【導讀】半導體工藝和RF封裝技術(shù)的不斷創(chuàng)新完全改變了工程師設(shè)計RF、微波和毫米波應(yīng)用的方式。RF設(shè)計人員需要比以往任何時候都更具體、更先進的技術(shù)和設(shè)計支持。設(shè)計技術(shù)持續(xù)發(fā)展，RF和微波器件的性質(zhì)在不久的未來將大不相同。本文介紹各種類型的混頻器、各自的優(yōu)缺點，以及在不同市場中應(yīng)用的演變。本文討論不同混頻器件（主要是混頻器）不斷變化的面貌，以及技術(shù)進步如何改變不同市場的需求。
簡介
在RF和微波設(shè)計中，混頻是信號鏈最關(guān)鍵的部分之一。過去，很多應(yīng)用都受制于混頻器的性能。混頻器的頻率范圍、轉(zhuǎn)換損耗和線性度，決定了混頻器能否用于特定應(yīng)用。頻率高于30 GHz的設(shè)計很難實現(xiàn)，此等頻率的器件封裝更是難上加難。大部分時候，簡單的單、雙和三平衡混頻器滿足了一般市場的需求。 但是，隨著企業(yè)開發(fā)出的應(yīng)用越來越先進，并希望提高每dB的性能，傳統(tǒng)混頻器便顯得捉襟見肘。當今和未來的市場需要這樣的混頻解決方案：針對各種應(yīng)用專門定制，性能優(yōu)化，并且支持基于通用平臺的設(shè)計以便重復使用。
根據(jù)應(yīng)用類型和最終市場，如今的設(shè)計人員會有非常不同的需求。一般而言，現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)計人員需要寬帶性能、更高線性度、與信號鏈中其他器件更高的集成度，以及更低的功耗。但是，細分市場不同，以上各種需求的優(yōu)先級也大不相同。
不同種類的混頻器和頻率轉(zhuǎn)換器
討論混頻器和頻率轉(zhuǎn)換器在不同市場中的應(yīng)用之前，了解不同類型混頻器的基本特性會很有用。顧名思義，混頻器將兩個輸入信號混合，產(chǎn)生其頻率之和或頻率之差。利用混頻器產(chǎn)生比輸入信號高的輸出頻率時（兩個頻率相加），稱為上變頻。利用混頻器產(chǎn)生比輸入信號低的輸出頻率時，稱為下變頻。
下一節(jié)說明各類常用混頻器的高層次設(shè)計和優(yōu)缺點。
單/雙/三平衡無源混頻器
最常見的混頻器類型是無源混頻器。此類混頻器有不同的設(shè)計樣式，如單端、單平衡、雙平衡和三平衡等。使用最廣泛的架構(gòu)是雙平衡混頻器。這種混頻器很受歡迎，因為其性能出色，實現(xiàn)和架構(gòu)簡單，性價比高，并能提供多種選項。
無源混頻器通常以簡易性而出名，不需要任何外部直流電源或特殊設(shè)置。此類混頻器還有其他為人所稱道的特性，包括寬帶寬性能、良好的動態(tài)范圍、低噪聲系數(shù)(NF)以及端口間良好的隔離。此類混頻器的設(shè)計及其無外部直流電源要求的優(yōu)勢，使得混頻器輸出端的噪聲系數(shù)很低。一個較好的經(jīng)驗法則是，無 源混頻器的噪聲系數(shù)等于其轉(zhuǎn)換損耗。此類混頻器非常適合有低噪聲系數(shù)要求的應(yīng)用，而有源混頻器無法滿足這一要求。此類混頻器擅長的另一個領(lǐng)域是高頻和寬帶寬設(shè)計。從RF一直到毫米波頻率，它們都能提供良好的性能。混頻器的另一個重要特性是不同端口之間的隔離。此特性往往決定了具體應(yīng)用可使用何種混頻器。三平衡無源混頻器的隔離性能通常最佳，但其架構(gòu)復雜，而且其他特性（如線性度等）有些不足。雙平衡無源混頻器的端口間隔離性能良好，同時架構(gòu)較簡單。對大多數(shù)應(yīng)用而言，雙平衡混頻器實現(xiàn)了隔離度、線性度和噪聲系數(shù)的最佳組合。
