對於RF和微波設計而言,混頻是訊號鏈中最關鍵的部份。在過去,許多應用都會受到混頻器性能的限制。混頻器的頻率範圍、轉換損耗和線性度,定義了該混頻器是否可用於某一特定應用。30GHz以上頻率的設計固然困難,此類元件的封裝更不容易。一般來說,簡單的單組型、雙組型以及三組型平衡混頻器已足以因應通用市場需求。

但是,隨著廠商開發出更先進的應用,並希望提高性能的每一dB值時,傳統混頻器就無法滿足需求。現今以及未來在市場上所需要的混頻解決方案,必須是專用於每種個別的應用、性能經最佳化,而且支援可被重覆使用的通用平台設計。

取決於應用和終端市場的類型,當今設計人員的需求有非常不同的變化。一般情況下,目前大多數的設計人員希望具有:寬頻性能、提高線性度,以及與訊號鏈中的其他元件實現較高的整合度與較低功耗。但根據目前的市場區隔,對於這些要求的優先順序也有很大的差異。

混頻器與頻率轉換器

在討論混頻器和頻率轉換器應用於不同市場之前,先了解不同混頻器類型的基本特徵是很有幫助的。顧名思義,混頻器混合了兩種輸入訊號,以產生該頻率的和或差。當混頻器用於產生較輸入訊號更高的輸出頻率時(藉由將兩個頻率相加),就是所謂的升頻轉換(upconversion)。而當混頻器用於產生較輸入訊號更低的輸出頻率時(藉由將兩個頻率相減),則是所謂的降頻轉換(downconversion)。

本文將針對一些廣為被採用的混頻器說明其上層設計及其優缺點。

單組型、雙組型以及三組型平衡式被動混頻器

最常見的混頻器類型是被動混頻器,這類混頻器有各種不同的設計風格,如單端(single-ended)、單平衡(single balanced)、雙平衡(double balanced)或三重平衡(triple-balanced)。其中最廣泛被使用的結構是雙平衡混頻器,這類混頻器由於提供了良好的性能、簡單的做法和架構,而且是一款具有多種功能選項的高成本效益設計選擇,因而相當受到青睞。

在一般的印象中,被動混頻器的特點就是簡單,因為他們不需要任何外部直流(DC)電源或特殊的設定。這類混頻器的特點是其寬頻性能、理想的動態範圍、低雜訊係數(NF)以及埠與埠之間的有效隔離。這些混頻器的設計,以及它們不需DC外部電源的優點,讓它們能在混頻器輸出上提供低NF。一個理想的經驗法則是,被動式混頻器的NF大約相當於其轉換損耗。這些混頻器可勝任具有低NF系統需求的應用,而這是主動式混頻器所無法提供的。此類混頻器精通的另一個領域,在於其高頻和寬頻的設計。從RF一路到毫米波的整個頻率範圍,都能提供良好的性能。

混頻器的另一個關鍵規格在於其埠與埠之間的隔離,此規格往往推動可用於此類應用的混頻器進展。三重平衡被動式混頻器通常能提供最佳的隔離,但也帶來了複雜的架構,並在其它的規格(如線性度)上受限。雙平衡被動式混頻器雖然架構較簡單,但也能在埠與埠埠之間提供良好的隔離,對於大部份的應用而言,可說是結合了隔離度、線性度與雜訊指數的最佳化選擇。

從整體訊號鏈的角度來看,線性度(通常也稱為IIP3-三階截取點)是在RF和微波設計中最重要的指標之一。被動式混頻器通常最為受到注意的特性,為其高線性度性能。遺憾的是,為了得到最佳的性能,被動式混頻器需要高本地振盪輸入功率。大多數的被動式混頻器是使用二極體或FET電晶體構成,且需要約13dBm至20dBm的本地振盪驅動,這對於某些應用而言可說是相當高;因此,高本地振盪驅動的要求,是被動式混頻器的主要弱點之一。

被動式混頻器的另一個缺點,是在混頻器輸出上的轉換損失。這類混頻器為不具增益功能塊的被動元件;因此其輸出很容易出現較高的訊號損失。舉例來說,如果輸入混頻器的功率為0dBm,而混頻器具有9dB的轉換損失,則混頻器的輸出將為-9dBm。總體而言,這類混頻器非常適合用於測試/測量和軍用市場,此點將在本文後面再進一步討論。

被動式混頻器的優點:

  • 大頻寬
  • 高動態範圍
  • 低雜訊指數
  • 高埠間隔離

20170120 ADI TA31P1 圖1:I/Q混頻器功能方塊圖及鏡像抑制頻域圖

I/Q鏡像抑制混頻器

I/Q混頻器是被動式混頻器的一種類型,它提供了與一般被動式混頻器相同的優點,再加上無需任何外部濾波即可消除擾人的鏡像訊號。當這類混頻器被用在降頻轉換器時,他們也被稱為IRM(鏡像抑制混頻器);如果被用在升頻轉換器時,則稱為SSB(單邊帶混頻器)。I/Q混頻器是由兩個雙平衡混頻器,和一個被分為二且相互相移距90度(0°對一個混頻器,90°則對第二個混頻器)的本地振盪訊號所構成。此相移能讓混頻器只產生一個邊帶(我們所希望的)訊號,並抑制其他不需要的訊號。

圖2中的頻譜圖,在同一圖中顯示出I/Q混頻器(紫線)和雙平衡混頻器(藍線)的性能。我們可以很容易地看出來,I/Q混頻器會透過提供45dB的抑制,移除掉不想要的下邊帶,相較之下,雙平衡混頻器則會產生上邊帶和下邊帶。

如同雙平衡被動式混頻器一樣,I/Q混頻器也要求高本地振盪輸入功率。在結構上,由於I/Q混頻器使用了兩個雙平衡混頻器,因此與兩個雙平衡混頻器相比,他們往往需要3dB左右的額外本地振盪推力。I/Q混頻器對於良好平衡的相位和振幅輸入匹配是很敏感的,任何來自90度的相移或是位於輸入訊號、混合模組(hybrid)、系統電路板或混頻器本身的振幅不平衡,都會直接影響到鏡像抑制的位準。這些誤差的影響可以藉由從外部校準混頻器,來加以修正以提高性能。

由於其邊帶抑制特性,I/Q混頻器通常被用在無外部濾波而需要除去邊帶,同時又要確保有良好NF和線性度的應用。微波點對點回傳(microwave point-to-point backhaul)通訊、量測儀器以及軍事終端用途等,就是此類市場中的常見案例。

I/Q混頻器的優點有:

  • 固有的鏡像抑制能力
  • 無需使用昂貴的濾波器
  • 良好的振幅和相位匹配

主動式混頻器

另一種常見的混頻器是主動式混頻器,市面上有兩種主要類型:單平衡和雙平衡(也稱為Gilbert cell)混頻器。主動式混頻器的優點之一,在於其位於本地振盪埠及RF輸出上的內部增益功能模組。這類混頻器為輸出訊號提供了一些轉換增益,並具有只需較低本地振盪輸入功率的優點。主動式混頻器的典型本地振盪輸入功率大約為0dBm,比大多數被動式混頻器低很多。

一般來說,主動式混頻器還會整合一個本地振盪乘法器,以便將本地振盪頻率乘到一個更高的頻率上。此乘法器為使用者提供的一個主要的優點,就是能避免掉用來推動混頻器的高本地振盪頻率。主動式混頻器通常有良好的埠與埠之間的隔離,然而,它們也會有較高的NF,和在大多數情況下較低的線性度。直流功率輸入的需要,會影響主動式混頻器的NF和線性性能。主動式混頻器大多是用在通訊及軍用市場,因為在這類應用中,低本地振盪驅動和具備整合式轉換增益是很重要的。在量測市場中,主動式混頻器大多被用在中頻子區段(IF subsection)中的第三級或最後一級混頻器上,或是整合與成本效益設計考量高於NF最佳化考量的低階儀器中。

主動式混頻器的優點有:

  • 高整合度所實現的小尺寸
  • 低本地振盪驅動需求
  • 整合式本地振盪乘法器
  • 良好的隔離,但須犧牲線性度和雜訊特性

20170120 ADI TA31P2 圖2:在中頻輸入為1GHz而本地振盪輸入為16GHz時,HMC773A被動式混頻器vs.HMC8191 I/Q式混頻器的頻譜圖

整合式變頻混頻器

由於客戶期待更完整的訊號鏈解決方案,另一個已逐漸開始流行的混頻器類別是整合式轉換器。這類元件透過將不同的功能塊連接成子系統的方式,來簡化使用者的設計。這類元件整合了不同的功能模組,如混頻器、PLL(鎖相迴路)、VCO(壓控振盪器)、乘法器、增益功能模組、偵測器等,以及其他功能於同一封裝或晶片中。這類元件可以做成一個SIP(系統級封裝),其中多個裸晶被包入同一個封裝中,或是將所有設計功能塊的包含在同一裸晶上。

透過將多個元件整合到一晶片或封裝中,頻率轉換器為設計人員提供了顯著的優點,包括尺寸的縮小、零件數的降低、較簡化的設計架構、以及最重要的——更快的產品開發上市時間。

20170120 ADI TA31P3 圖3:HMC6147A整合式變頻混頻器

混頻器的應用市場

至此我們已知道常被使用的不同混頻器類型及其優缺點,接下來將討論這類元件不同市場中的應用。

蜂巢式基地台和中繼器市場

對於手機基地台和中繼器(repeater)市場來說,成本和整合度是最大的驅動力。隨著3G、LTE和TDD-LTE全球網路的快速成長,營運商需要開發出可以在多個地區市場中的不同頻道上重複使用的RF硬體平台。每個地區市場在技術上和成本上的需求都會有所不同。其結果是,手機基地台所使用的混頻器,需要能夠覆蓋多個手機頻帶、滿足大規模部署時的低成本點、並提供高整合度以利快速的發展和壓低成本。因此,寬頻、主動式、高度整合混頻器(轉換器)在此市場中最受到普遍採用。

例如,美商亞德諾(ADI)的SiGe BCMOS混頻器,整合了本地振盪、中頻放大器,以及PLL/VCO,通常為市場上一、二線的主要廠商和手機基地台供應商普遍採用。ADRF6655(具有整合PLL/VCO的0.1GHz~2.5GHz的寬頻混頻器)、AD8342(低頻~3GHz的寬頻主動式混頻器)以及ADL5811(具有中頻和寬頻本地振盪放大器的0.7GHz~2.8GHz的混頻器)普遍被用於手機基地台和接收器設計中的混頻器元件。透過主動式及被動式混頻器的技術組合,此類混頻器以低成本整合了多個RF元件,並同時提供寬頻的性能。

點對點微波回傳(通訊基礎設施)

基礎設施通訊(有線和無線)製造商目前正朝向更高整合的設計方向發展,但其主要的專注重點在於能支援最高調變以利資料傳輸量的高性能。隨著需要支援的資料量不斷地增加,回傳無線電必須有非常高的性能要求。在一、二十年前,大多數OEM廠商都是採用平衡式混頻器和外差結構,而一般的混頻器就適用於多種點對點無線電設計。接著,OEM開始採用I/Q(或IRM)混頻器,以提高性能和減少濾波電路。如前所述,I/Q混頻器移除了鏡像頻率,從而省去了針對不想要的邊帶所需的昂貴濾波。ADI提供多樣的I/Q混頻器,涵蓋所有商用微波頻帶。這些混頻器大幅地簡化了基地台設計,顯著改善了支援更高QAM時所需的性能。

如今,基於產品開發上市時間的要求越來越更短,以及進一步改善點對點回傳性能的需求,OEM已經開始採取更高整合度的I/Q升頻轉換器和降頻轉換器。ADI推出典型升頻轉換器(如HMC7911LP5E和HMC7912LP5E),在其RF輸出上整合一個I/Q混頻器、一個×2主動乘法器以及一個驅動放大器於同一封裝內。設計人員現在可以選擇單一的升頻轉換器,並將更多的時間放在訊號鏈的整體性能最佳化,而不再需選擇多個相互匹配的元件,並針對每一個元件最佳化其性能。

