提高多模式MIMO接收器性能，同時減小占板面積

摘要：為方便4G網絡的部署，無線基站正面臨著許多嚴苛的性能挑戰，提高基站的MIMO（多輸入、多輸出）性能成為當前亟需解決的問題之一。本文重點論述了目前在改善無線基站方面的幾個熱點問題。

關鍵詞：4G；無線基站；MIMO；帶寬；占板面積

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.5.009

引言

高性能無線基站正在經歷著根本性的變化，以使高成本4G(第四代)網絡的部署更可接受、更有效。同時，隨著4G網絡的數據傳輸速率提高到比目前的3G網絡高很多倍，性能要求變得越來越苛刻了。設備設計師面臨著很多挑戰：在射頻單元中塞入很多MIMO通道；將射頻單元塞進占板面積和體積更小的外殼中；使射頻單元易于配置，以支持任何頻帶或通信標準。

因此，新一代基站的外觀與過去相比有可能不同。通常稱為RRH(遠端射頻頭)或RRU(遠端射頻單元)的小型、不受天氣影響的密封機箱將取代在發射塔底部的空調房中放置的大型設備支架。這些機箱就像一臺臺式電腦那么大，設計為安裝在發射塔的頂部，要經受風吹雨打。每個機箱都有大量射頻電子單元通道，但沒有基帶調制或解調處理器。而已調制信號通過多條100Gbps光纖電纜或通過點到點微波鏈路送進、送出。這些信號被發送到可能相距數十公里遠的一個基站單元，并一次饋送給多個蜂窩基站。這種類型的基站架構很容易擴展，部署時也有可能更經濟。

新一代系統的另一個趨勢是能夠工作于多個頻段(在很多情況下能夠執行多模式運作)的無線電設備。此類系統可以容易地利用軟件進行配置以適應任何電信運營商的服務要求，而不受工作頻段或使用標準的影響。

MIMO接收器提高網絡容量

就任何新一代基站而言，最重要的目標當然都是提供更高的數據傳輸速率，以提高容量。由于智能電話和便攜式電腦/平板電腦使用量的激增，今天的網絡呈現過載狀態。通過使兩個或更多的正交接收通道并行工作，MIMO收發器有助實現較高的數據速率。其數據位流被組合起來以增加有效數據速率。

另外，多個通道還有助于減輕無線接收器所遭受的衰落和多徑干擾，這些干擾會導致性能下降及數據損失。凌力爾特公司的LTC5569雙通道混頻器專為提供雙通道同時接收而設計(通過配置而使每個混頻器的LO由一個公用輸入來驅動)，從而保持了兩個通道的相位相干性。雖然這同樣可以通過采用兩個分立的混頻器來實現，但是將兩個混頻器均內置于單顆芯片之中可在器件之間實現一致的和好得多的匹配。這樣的一款雙通道混頻器由于允許與兩個物理上分開的天線或接插元件緊密配合，因而可提供更高的信號完整性水平。于是，可實現上佳的空間分集。兩個混頻器的內部獨立LO緩沖器在兩個通道之間提供了超卓的隔離，以支持將兩個或更多的數據位流級聯成單個速率高得多的數據位流。

通過在與其接收相同的方向上對信號進行波束控制，便可在MIMO實現方案中采用一個智能型天線。為此，兩個或更多的接收通道必須測量入射信號的角度。這就使得保持兩個通道之間的LO相位相干性成為不可或缺。

圖1 在2496MHz至2690MHz的MIMO TDD LTE頻帶上工作的電路實例

更大的帶寬使多模式運行得以實現

預計4G無線網絡不僅數據傳輸速率比目前的3G高得多，帶寬也寬得多。這就使多模式運行成為可能。無線行業正在將帶寬需求從40MHz推進到65MHz，而且在有些情況下，甚至高達75MHz。這對RF工程師而言不是一項簡單的任務，因為增益平坦度條件很苛刻。

圖1顯示了一個采用LTC5569雙通道混頻器的應用電路，該電路作為上行鏈路接收器，在2496MHz至2690MHz的LTE TDD頻帶內工作。請注意，該雙通道混頻器整體上很簡單，僅用了非常少的外部組件。

在這個應用中，要求LTC5569的 IF輸出涵蓋195MHz至235MHz的頻率范圍。IF輸出為在更高的IF輸出頻率時實現最佳回程損耗而優化，以改善IF輸出頻率響應平坦度。所測得的IF輸出回程損耗在235MHz時為20dB，195MHz時為14dB。在40MHz IF輸出帶寬內，這實際上實現了±0.3dB的IF輸出頻率響應平坦度。