就信號鏈整體而言，線性度（也常用三階交調(diào)截點IIP3來衡量）是RF和微波設(shè)計的最重要特性之一。無源混頻器通常以高線性度性能而出名。遺憾的是，為了實現(xiàn)最佳性能，無源混頻器需要高LO輸入功率。多數(shù)無源混頻器使用二極管或FET晶體管，需要大約13 dBm到20 dBm的LO驅(qū)動，這對某些應(yīng)用情形來 說是相當高的。高LO驅(qū)動要求是無源混頻器的最大弱點之一。無源混頻器的另一個弱點是混頻器輸出端的轉(zhuǎn)換損耗。此類混頻器是無增益模塊的無源元件，故而混頻器輸出端往往有很高的信號損耗。例如，若混頻器的輸入功率為0 dBm，且混頻器有9 dB的轉(zhuǎn)換損耗，則混頻器輸出將是–9 dBm。總的來說，此 類混頻器非常適合測試測量和軍用市場，稍后將予以討論。
無源混頻器的優(yōu)勢
- 寬帶寬
- 高動態(tài)范圍
- 低噪聲系數(shù)
- 高端口間隔離
圖1. I/Q混頻器框圖和鏡像抑制頻域圖
I/Q鏡像抑制(IRM)混頻器
I/Q混頻器是一類無源混頻器。它不但擁有常規(guī)無源混頻器的優(yōu)勢，還具備其他優(yōu)勢，即不通過任何外部濾波便可消除不需要的鏡像信號。此類混頻器用作下變頻器時也稱為IRM（鏡像抑制混頻器），用作上變頻器時則稱為SSB（單邊帶混頻器）。I/Q混頻器由兩個雙平衡混頻器構(gòu)成，LO信號一分為二，然后經(jīng) 過相移而相差90°（一個混頻器為0°，另一個混頻器為90°）。通過此相移，混頻器得以僅產(chǎn)生一個邊帶（需要的）信號，而抑制不需要的信號。
圖2在同一頻譜圖上顯示了I/Q混頻器（紫色線）和雙平衡混頻器（藍色線）的性能。可以看到，I/Q混頻器通過提供45 dB抑制來抑制不需要的低邊帶，而雙平衡混頻器同時產(chǎn)生了高邊帶和 低邊帶。
圖2. HMC773A無源混頻器和HMC8191 I/Q混頻器的頻譜圖，IF輸入為1 GHz，LO輸入為16 GHz.
像雙平衡無源混頻器一樣，I/Q混頻器也需要高LO輸入功率。從架構(gòu)看，I/Q混頻器采用兩個雙平衡混頻器，因此與兩個雙平衡混頻器相比，所需的LO驅(qū)動往往要再多出大約3 dB。I/Q混頻器對精密平衡的相位和幅度輸入匹配很敏感。輸入信號、混合結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)板或混頻器本身的任何偏離90°的相移或幅度失衡， 都會直接影響鏡像抑制水平。通過外部校準混頻器以改善性能，可以校正這些誤差的影響。
由于邊帶抑制特性，I/Q混頻器常用于需要消除邊帶但不通過外部濾波的應(yīng)用，同時它能提供非常好的噪聲系數(shù)和線性度。此類市場的常見例子是微波點對點回程通信、測試測量儀器儀表和軍事用途。
I/Q混頻器的優(yōu)勢
- 固有的鏡像抑制
- 無需昂貴的濾波
- 良好的幅度和相位匹配
- 有源混頻器
另一種常見混頻器是有源混頻器。有源混頻器主要有兩類：單平衡和雙平衡（也稱為吉爾伯特單元）混頻器。有源混頻器的優(yōu)勢是LO端口和RF輸出端內(nèi)置增益模塊。此類混頻器會為輸出信號提供一定的轉(zhuǎn)換增益，并且輸入LO功率要求較低。有源混頻器的典型LO輸入功率是0 dBm左右，遠低于大多數(shù)無源混頻器。
有源混頻器常常還集成LO倍頻器，用來將LO頻率倍乘到更高的頻率。此倍頻器對客戶非常有利，無需高LO頻率便可驅(qū)動混頻器。有源混頻器通常具有很好的端口間隔離。然而，其缺點是噪聲系數(shù)較高，而且多數(shù)情況下線性度較低。對輸入直流電源的需求影響了有源混頻器的噪聲系數(shù)和線性度。有源混頻器常 用于通信和軍用市場，低LO驅(qū)動和集成轉(zhuǎn)換增益的需求對此類市場可能很重要。在測試測量市場，有源混頻器主要用作IF子部分的第三級或最后一級混頻器，或用于低端儀表（集成化和高性價比設(shè)計比噪聲系數(shù)更重要）。
