將寬頻主動式混頻器與I/Q解調變器的性能最佳化
前言：
在設計寬頻或是多頻率接收器平台時，在LO與RF埠上使用低插入損失、寬頻balun是最為常用的選項。本文將會在以差動和單端方式驅動下，比較I/Q解調變器與主動式RF混頻器的性能。
在設計寬頻或是多頻率接收器平台時，在LO與RF埠上使用低插入損失、寬頻balun是最為常用的選項。本文將會在以差動和單端方式驅動下，比較I/Q解調變器與主動式RF混頻器的性能。
簡介
寬頻主動式混頻器與I/Q解調變器能夠在超過三個八倍頻間隔上提供很高的性能。這使得它們成為了針對多重頻率下運作或是提供寬頻作業所設計接收器平台的理想選擇。為了使性能最佳化，這些雙重平衡型核心必須以差動方式驅動。這使得在RF與LO埠上使用balun(巴倫;或稱平衡/不平衡變壓器)成為了必要的作法。窄頻波段balun可能會具有低插入損失與良好的回授損失，但是它們會對頻率範圍造成限制。不使用balun的單端驅動是一個選項，但是這會導致性能的降級。在設計寬頻或是多頻率接收器平台時，在LO與RF埠上使用低插入損失、寬頻balun是最為常用的選項。本文將會在以差動和單端方式驅動下，比較I/Q解調變器與主動式RF混頻器的性能。
寬頻主動式混頻器與I/Q解調變器能夠在超過三個八倍頻間隔上提供很高的性能。這使得它們成為了針對多重頻率下運作或是提供寬頻作業所設計接收器平台的理想選擇。為了使性能最佳化，這些雙重平衡型核心必須以差動方式驅動。這使得在RF與LO埠上使用balun(巴倫;或稱平衡/不平衡變壓器)成為了必要的作法。窄頻波段balun可能會具有低插入損失與良好的回授損失，但是它們會對頻率範圍造成限制。不使用balun的單端驅動是一個選項，但是這會導致性能的降級。在設計寬頻或是多頻率接收器平台時，在LO與RF埠上使用低插入損失、寬頻balun是最為常用的選項。本文將會在以差動和單端方式驅動下，比較I/Q解調變器與主動式RF混頻器的性能。
寬頻無線電接收器設計
從頻率涵蓋範圍的角度來看，寬頻無線接收器的設計可以分為兩大類別:不是寬頻就是頻率選擇性接收器。寬頻接收器的設計要能夠頻率捷變；也就是說，它們可以在多重八倍頻間隔的廣大頻率範圍中加以調整。另一方面，可以重新設定組態的無線電設計能夠輕易的適應於在不同頻率下運作的硬體平台。舉例來說，佈署在兩個不同地理區域的接收器會具有相同的核心接收器設計。然而，個別接收器會以適應特定的無線標準而加以建立和設定組態。類比組件會隨著系統的不同而有所差異，其中包括濾波器、LNA、以及VCO等，而接收器的核心則會分享一個共用的設計。組態可重新設定無線電設計的開發是具有成本效益的，因為最終的結果是可以在不同頻率佈署下重複使用的單一無線電平台。此外，從生產者的角度來看，這將可以減少多種元件的必要備料。
從頻率涵蓋範圍的角度來看，寬頻無線接收器的設計可以分為兩大類別:不是寬頻就是頻率選擇性接收器。寬頻接收器的設計要能夠頻率捷變；也就是說，它們可以在多重八倍頻間隔的廣大頻率範圍中加以調整。另一方面，可以重新設定組態的無線電設計能夠輕易的適應於在不同頻率下運作的硬體平台。舉例來說，佈署在兩個不同地理區域的接收器會具有相同的核心接收器設計。然而，個別接收器會以適應特定的無線標準而加以建立和設定組態。類比組件會隨著系統的不同而有所差異，其中包括濾波器、LNA、以及VCO等，而接收器的核心則會分享一個共用的設計。組態可重新設定無線電設計的開發是具有成本效益的，因為最終的結果是可以在不同頻率佈署下重複使用的單一無線電平台。此外，從生產者的角度來看，這將可以減少多種元件的必要備料。
