En blandarkrets med hög linjäritet förenklar användningen av mikrovågsbaserade radiokonstruktioner. Artikeln är skriven av Bruce Hemp, ledare för applikationsavdelningen samt James Wong, produktmarknadschef, Linear Technology Corp.

Nästa generation trådlösa tjänster kräver allt mer bandbredd för att hantera den kraftigt ökade internettrafiken. Men det spektrum som är tillgängligt idag klarar inte av att stöda morgondagens bandbreddsbehov. Därför utvärderas nu högre frekvensspektra.
Ett flertal alternativ har föreslagits, allt från olicensierade markstationer med 5,8 GHz till heltäckande satellitsystem på låg höjd.
Vägen mot den utlovade bredare bandbredden går via nya högre frekvenser. Det kräver nya blandare med högre prestanda. I det syftet lanserar nu Linear Technology sin nya LTC5549-blandare.

Passiv blandare
LTC5549 är en passiv dubbel-balanserad blandare som kan fungera som antingen upp- eller nedomvandlare. Den har ett mycket brett RF-frekvensområde, från 2 GHz till 14 GHz. LTC5549 erbjuder även mycket hög linjäritet, uttryckt som 28,2 dBm IIP3 (tredje ordningens interceptpunkt på ingången) vid 5,8 GHz och 22,8 dBm vid 12 GHz. Det innebär ett stort dynamiskt område för såväl sändare som mottagare.
LTC5549 möjliggör effektiva mikrovågskonstruktioner för både sändare och mottagare tack vare den integrerade LO-bufferten. Den kräver bara 0 dBm drivsignalnivå. Därför behövs det inte några extra externa och kraftfulla LO-drivkretsar. Dessutom har LTC5549 integrerad, förkopplingsbar frekvensdubblering av LO-signalen, vilket möjliggör användning av billigare och mer lättåtkomliga lågfrekvenssyntetisatorer, om så önskas. LTC5549 utnyttjar bredbandiga integrerade baluner som optimerats för att öka LO- och RF-frekvensbandbredden och samtidigt möjliggöra obalanserade drivsignaler. Och dess MF-port stöder stor bandbredd från 0,5 till 6 GHz. Alla tre portarna är matchade för 50 ohm och har utmärkt isolation mellan portarna. Det minimerar oönskat LO-läckage vilket i sin tur minskar behovet av extern filtrering.

Bättre mottagarprestanda
Flertalet mikrovågsblandare är hybrider, med diskreta GaAs-dioder eller FETar. LTC5549 skiljer sig markant från dessa. Den är konstruerad i en avancerad och mycket högfrekvent SiGe BiCMOS-process. Kretsen är högintegrerad och inkluderar såväl LO-buffert som mikrovågsbaluner.
Den monolitiska kretsen vänds uppochned och löds på en liten 3 × 2 mm ytmonterad plastkapsel. Bondtrådar utesluts för att eliminera induktansen i trådförbindningar vilket kraftigt förbättrar kretsens prestanda. Den kompakta kapseln och ett minimalt antal externa kretsar ger en lösning som kräver mycket litet utrymme.

Den nya blandarens IIP3-prestanda på 22,8 dBm ger en särställning i denna klass. Dessa förbättrade prestanda ökar det dynamiska området för mottagare och sändare. Ett högre IIP3 gör en mottagare mer robust om den befinner sig i närheten av kraftiga störningar, vare sig dessa kommer från oavsiktliga störningskällor utanför bandet eller är självförvållade (läckage från en annan sändare i system med flera delar). Mottagare med högre dynamiskt område ger en extra konstruktionsmarginal och har därför mer överseende med starka ”blockers” – då den ökade radioanvändningen ger ständigt försämrade kanaler.

Bättre sändarprestanda

I sändare kan en blandare med högre IIP3 (och därmed högre OIP3, tredje ordningens interceptpunkt på utgången) på liknande sått hjälpa till att ge mindre spurioser, vilket därmed ger renare spektrum och bättre ACPR-prestanda. Detta är framför allt viktigt för radiokretsar som utnyttjar modulation av högre ordning som kan överstiga 1024 QAM eller mer. Den förbättrade linjäriteten hjälper till att bättre definiera noggrannheten i ett konstellationsdiagram. Högre IIP3 gör dessutom att blandaren kan arbeta vid förhöjd ineffekt, och därmed mer robusta uteffektnivåer. Den extra konstruktionsmarginalen hjälper till att lätta på konstruktionsbegränsningarna, vilket ger flexibilitet.

Låg LO-effekt förenklar konstruktionen
LTC5549s integrerade LO-förstärkare utesluter effektivt den LO-förstärkare på mellan +10 dBm och +17 dBm som normalt krävs för att driva traditionella passiva mikrovågsblandare. Tack vare ett krav på bara 0 dBm kan den drivas direkt från en PLL/syntetisator utan buffert.
Förutom att det ger en kostnadsbesparing resulterar den låga LO-effekten i sig i betydligt lägre LO-läckage till portarna för MF eller RF. Därmed krävs mindre extern filtrering för att begränsa de störningar utanför bandet som en så kraftfull källa normalt ger.
En annan fördel är att det inte finns någon stark störkälla på mönsterkortet. Det leder till en väsentlig kostnadsbesparing tack vare det minskar behovet av RF-skärmning – en plåga för många konstruktioner med så kraftiga LO-signaler.