有源混頻器的優(yōu)勢
- 高集成度、小尺寸
- LO驅(qū)動要求低
- 集成LO倍頻器
- 良好的隔離，但線性度和噪聲系數(shù)不佳
- 集成頻率轉(zhuǎn)換混頻器
由于客戶需要更完整的信號鏈解決方案，還有一類混頻器變得頗受歡迎，那就是集成頻率轉(zhuǎn)換器。此類器件由不同功能模塊構(gòu)成，這些模塊連接在一起形成一個子系統(tǒng)，使得客戶的最終系統(tǒng)設(shè)計更簡單。此類器件在同一封裝或芯片中集成不同模塊，例如混頻器、PLL（鎖相環(huán)）、VCO（壓控振蕩器）、倍頻 器、增益模塊、檢波器等等。可將此類器件制作成SIP（系統(tǒng)化封裝），即把多個裸片組裝到同一封裝中，或一個裸片包括所有設(shè)計模塊。
通過將多個器件集成到一個芯片或封裝中，頻率轉(zhuǎn)換器可以給設(shè)計人員帶來很大好處，比如：尺寸更小、器件更少、設(shè)計架構(gòu)更簡單，更重要的是，產(chǎn)品上市時間更快。
圖3. 集成頻率轉(zhuǎn)換混頻器HMC6147A的功能框圖
混頻器在不同市場中的應(yīng)用
了解各類常用混頻器及其優(yōu)缺點之后，我們便可討論其在不同市場中的應(yīng)用。
蜂窩基站和中繼器市場
對于蜂窩基站和中繼器市場，成本和集成度是最大的考量因素。隨著全球3G、LTE和TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的快速增長，運營商需要開發(fā)能在多個采用不同頻段的地區(qū)性市場重復利用的RF硬件平臺。在技術(shù)上和資金上，各地區(qū)性市場的需求是不同的。因此，蜂窩基站所用的混頻器必須能覆蓋多個蜂窩頻段，達到大量部署所要求的低價位水平，并提供更高的集成度以便加快開發(fā)和降低成本。所以，寬帶、有源、高集成度混頻器（頻率轉(zhuǎn)換器）常用于這一市場。
一級、二級和蜂窩基站供應(yīng)商常常使用ADI公司基于SiGe的BiCMOS混頻器，其集成LO/IF放大器和PLL/VCO。ADRF6655（集成PLL/VCO的0.1 GHz至2.5 GHz寬帶混頻器）、AD8342（LF至3 GHz寬帶有源混頻器）和ADL5811（集成IF和寬帶LO放大器的0.7 GHz至2.8 GHz混頻器）是蜂窩基站和接收機設(shè)計常用的混頻器。這些 混頻器混合使用有源和無源混頻器技術(shù)，以低成本集成多個RF器件，并提供寬帶性能。
點對點微波回程（通信基礎(chǔ)設(shè)施）
通信基礎(chǔ)設(shè)施（有線和無線）制造商正在轉(zhuǎn)向集成度更高的設(shè)計，且特別注重高性能，以支持數(shù)據(jù)吞吐所需的最高調(diào)制。為了支持更高的數(shù)據(jù)速率，回程無線電必須具有非常高的性能。一二十年前，大多數(shù)OEM（原始設(shè)備制造商）采用平衡混頻器和外差架構(gòu)，通用混頻器即可很好地滿足多種點到點無線電設(shè)計需求。后來，OEM開始采用I/Q（或IRM）混頻器來改善性能并減少濾波電路。如上所述，消除鏡像頻率是I/Q混頻器的固有能力，因此無需進行成本高昂的干擾邊帶濾波。ADI公司提供種類廣泛的I/Q混頻器，可覆蓋所有商用微波頻段。這些混頻器大大簡化了基站設(shè)計，并顯著提高了系統(tǒng)性能以支持更高的QAM。
現(xiàn)在，產(chǎn)品上市時間越來越短，對點到點回程性能的要求越來越高，因此OEM開始采用集成度更高的I/Q上變頻器和下變頻器。ADI公司的典型上變頻器（如HMC7911LP5EE和HMC7912LP5E）將I/Q混頻器、2倍有源倍頻器和RF輸出端的驅(qū)動放大器集成在同一封裝中。因此，無需再選擇多款匹配器件并優(yōu)化各器件的性能，設(shè)計人員現(xiàn)在可以只選擇一款上變頻器，并把更多時間投入到優(yōu)化信號鏈的整體性能上。