Analog Devices(ADI)的ADL5801與ADL5802主動式混頻器以及ADL5380 I/Q解調變器乃是特別針對因應這些系統的需求而設計的。ADL5801與ADL5802是被設定為能夠在10 MHz至6 GHz範圍內運作的單通道與雙通道雙重平衡型主動式混頻器。它們具有9.75 dB的單端波段雜訊係數以及在1900 MHz 下28.5 dBm的輸入IP3。它們以5 V的單一供電運作，並且具有適用於低功率作業的可調整偏壓。ADL5380是一款能夠在400 MHz 至 6 GHz範圍內運作的 I/Q解調變器。該元件具有28 dBm的輸入IP3以及在1900 MHz 下12 dB的雜訊係數。
這些元件的LO與RF連結埠應該很適合以差動方式加以驅動。這對於需要在單端與差動之間轉換信號的支援電路會有所影響。在我們更深入的考量此問題之前，先讓我們來看看使用於這些元件當中的雙重平衡型主動式混頻器核心的運作。
雙重平衡型主動式混頻器
圖1所示為Gilbert Cell 雙重平衡型主動式混頻器的電晶體位準架構。雙重平衡意指LO與RF埠以差動方式加以驅動。對於Gilbert cell混頻器基礎的最佳詮釋就是將時間域中的RF輸入信號乘以方形波:以數值+1或-1，在LO頻率下。參考圖1，首先要考量的是當LO+的電壓為正而LO-的電壓為負時會發生什麼事情，如此電晶體Q1與Q4將會開啟，而Q2與Q3則會關閉。此將會導致Q1與Q4成為關閉開關，而輸出則會在IF埠。現在考量相反的情況，LO-的電壓為正而LO+的電壓為負，Q2與Q3為開啟而Q1與Q4則為關閉。IF輸出會與先前的情況呈現相對互換的結果。換句話說，輸出已經乘以了-1。這個具有+1或-1的振幅，處於LO頻率下的方形波就是混合信號。它是混合信號與RF信號相乘後在IF輸出上所產生的總和與差異。它可能不很明顯，但是當RF與LO信號以數學方式表達而且相乘展開時，總和與差異就會呈現出來。
圖1:Gilbert Cell 雙重平衡型主動式混頻器
以數學方式呈現時，RF輸入電壓可以定義為
，而混合信號則是週期性的方形波，可以用以下的方程式展開。
，而混合信號則是週期性的方形波，可以用以下的方程式展開。
RF信號與混合信號相乘後會導致
在使用濾波功能將高階諧波排除之後，混頻器的最終輸出則會如下。
主動式混頻器的單端vs.差動驅動
由於Gilbert cell是平衡式混頻器設計，因此偶數階混頻器諧波應該會相當的低。因為此架構的平衡特性使然，LO與RF連結埠應該會很適合以差動方式驅動。雖然現代的無線接收器越來越仰賴降頻轉換器的IF與基頻帶端的差動元件，但是大部分的RF設計者仍然比較偏好饋電至RF與LO連結埠的單端信號鏈。這種設計參考能夠得到現有元件的加強。大部分驅動I/Q解調變器的低雜訊放大器與接收混頻器都是單端的。同樣地，大部分用以驅動混頻器LO埠的壓控振盪器也是單端的，即便有部份現代PLL具備整合VCO的例外情況。( 參見 Balaji在ADI實驗室參考電路中對於ADL5801/ADF4351的介紹).
由於Gilbert cell是平衡式混頻器設計，因此偶數階混頻器諧波應該會相當的低。因為此架構的平衡特性使然，LO與RF連結埠應該會很適合以差動方式驅動。雖然現代的無線接收器越來越仰賴降頻轉換器的IF與基頻帶端的差動元件，但是大部分的RF設計者仍然比較偏好饋電至RF與LO連結埠的單端信號鏈。這種設計參考能夠得到現有元件的加強。大部分驅動I/Q解調變器的低雜訊放大器與接收混頻器都是單端的。同樣地，大部分用以驅動混頻器LO埠的壓控振盪器也是單端的，即便有部份現代PLL具備整合VCO的例外情況。( 參見 Balaji在ADI實驗室參考電路中對於ADL5801/ADF4351的介紹).
針對ADL5801 /02混頻器與ADL5380 I/Q解調變器的RF和LO連結埠的單端驅動，在圖2中展示了建議的組態設定。將RF輸入信號連結至平衡輸入連結埠的其中之一，並且將另一個連結埠以電容器接地而加以終止；不論是選擇正或負的連結埠都無關緊要。RF與LO連結埠都能夠自偏壓，因此需要DC阻斷電容器來避免共模位準遭到破壞。
ADL5801單端驅動 ADL5380單端驅動
圖2:從單端電源驅動ADL5801與ADL5380連結埠
以單端驅動LO與RF連結埠需要付出的代價是性能的降級，例如偶數階失真、雜訊耦合、以及功率增益的降低等。利用單端驅動時，混頻器核心內的平衡就再也無法予以維持，因為單端驅動會產生LO與RF連結埠的兩組信號相位的傳播延遲或是相位偏移。其結果就是使線性度性能降級，尤其是偶數階失真的提高。圖3與圖4中對於以單端vs.差動的方式驅動連結埠的IIP3及IIP2做了比較。此外，由於混頻器內的差動平衡已經被破壞了，因此耦合至混頻器中的任何雜訊都將會直接傳播至輸出當中。單端信號在定義上是不平衡的，而且是藉由輸入信號與恆定參考點(通常都是接地)之間的差異所量測而得。當雜訊或是干擾信號耦合至系統內時，恆定參考點將會有一個不同於所需輸入信號的特徵。因此當信號被加總之後，不想要的信號不會被消除，而是直接傳播至輸出當中。另一方面，差動信號具有相等的振幅與相反的相位 – 彼此互成180度相位。信號的差動特性會讓任何雜訊或是不想要的信號在加總時耦合而直接消除，因為不想要的信號會同時影響處於相反相位的信號。這種差動信號的優點在實現安靜與控制良好的高頻率PCB設計上，已經獲得證實是非常有利的。
另一項在RF連結埠之單端驅動中可以觀察到的性能降級就是功率增益的降低，相較於差動驅動只能獲得其一半的功率。6 dB的功率損失是從50 Ω差動阻抗到單端阻抗之輸入阻抗的改變所導致的結果。此結果所帶來的影響在元件的雜訊係數(與功率增益呈線性關係)中會變得更為重要。雜訊係數在整個頻率範圍中會降級6 dB，單端相對於差動信號。
圖3:ADL5801 /02接收混頻器的IIP3和IIP2 vs.單端與差動驅動的頻率
圖4:ADL5803 I/Q解調變器的IIP3和IIP2 vs.單端與差動驅動的頻率
適用於RF與LO連結埠差動驅動的balun解決方案
如同前述所討論過的，RF與LO連結埠的差動驅動提供了在線性度與雜訊係數方面的性能優勢，並且有助於緩解雜訊耦合的狀況。然而，假如混頻器或是解調變器的前一級為單端(這是常見的情況)的話，那麼就會需要balun來執行單端至差動轉換。Mini Circuit的 TCM1-63AX+提供一組50 Ω、1:1阻抗比的balun，能夠在10 MHz 至6 GHz下運作。在整個頻率範圍中，插入損失會在1.1至1.8 dB之間變化。如此低的插入損失(特別是在頻率範圍頂端)與卓越的平坦度vs.頻率，非常的適合寬頻應用領域。圖6所示為Mini Circuits TCM1-63AX+的插入損失與回授損失以及增益和相位平衡。
此元件的頻率範圍與ADL 5801混頻器和ADL 5380 I/Q解調變器的400 MHz至6 GHz 以及10 MHz至6 GHz輸入範圍有著絕佳的匹配性。圖5所示為ADL 5801與ADL 5380的LO與RF連結埠如何連結至TCM1-63AX+。使用了這些balun而導致IIP2與IIP3方面的改善 vs.使用單端驅動的結果在圖3與圖4中已經明白的顯現出來。
ADL 5380 差動驅動 ADL 5801差動驅動
圖5:將TCM1-63AX+寬頻1：1 balun連結至ADL 5380 IQ解調變器以及ADL 5801混頻器的LO與RF連結埠
圖6:Mini Circuits TCM1-63AX+寬頻1：1balun的插入損失、迴授損失、振幅與相位平衡
結論
寬頻無線電接收器與組態可重新設定的接收器需要寬頻元件。ADL 5380 I/Q解調變器與ADL 5801和ADL 5802混頻器搭配Mini Circuits TCM1-63AX+寬頻1：1balun能夠為寬頻作業提供最佳化的性能。Mini Circuits TCM1-63AX+寬頻1：1balun是一款很適合這些降頻轉換器的卓越支援元件，並且有助於實現寬頻與組態可重新設定的設計。
參考資料：
[1] Whites lecture notes. http://whites.sdsmt.edu/classes/ee322/class_notes/322Lecture27.pdf
[2] Razavi, Behzad. RF Microelectronics.
[3] Carlos Calvo. “The differential-signal advantage for communications system design”. EE Times. 2/1/2010
[1] Whites lecture notes. http://whites.sdsmt.edu/classes/ee322/class_notes/322Lecture27.pdf
[2] Razavi, Behzad. RF Microelectronics.
[3] Carlos Calvo. “The differential-signal advantage for communications system design”. EE Times. 2/1/2010
作者簡介 :
Benjamin Sam自1996年7月即在ADI公司的西北實驗室從事射頻IC的設計。2014年4月起， Benjamin展開他在ADI擔任射頻應用工程師的全新角色。 Benjamin在1980年與1982年分別在威靈頓德州大學取得電子工程學士與碩士學位。在進入ADI之前， Benjamin曾在Wavetek RF Products、AT&E以及Tektronix等公司從事設計工作，負責開發射頻測試設備以及手錶型呼叫器等。
Qui Luu從2000年6月起便在ADI公司擔任射頻應用工程師。 Qui在2000年於麻薩諸塞州伍斯特市的伍斯特理工學院取得她的電子工程學士學位，而後在2005年麻州波士頓的西北大學取得電子工程碩士學位。