Bredbandig balun
LTC5549 inkluderar patentsökt konstruktionsteknik för plana baluner, som gör att den monolitiska blandaren kan arbeta över extremt stor bandbredd. Enastående symmetri uppnås, vilket ger fullständigt balanserad och optimalt spurios-dämpad drift med oförändrat frekvenssvar över mycket stor bandbredd.
Den 50 ohms impedansanpassade RF-porten med sin inbyggda transformator, och en extern 0,15 pF kondensator, uppvisar exempelvis returförluster på bättre än 10 dB från 2 GHz till 14 GHz. Anslutning av en 0,15 pF shunt-kondensator och en seriekondensator vid LO-ingången matchar även porten för 50 ohm från 1 GHz till 12 GHz. Returförlusten blir alltså bättre än 10 dB över hela detta frekvensområde.

5G ökar datahastigheten
Trådlös 5G väntas nå 1 Gbit/s. För att klara det måste bandbredden också utökas till 1 GHz eller mer. Nya spektra måste göras tillgängliga. LTC5549 ger en platt frekvenskurva över mer än 1 GHz bandbredd.
Mikrovågsbaserad testutrustning har också nytta av en kompakt, höglinjär blandare som LTC5549. I takt med att RF-testutrustningen går mot allt högre frekvenser måste deras linjäritet och bandbredd också förbättras för att hålla jämna steg med prestandaförbättringarna hos den utrustning som testas.

Uppblandare
Tag som exempel en konverter som omvandlar en signal på 3,6 GHz till en bärfrekvens på 12,6 GHz. En lågsides-LO utnyttjas. Driftsförhållandena är följande:
* IF-porten (in) = 3,6 GHz
* RF-porten (ut) = 12,6 GHz
* LO (in) =  9 GHz, vid 0 dBm
* Två – 5 dBm signaler med 2 MHz separationavstånd matas till MF-ingången.
Prestandamätningar gjordes med ett LTC5549-utvärderingskort (fig 1).

Fig 1a. Utvärderingskortet för LTC5549.

Fig 1b. Schema för blandare med LTC5549.

Den interna frekvensfördubblaren kopplas förbi så att en 9 GHz LO-signal går direkt in från en generator för rena labsignaler. Eftersom utvärderingskortets komponenter redan är bredbandsanpassade används kortet som det är utan ändringar (se schemat i fig 1).
Fig 2 visar blandarens linjäritets prestanda med två toner på avståndet 2 MHz uppmätt vid 12,6 GHz. Utgångens distortionstoppar för tredje ordningens intermodulation uppmättes nere vid -57,5 dBc. Det motsvarar ett IIP3 på +23,8 dBm.

Fig 2. Topparna för tredje ordningens intermodulation är uppmätta vid -74 dBm, vilket pekar på IIP3-prestanda på +23,8 dBm vid frekvensen 12,6 GHz.

I fig 3 ser vi RF-utgångens fullständiga spektrum.

Fig 3. Bredbandigt utgångsspektrum visar samtlig spurioser (felaktiga produkter) som påverkar behovet av utgångsfilter.

Inga externa filter används så vi kan se var samtliga spurioser (falska signaler) hamnar. LO-läckaget ligger cirka 14 dB under bärvågen på 12,6 GHz men på 3,6 GHz avstånd. Så filtrering borde inte vara något större problem. Den närmaste toppen är faktiskt 2LO-IF, som sker vid 1,8 GHz från bärfrekvensen. En god nyhet är att dess resteffekt ligger lägre än -40 dBc under bärvågen.

Vid 12,6 GHz varierar blandarens utgång endast 1 dB över en bandbredd på 1 GHz (se fig 4), vilket är gott nog för att passa för nästa generation av bredbandig radio.

Fig 4. Den uppkonverterande blandaren har en omvandlingsförlust på 12 dB, som dock varierar bara 1 dB över en bandbredd på 1 GHz för bärvågen på 12,6 GHz.

Generellt goda data
LTC5549 uppvisar utmärkt IIP3 som kan förbättra det dynamiska området för såväl mottagar- som sändartillämpningar. Den har en integrerad LO-buffert, vilket ger en kostnadsbesparing och mycket lågt LO-läckage. Dess integrerade baluner ger utomordentligt stor bandbredd vilket förenklar konstruktionen och möjliggör mycket kompakta lösningar.

Artikeln är skriven av Bruce Hemp, ledare för applikationsavdelningen samt James Wong, produktmarknadschef, Linear Technology Corp.

Filed under: Mikrovag