類似地，ADI公司的I/Q下變頻器（如HMC1113LP5E、HMC977LP4E 和HMC6147ALC5A）將I/Q混頻器、LNA、2倍有源倍頻器和LO放大器集成在同一封裝中。ADI公司的下變頻器提供業(yè)界領(lǐng)先的性能，全頻段的鏡像抑制高達40 dBc，噪底低至2.5 dB，適合所有商用微波回程接收機設(shè)計。ADI公司是業(yè)界唯一提供全系列上 變頻器和下變頻器產(chǎn)品的公司，這些產(chǎn)品支持從6 GHz到42 GHz的所有商用微波頻段。
微波回程無線電市場的性能和集成度競爭非常激烈。幾年前，多數(shù)OEM聚焦于某些特定頻段，僅針對這些頻段來研發(fā)解決方案。如今，隨著全球無線需求的增長和新頻譜的分配，多數(shù)OEM計劃開發(fā)支持6 GHz到42 GHz的所有商用微波頻段的無線電。因此，基站設(shè)計不再依賴于分立器件或部分集成的器件。新設(shè) 計要求采用平臺化方法，以便能將常見器件用于多個頻段。
因此，多數(shù)OEM現(xiàn)在期望通過一個通用混頻平臺來覆蓋多個無線電頻段，并獲得最佳性能和規(guī)模經(jīng)濟。ADI公司業(yè)界領(lǐng)先的ADRF6780（6 GHz至24 GHz I/Q調(diào)制器）便是在這一方向上取得的 一大進步。現(xiàn)在利用單個I/Q調(diào)制器或I/Q解調(diào)器，OEM便能設(shè)計支持6 GHz到24 GHz的九個不同頻段的微波回程無線電。如圖4所示，ADRF6780將I/Q混頻器、可選的LO倍頻器、VVA、對數(shù)檢波器和SPI可編程的四通道分離緩沖器集成在同一封裝中。這款器件功能靈活，OEM既可將其用于傳統(tǒng)的外差架構(gòu)中（IF為0.8 GHz 至3.5 GHz，無需多個器件），也可將其用于直接變頻架構(gòu)（零中頻架構(gòu)）中（一個器件支持RF至基帶）。由于集成了LO倍頻器和緩沖器，減少了對高輸入頻率和功率的需要。此器件還具有VVA增益控制功能，需要時可提供恒定的輸出增益。此器件的所有與增益設(shè)置、鏡像抑制、校準等有關(guān)的功能，都可以通 過SPI總線控制，設(shè)計人員在設(shè)計中使用起來更簡便。
圖4. 寬帶微波上變頻器ADRF6780功能框圖
圖5顯示了ADRF6780校準后的邊帶抑制性能，并突出反映了即使在寬帶情形下，這款新一代器件也能提供先進的RF性能。
圖5. ADRF6780邊帶抑制和載波饋通調(diào)零
新轉(zhuǎn)換器重新定義了設(shè)計人員設(shè)計微波基站信號鏈的方法。利用這款轉(zhuǎn)換器，RF設(shè)計人員現(xiàn)在可以把更多時間花在信號鏈性能優(yōu)化和軟件升級上，而傳統(tǒng)的匹配各器件的方法只能實現(xiàn)系統(tǒng)基本特性。
測試測量儀器儀表和軍用
測試測量(T&M)儀器儀表和軍用市場對寬帶性能一直有著非常獨特的需求。此類市場中的大部分應(yīng)用（如電子戰(zhàn)、雷達、頻譜分析儀等）是高度定制化的，需要極其出色的信號完整度和精度。這些應(yīng)用通常還跨越廣泛的頻譜（寬帶要求），需要能夠檢測超低保真度信號（低噪聲系數(shù)和高線性度）。ADI公司市 場營銷總監(jiān)Duncan Bosworth于2015年6月發(fā)表了一篇文章“多功能：困境抑或現(xiàn)實？”，詳細討論了軍工客戶的寬帶需求。
寬帶、設(shè)計靈活性和高性能的需求，使得測試測量和軍工客戶更喜歡使用能夠個別定制和優(yōu)化以達到特定設(shè)計目標的分立混頻器。如上所述，無源混頻器的線性度和噪聲系數(shù)優(yōu)于集成或有源混頻器。順帶說一句，即便在無源混頻器中，寬帶和最優(yōu)RF性能（線性度、噪聲系數(shù)、雜散等）也像一枚硬幣的兩面。傳統(tǒng)上，半導體公司用帶寬來交換RF性能，或者 相反。結(jié)果，軍工和測試測量設(shè)計人員并聯(lián)使用多個窄帶器件來覆蓋寬頻率范圍。通過這種方法，他們能在各窄帶中提供最佳性能。這樣的解決方案是有效的，但設(shè)計極其復雜、昂貴且難以維護。
隨著技術(shù)和工藝的進步，ADI等公司現(xiàn)在能夠簡化設(shè)計。利用寬帶混頻器，測試測量和軍工客戶可以獲得與窄帶器件相當或更好的性能，而且一個器件就能覆蓋多個頻段。2009以來，ADI公司推出了業(yè)界最齊全的無源寬帶混頻器系列，包括單/雙/三平衡混頻器、I/Q混頻器、高IP3和次諧波混頻器。設(shè)計人員再也不需要犧牲性能來實現(xiàn)寬帶設(shè)計。ADI公司業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)ChandraGupta最近發(fā)表了一篇文章“探究寬帶頻率轉(zhuǎn)換器”，詳細討論了ADI公司如何利用寬帶頻率轉(zhuǎn)換器簡化測試測量和軍用設(shè)計。圖6突出展示了寬帶器件（包括寬帶混頻器）如何簡化測試測 量和軍工應(yīng)用的整個信號鏈。
圖6. 寬帶器件簡化測試測量和軍工應(yīng)用的整個信號鏈
雖然其他市場大多已開始轉(zhuǎn)向集成混頻器以降低成本并簡化設(shè)計，但諸如HMC773ALC3B（6 GHz至26 GHz雙平衡混頻器）和HMC1048LC3B（2 GHz至18 GHz雙平衡混頻器）之類的分立混頻器件在測試測量和軍工客戶中仍然占有突出地位。對于頻譜分析儀和信號分析儀等高精度測試測量儀器儀表應(yīng)用，以及對于先進雷達和電子戰(zhàn)應(yīng)用，I/Q混頻器開始受到歡迎。這些混頻器無需外部濾波，同時仍有良好的鏡像抑制性能。
過去，業(yè)界中的大部分I/Q混頻器受窄帶限制。但現(xiàn)在，隨著ADI公司通過創(chuàng)新不斷突破RF和微波的限制，業(yè)界將擁有兩款新型寬帶I/Q混頻器——HMC8191LC4（6 GHz至26 GHz I/Q混頻器）和 HMC8193LC4（2.5 GHz至8.5 GHz I/Q混頻器）。測試測量和軍工客戶可以用這兩款混頻器取代最多八個窄帶I/Q混頻器，同時仍能實現(xiàn)同樣的應(yīng)用設(shè)計目標。設(shè)計人員再也不需要放棄性能來換取寬帶性能。
未來幾年，測試測量和軍用市場可能會繼續(xù)使用分立式混頻解決方案。然而，隨著便攜式和低功耗需求的增長，我們很快會看到這些應(yīng)用將逐漸提高集成度并降低功耗。無源混頻器先天具有更高的線性度、更好的噪聲系數(shù)和更低的功耗，但集成靈活性有限。有源混頻器具有高集成度，但功耗和噪聲系數(shù)不如 人意。我們預期在這個方向上會有更多創(chuàng)新和更先進的研發(fā)成果。或許有一天，我們會擁有兩全其美的混頻器——既能提供高線性度和寬帶性能，又有較低的功耗和較小的尺寸。這一天不會太遠。
總結(jié)
微波行業(yè)不斷取得令工程界驚訝的技術(shù)進步。現(xiàn)在對微波混頻器件的需求變得比以往更加多樣化，與特定市場應(yīng)用的關(guān)系更加密切。過去的通用混頻器產(chǎn)品將不再適用不同市場中的新型應(yīng)用。OEM更多地以平臺和應(yīng)用為中心來看待其設(shè)計。半導體業(yè)者必須能夠為每個細分市場提供混頻解決方案。OEM需要開 始與ADI公司等半導體行業(yè)的先鋒企業(yè)密切合作，以開發(fā)混頻解決方案，而不只是混頻器件。
本文來源于ADI。
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