同樣地,ADI推出的降頻轉換器(如HMC1113LP5E、HMC977LP4E、和HMC6147ALC5A),將一個I/Q混頻器、一個低雜訊放大器(LNA)、一個×2主動乘法器,以及一個本地振盪放大器,整合於同一個封包中。由於具有在整個頻帶中高達40dBc的鏡像抑制,以及低至2.5dB的雜訊層,能為所有商用微波回傳接收器設計,提供更先進的性能。

在目前的微波回傳無線電市場上,性能和整合度的競爭是相當激烈的。幾年前,大多數OEM廠商都專注於某些特定的頻帶,並只針對這些頻帶積極開發他們的解決方案。如今,隨著全球無線電需求的成長,以及全球可用新頻譜的增加,大多數OEM廠商都計劃開發能夠支援6GHz~42GHz之間所有商用微波無線電頻帶的產品。因此,基地台的設計不再依靠分離式元件或只有部分整合的元件。新型設計所要求的是一個平台的做法,以便讓一些共通性元件能通用於多個頻帶中。

其結果是,大多數OEM廠商都希望能使用一個共通的混頻平台,覆蓋多個無線電頻帶,並取得最佳的性能和規模經濟。為此,ADI的ADRF6780(6GHz~24GHz的I/Q調變器)使用單一的I/Q調變器和I/Q解調器,讓OEM可以設計出支援6GHz和24GHz之間九種不同無線電頻帶的微波回傳無線電。如圖4所示,ADRF6780整合了I/Q混頻器、可選的本地振盪乘法器、VVA、對數偵測器(log detector)以及SPI可編程四分割緩衝器於同一封裝中。

此元件為OEM廠商提供了靈活性,無論是將該混頻器使用在中頻為0.8GHz~3.5GHz的傳統外差架構,並省去分離式元件,或是使用在範圍從RF一直到基頻的直接變頻(零中頻架構)中,都只需要此單一元件即可。整合的本地振盪倍頻器和緩衝器,降低了對於高輸入頻率和功率的需求。此元件還包括了VVA增益控制,以便在需要的時候,提供一個固定的輸出增益。此元件中所有與增益設定、鏡像抑制、校正等相關的功能,都可透過SPI匯流排來加以設定,讓設計者在設計中更容易使用。

20170120 ADI TA31P4 圖4:ADRF6780寬頻、微波升頻轉換器的方塊圖

圖5顯示了ADRF6780經校準的邊帶抑制,並突顯出即使具有寬頻性能,此新一代元件仍能提供最先進的RF性能。

20170120 ADI TA31P5 圖5:ADRF6780邊帶抑制和載波饋通歸零

新的轉換器重新定義了設計人員可以設計微波基地台中訊號鏈的方式,藉由此頻器,RF設計人員現在可以花費更多的時間,透過軟體的升級來進行訊號鏈性能的最佳化。相較之下,傳統方法須匹配每一個分離式元件,而也僅是實現基本的系統規格。

量測儀器以及軍事產品

量測儀器(T&M)和軍事市場對於寬頻性能有非常特殊的需求。此類市場中的大部份應用,如電子戰、雷達和頻譜分析儀等,都屬於高度客製化的產品,且需要非常良好的訊號完整性和準確性。這類應用通常還跨越了很寬的頻帶頻譜(寬頻要求),且需能夠偵測出非常低傳真度訊號(低雜訊指數和高線性度)。ADI市場總監Duncan Bosworth在2015年6月發表的一篇文章「多功能:是兩難還是現實?」(Multifunction: a Dilemma or Reality?)中即詳細討論了軍事客戶的寬頻需求。

