於在傳送多載波訊號的同時亦要求更高階調變,因此使得這些系統的設計更具挑戰。設計這些系統時,對混頻器線性性能要求相當高,過去,被動式二極體環形混頻器一直是滿足這些要求的首選方法,而今日,新一代主動混頻器在節省成本、功率和空間方面帶來更多優勢,同時,也解決了一些與高效能傳輸器設計相關的技術問題。
提高傳輸器無寄生動態範圍性能
射頻設計人員的主要目標,是將傳輸器的訊號-雜訊比(SNR)效能達到最高,此要求是在可允許的情況下,盡可能傳輸最高的射頻訊號功率,同時降低雜訊基準。在最大輸出時,射頻訊號功率受到不想要的輸出頻譜元件引入之失真量所覆蓋,因此在實現高SNR及無寄生動態範圍(SFDR)時,能達到最高輸出功率之間的美好平衡。
新一代高性能主動混頻器,即同時具備了高線性度、低雜訊和簡易LO驅動等特點,同時亦沒有、或只有很低的轉換損耗,因此造就了非常經濟及高效能的解決方案。
就確保最佳SFDR效能、並同時達到最大輸出功率而言,選擇合適的混頻器工作點相當重要。(圖一)顯示了最低雜訊指數11.9dB是發生在LO(本地振盪器)功率為 0dBm 時,在此LO功率時,LT5521的IIP3(24.1dBm)和轉換增益(—0.5dB)也接近各自的最大值,參見(圖二),如此,所有三個參數便一起擴大了動態範圍。
已知IIP3和雜訊指數,混頻器電路的SFDR可以下列公式計算:
WCDMA或TD-SCDMA類型的訊號而言,BW為3.84MHz。在1.95GHz、0dBm LO時,將IIP3=24.1dBm和NF=11.9dB代入
根據此工作參數,得到下列電路無寄生動態範圍
讓輸出取得更多訊號
如果以最大化無失真輸出訊號為目標,那麼較高的轉換增益是有利的,如此便無需額外的增益級,而能使輸出中具備更高的訊號成份。例如,主動混頻器的轉換損耗僅為0.5dB,與一般具備更高6至10dB損耗的被動混頻器相比,淨訊號提升為6至8dB,因此在傳輸混頻器之後所需的放大量較少。
控制LO漏洩
主動混頻器的另一項重要優點,是既有的低LO驅動和卓越的LO抑制。這種新一代高線性主動混頻器僅需要0dBm(或更低)的訊號來驅動其LO埠,相較之下,IIP3類似的被動混頻器至少需要+17dBm的LO訊號,在PC板上有這麼強的LO 訊號確實是個缺點。
PC板上一個+17dBm的高功率訊號,本身就可能是一個不想要的強輻射源。在1至 2GHz頻率上,小PC板的寄生成分能藕合足夠的LO訊號,進而影響系統中的其他敏感電路-也許需要射頻遮罩,但設計一個有效的射頻抑制遮罩,可能需要對PC板進行反覆修改才能達到完美效果,並且可能延長專案的開發週期。
相較之下,主動混頻器更低的LO水準,大幅簡化了LO驅動器電路,透過去除一或兩級功率放大器,減少了許多外部元件,因此大量節省成本和空間。此外,沒有附加的LO驅動電路,功耗就低得多;低驅動功率也減輕了輻射和漏洩問題,進一步降低了成本。
主動混頻器對LO功率變化並不那麼敏感,就被動混頻器而言,2至3dB的LO功率變化將大幅降低其線性性能,設計一個大功率LO源,同時保持嚴格的LO功率容限是困難的,尤其是在大量生產環境中更是如此。主動混頻器能在不降低性能的前提下,達到較寬的LO功率範圍,其低LO功率還能使設計工作變得簡易。
較佳的射頻隔離簡化濾波
主動混頻器的埠對埠隔離,有助於大幅降低傳輸器輸出的LO漏洩。典型被動混頻器具有大約30dB的隔離度,但是在LO訊號為+17dBm時,輸出的LO洩漏範圍將為—13dBm,這麼高的漏洩是很難接受的,其需要大量的濾波來抑制。要控制LO漏洩,可能需要多級濾波,傳輸器的頻率分配計畫也可能受到影響,根據頻率偏移的差異而稍有不同,兩級SAW濾波器實現大約40dB的衰減。主動混頻器的優點在於其低LO驅動功率,加上超過40dB的LO隔離,其於射頻輸出端產生大約—40至—45dBm的LO漏洩,這比被動混頻器低30dB,大幅降低了濾波要求,如果不藉由主動混頻器,其濾波要求是很高的。
濾波級較少不僅可節省成本,並可提升訊號品質,這是因為急轉的滾降濾波器具備相當可觀的頻帶內漣波。當串級時,每級濾波器的漣波幅度可能增大到超過設計限制的程度,使已調變波形產生失真,此外,每級濾波器都具有相當可觀的插入損耗,因此,主動混頻器對於寬鬆輸出濾波器的要求,大幅降低了解決方案成本,提高了訊號品質,並在傳輸器輸出端具備更高的訊號位準。
結論
新一代主動混頻器具備較寬的無寄生動態範圍,在高效能傳輸器訊號鏈上具有乾淨的輸出頻譜。本文即討論了幾種在設計高效能蜂巢式基地台傳輸器時,需考慮的關鍵因素。
(作者為Linear高頻產品事業群產品行銷經理)
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