差分I F輸出采用1 2 0 n H上拉電感器(Coilcraft公司的0603HP系列，容限為2%)，還采用了一個阻抗比為8:1的IF輸出變壓器(MiniCircuits公司的TC8-1+)。這樣的輸出匹配為下一級提供了單端、50Ω輸出阻抗。

120nH上拉電感器與LTC5569混頻器的IF輸出電容(1.3pF差分)以及其他寄生電容并聯，在IF輸出端形成一個帶寬很寬和單極點帶通濾波器。每個IF輸出引腳從VCC傳導28mA的DC電流。總的IF DC電流為56mA，在TC8-1 IF變壓器的次級繞組和兩個120nH IF輸出電感器之間分配。兩個上拉電感器和TC8-1變壓器的中央抽頭之間的節點需要良好的AC地。這個AC地由10nF旁路電容器提供。

LO端口的匹配為2281MHz至2475MHz的低壓側LO注入而優化。

在2496MHz至2690MHz時，在RF輸入范圍內測得的性能為：

轉換增益：1.5dB ±0.3dB

OIP3：+26.0dBm至27.2dBm

在195MHz至235MHz時，在IF輸出范圍內測得了同樣的性能。

在MIMO RRU設計中，尺寸很重要

在日益縮小的機箱中塞進很多接收器通道時，空間資源會很稀少。像LTC5569采用的那種4mm x 4mm QFN封裝通常只能含有一個混頻器。現在，LTC5569卻含有兩個混頻器，因此使放置密度提高了一倍。每個混頻器的RF輸入和公共的LO輸入都有集成的、內置到該芯片中的平衡-不平衡變壓器，以使這些端口不需要外部變壓器。值得注意的是，典型的變壓器常常占用與器件本身一樣大的PC板面積。當采用兩個或更多通道(例如：4個通道或8個通道)時，占板面積的增加看似微不足道，實際上其快速增加有可能變得難以處理。

值得注意的是，內置在芯片上的RF平衡-不平衡變壓器擁有獨特的優勢。因為作為半導體工藝的一部分，其金屬走線的形狀和厚度以及絕緣性都得到了很好的控制，因此這些變壓器具有一致的阻抗特性，這是分立式、機械纏繞的變壓器無法比擬的。因此，這些變壓器以最小的偏差在不同系統間提供了可重復的響應特性。

LTC5569的RF和LO輸入端的50Ω阻抗匹配還有助于保持外部匹配要求最低。在1.4GHz到3.3GHz時，RF和LO輸入回程損耗高于12dB。在這些端口將只需要DC隔離電容器。因為LTC5569能在低至300MHz的寬頻率范圍內工作，所以針對700MHz LTE和800MHz GSM頻帶，它的RF輸入可以非常容易地匹配。

此外，LTC5569的2dB高轉換增益有助于消除對額外IF增益級的需要。該混頻器提供卓越的26.8dBm輸入IP3性能(在190MHz IF時)。此外，該混頻器具有卓越的阻塞信號處理能力。當RF輸入端存在5dBm的帶內阻塞信號時，其NF僅略有下降，從11.7dB降至17dB(在1.95GHz RF時)。

低功率使熱量管理可控

這么高的混頻器性能幾乎總是以犧牲功耗性能為代價實現的。LTC5569的性能已經為更低的3.3V電源電壓而進行了優化。采用這樣的電源電壓，每個混頻器都以僅90mA的DC電流工作，以實現每通道300mW的卓越功耗。如果考慮該器件提供的寬帶性能、線性度和信號增益，那么LTC5569在混頻器領域是非常出色的。

以這樣的功耗，一個8通道MIMO接收器可以僅消耗2.4W功率。而可替代的每通道1W的混頻器組成同樣的接收器總共消耗8W功率，可見LTC5569的總功耗低得多。

當在印刷電路板上焊接該雙通道混頻器時，應該小心，以確保底面裸露的中央焊盤得到完全充分的焊接。這不僅對提供最高效的熱量傳導很重要，而且對實現最佳的RF信號接地也很有必要。這樣能提高RF信噪比性能。LTC5569的封裝具有非常低的8℃/ W結點至管殼熱阻(ΘJC)。在兩個通道都工作(總功耗為600mW)、電路板溫度為105℃時，該器件的結溫僅為110℃，遠低于150℃的絕對最大額定值。

結論

LTC5569雙通道混頻器在非常寬的帶寬范圍內提供卓越的性能，同時具有緊湊的占板面積和非常低的功耗。該器件能應對新一代LTE MIMO RRU的高要求帶來的挑戰。