基於對於寬頻、設計靈活性和高性能的需求,量測儀器以及軍事產品公司寧願使用可客製化與最佳化的分離式混頻器,以實現其特定的設計目標。如前所述,被動式混頻器能提供優於整合式或主動式混頻器的線性度及雜訊指數。但即使是使用被動式混頻器,其寬頻和最佳化RF性能(線性度、雜訊係數、突波等)仍像一個硬幣的兩面。傳統上,半導體公司多半犧牲寬頻來換取RF性能,或相反的做法。其結果是,軍事和量測儀器設計人員會同時使用多個窄頻元件,來涵蓋較寬的頻率範圍。如此一來,他們就能夠在每個窄頻帶上得到最佳的性能。這樣的解決方案雖然有效,但其設計工作非常複雜、成本高昂且難以維護。

然而隨著技術和製程的改善,如ADI這樣的公司現在已經可以簡化設計了。藉由寬頻混頻器元件,量測儀器和軍用客戶也可得到與窄頻元件同等或甚至更好的性能,而且仍使用一個元件同時覆蓋多個頻帶。從2009年開始,ADI就推出了廣泛的寬頻被動式混頻器產品組合——單/雙/三平衡的混頻器、I/Q混頻器、高IP3和次諧波混頻器等。設計師不再需要在寬頻設計的性能上妥協。ADI業務開發總監Chandra Gupta最近發表了一篇文章:「審視寬頻轉換器」(Investigate Wideband Frequency Converters),其中即詳細討論到ADI如何透過寬頻頻率轉換器,簡化量測儀器和軍事的設計。圖6說明寬頻元件(包括寬頻混頻器)如何簡化量測儀器和軍事應用中的整體訊號鏈。

儘管大多數的其他市場都已開始朝向整合式混頻器移動,以降低成本和簡化設計,但分離式混頻器元件,如HMC773ALC3B(6GHz~26GHz的雙平衡混頻器)和HMC1048LC3B(2GHz~18GHz的雙平衡混頻器),對於量測儀器和軍用客戶來說仍有其重要的地位。對於高精密度的量測儀器應用,如頻譜分析儀和訊號分析儀以及先進的雷達和電子戰應用而言,I/Q混頻器的使用已開始普及。這些混頻器可省去了外部濾波器,而同時能提供良好的鏡像抑制。

在過去,業界中大多數的I/Q混頻器都是受限於窄頻內的。但隨著ADI將RF和微波的創新推向極限,業界現在可以期待兩個新的寬頻I/Q混頻器-HMC8191LC4(6GHz~26GHz的I/Q混頻器)和HMC8193LC4(2.5GHz~8.5GHz的I/Q混頻器)。這兩種混頻器可讓量測儀器和軍事客戶為其應用取代多達八個窄頻的I/Q混頻器,而仍能達成相同的設計目標。設計人員再也不用為了寬頻特性而犧牲性能表現。

在量測儀器和軍事市場中,分離式混頻器將持續是未來幾年的解決方案。然而,隨著行動性及和低耗電性應用的不斷提高,我們可能很快的也會開始看到整合度提高及功耗降低需求的日益上升。被動式混頻器先天上能提供較好的線性度、雜訊指數、和功耗,但其整合靈活性則相當受限。相對地,主動式混頻器提供了高整合度,但需在功耗及雜訊指數上有所犧牲。我們期待在這個方向上,能有更多的創新和先進的發展。也許有一天我們將會看到混頻器也可以提供兩全其美,提供高線性度、寬頻性能、更低的功耗以及更小的尺寸。而這一天離我們應該不會太遠。

結語

一直以來,微波領域就不斷地出現讓工程業界驚豔的先進科技。微波混頻元件的需求,目前也比以往任何時候更顯得分岐多樣且朝向個別市場應用導向。過去的一般性混頻器產品,將無法應付不同市場區隔中的應用產品。OEM廠商現在會從平台與應用為中心的角度來看設計。半導體廠商必需針對每一個市場區隔提供混頻器解決方案,OEM則需要開始與半導體公司(如ADI)密切合作,共同開發混頻解決方案,而非僅是混頻元件。

20170120 ADI TA31P6 圖6:寬頻元件簡化了量測儀器及軍事應用的整體訊號鏈