侵权投诉
当前位置:

OFweek电子工程网

RF/无线

正文

混频元件市场正改变 需求随技术进步而变

导读: 对于RF和微波设计而言,混频是讯号链中最关键的部份。在过去,许多应用都会受到混频器性能的限制。混频器的频率范围、转换损耗和线性度,定义了该混频器是否可用于某一特定应用。30GHz以上频率的设计固然困难,此类元件的封装更不容易。

半导体制程的持续创新以及射频(RF)封装技术的进展,彻底改变了工程师在设计RF、微波和毫米波(mmWave)应用时的设计方式。RF设计人员所需的技术和设计支援,比起以往将更具体且先进。随着设计技术持续发展,RF和微波元件的本质在不久的未来将会有很大的不同。本文将介绍不同类型的混频器、其优缺点以及在不同市场中所衍生的应用。此外,还将讨论不同混频元件如何改变产业样貌,以及技术进步如何改变不同市场领域的需求。

对于RF和微波设计而言,混频是讯号链中最关键的部份。在过去,许多应用都会受到混频器性能的限制。混频器的频率范围、转换损耗和线性度,定义了该混频器是否可用于某一特定应用。30GHz以上频率的设计固然困难,此类元件的封装更不容易。一般来说,简单的单组型、双组型以及三组型平衡混频器已足以因应通用市场需求。

但是,随着厂商开发出更先进的应用,并希望提高性能的每一dB值时,传统混频器就无法满足需求。现今以及未来在市场上所需要的混频解决方案,必须是专用于每种个别的应用、性能经最佳化,而且支援可被重覆使用的通用平台设计。

取决于应用和终端市场的类型,当今设计人员的需求有非常不同的变化。一般情况下,目前大多数的设计人员希望具有:宽频性能、提高线性度,以及与讯号链中的其他元件实现较高的整合度与较低功耗。但根据目前的市场区隔,对于这些要求的优先顺序也有很大的差异。

混频器与频率转换器

在讨论混频器和频率转换器应用于不同市场之前,先了解不同混频器类型的基本特征是很有帮助的。顾名思义,混频器混合了两种输入讯号,以产生该频率的和或差。当混频器用于产生较输入讯号更高的输出频率时(藉由将两个频率相加),就是所谓的升频转换(upconversion)。而当混频器用于产生较输入讯号更低的输出频率时(藉由将两个频率相减),则是所谓的降频转换(downconversion)。

本文将针对一些广为被采用的混频器说明其上层设计及其优缺点。

单组型、双组型以及三组型平衡式被动混频器

最常见的混频器类型是被动混频器,这类混频器有各种不同的设计风格,如单端(single-ended)、单平衡(single balanced)、双平衡(double balanced)或三重平衡(triple-balanced)。其中最广泛被使用的结构是双平衡混频器,这类混频器由于提供了良好的性能、简单的做法和架构,而且是一款具有多种功能选项的高成本效益设计选择,因而相当受到青睐。

在一般的印象中,被动混频器的特点就是简单,因为他们不需要任何外部直流(DC)电源或特殊的设定。这类混频器的特点是其宽频性能、理想的动态范围、低杂讯系数(NF)以及埠与埠之间的有效隔离。这些混频器的设计,以及它们不需DC外部电源的优点,让它们能在混频器输出上提供低NF。一个理想的经验法则是,被动式混频器的NF大约相当于其转换损耗。这些混频器可胜任具有低NF系统需求的应用,而这是主动式混频器所无法提供的。此类混频器精通的另一个领域,在于其高频和宽频的设计。从RF一路到毫米波的整个频率范围,都能提供良好的性能。

混频器的另一个关键规格在于其埠与埠之间的隔离,此规格往往推动可用于此类应用的混频器进展。三重平衡被动式混频器通常能提供最佳的隔离,但也带来了复杂的架构,并在其它的规格(如线性度)上受限。双平衡被动式混频器虽然架构较简单,但也能在埠与埠埠之间提供良好的隔离,对于大部份的应用而言,可说是结合了隔离度、线性度与杂讯指数的最佳化选择。

从整体讯号链的角度来看,线性度(通常也称为IIP3-三阶截取点)是在RF和微波设计中最重要的指标之一。被动式混频器通常最为受到注意的特性,为其高线性度性能。遗憾的是,为了得到最佳的性能,被动式混频器需要高本地振荡输入功率。大多数的被动式混频器是使用二极体或FET电晶体构成,且需要约13dBm至20dBm的本地振荡驱动,这对于某些应用而言可说是相当高;因此,高本地振荡驱动的要求,是被动式混频器的主要弱点之一。

被动式混频器的另一个缺点,是在混频器输出上的转换损失。这类混频器为不具增益功能块的被动元件;因此其输出很容易出现较高的讯号损失。举例来说,如果输入混频器的功率为0dBm,而混频器具有9dB的转换损失,则混频器的输出将为-9dBm。总体而言,这类混频器非常适合用于测试/测量和军用市场,此点将在本文后面再进一步讨论。

被动式混频器的优点:

大频宽

高动态范围

低杂讯指数

高埠间隔离

改变中的混频元件市场样貌

图1:I/Q混频器功能方块图及镜像抑制频域图

I/Q镜像抑制混频器

I/Q混频器是被动式混频器的一种类型,它提供了与一般被动式混频器相同的优点,再加上无需任何外部滤波即可消除扰人的镜像讯号。当这类混频器被用在降频转换器时,他们也被称为IRM(镜像抑制混频器);如果被用在升频转换器时,则称为SSB(单边带混频器)。I/Q混频器是由两个双平衡混频器,和一个被分为二且相互相移距90度(0°对一个混频器,90°则对第二个混频器)的本地振荡讯号所构成。此相移能让混频器只产生一个边带(我们所希望的)讯号,并抑制其他不需要的讯号。

图2中的频谱图,在同一图中显示出I/Q混频器(紫线)和双平衡混频器(蓝线)的性能。我们可以很容易地看出来,I/Q混频器会透过提供45dB的抑制,移除掉不想要的下边带,相较之下,双平衡混频器则会产生上边带和下边带。

如同双平衡被动式混频器一样,I/Q混频器也要求高本地振荡输入功率。在结构上,由于I/Q混频器使用了两个双平衡混频器,因此与两个双平衡混频器相比,他们往往需要3dB左右的额外本地振荡推力。I/Q混频器对于良好平衡的相位和振幅输入匹配是很敏感的,任何来自90度的相移或是位于输入讯号、混合模组(hybrid)、系统电路板或混频器本身的振幅不平衡,都会直接影响到镜像抑制的位准。这些误差的影响可以藉由从外部校准混频器,来加以修正以提高性能。

由于其边带抑制特性,I/Q混频器通常被用在无外部滤波而需要除去边带,同时又要确保有良好NF和线性度的应用。微波点对点回传(microwave point-to-point backhaul)通讯、量测仪器以及军事终端用途等,就是此类市场中的常见案例。

I/Q混频器的优点有:

固有的镜像抑制能力

无需使用昂贵的滤波器

良好的振幅和相位匹配

1  2  3  下一页>  
声明: 本文由入驻OFweek公众平台的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

我来说两句

(共0条评论,0人参与)

请输入评论

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码: