En högintegrerad lösning för MIMO-mottagning presenteras här av Vlad Dvorkin, applikationsteknikchef, Tom Schiltz, RFIC-avdelningens ledare, Weston Sapia, RF-applikationsingenjör och James Wong, marknadschef för högfrekvensprodukter, alla från Linear Technology Corporation.

Högpresterande trådlösa basstationer håller på att radikalt förändras. Höga kostnader för införande av 4G-(fjärde generationen)-nät håller på att sänkas till en mer acceptabel nivå. Prestandakraven fortsätter dock att vara höga, med en datahastighet som är flera gånger högre än i nuvarande 3G-nät. Det gör att utrustningskonstruktörer ställs inför en rad utmaningar:
* Att inkludera många MIMO-(Multiple-Input, Multiple-Output)-kanaler i radiokretsen
* Att få allt att passa i mindre kapslar och på mindre kortutrymme
* Att göra radiokretsarna lätta att konfigurera så att de fungerar för samtliga frekvensband eller kommunikationsstandarder
Därmed kommer den nya generationen basstationer troligen att se annorlunda ut än tidigare. De manshöga utrustningsrack som sitter inne i lunftkonditionerade skjul vid foten av radiomasterna ersätts av små, vädertäta lådor vanligtvis kallade fjärrbaserade radiohuvuden (Remote Radio Heads, RRHs) eller fjärrbaserade radioenheter (Remote Radio Units, RRUs). Lådorna är ungefär lika stora som stationära datorer och de är utformade för montering i toppen av masten, fullt exponerade för väder och vind. Varje låda har många kanaler av radioelektronik, men saknar processor för basbandsmodulation eller -demodulation. De modulerade signalerna förs istället in och ut via antingen fiberoptiska kablar för flera 100 Gbps eller via punkt-till-punkt-baserade mikrovågslänkar. Signalerna sänds till en enda basenhet som kan ligga tiotals kilometer bort och som kan mata flera radiomaster samtidigt. Denna typ av basstationsarkitektur kan lätt skalas upp och ned och blir potentiellt sett mer ekonomisk att införa.
En annan trend för den nya generationen är multibandskapabla, och i många fall, “multimode”-baserade radiokretsar. Sådana system är lätta att konfigurera med programvara för anpassning till bärarnas servicebehov, oavsett frekvensband eller standarder.

MIMO-mottagare ger ökad nätkapacitet
Det viktigaste målet för samtliga nya generationer av basstationer är förstås att leverera högre datahastighet för ökad kapacitet. Dagens nätverk är överbelastade som ett resultat av den exponentiellt växande användningen av smarttelefoner och bärbara datorer eller datorplattor. MIMO-sändtagare hjälper till att åstadkomma högre datahastigheter genom att möjliggöra två eller flera ortogonala mottagningskanaler som arbetar parallellt. Deras bitströmmar för data kombineras för ökad effektiv datahastighet.
De många kanalerna hjälper också till att motverka trådlösa mottagare som är utsatta för fädning och flervägs-interferens som kan resultera i försämrad prestanda och dataförlust. Dubbelblandaren LTC5569 från Linear Technology är utformad att tillhandahålla dubbel samtidig mottagning genom att varje blandares lokaloscillator konfigureras så att den drivs från en gemensam ingång, vilket därmed bevarar faskoherensen för de båda kanalerna. Det är visserligen möjligt att implementera detsamma med två diskreta blandare. Men att ha båda blandarna på en monolitisk krets ger mycket bättre och konsekventare anpassning delarna emellan. En sådan dubbelblandare möjliggör en högre grad av signalintegritet genom att tillåta koppling till två fysiskt sett olika antenner eller delelement. Därmed kan en hög grad av spatial mångsidighet åstadkommas. De två blandarnas internt oberoende LO-buffertar ger utmärkt isolering mellan de båda kanalerna för att stöda sammanlänkning av två eller flera bitströmmar av data till en enda ström med mycket högre datahastighet.
En smart antenn kan utnyttjas i en MIMO-implementering genom strålstyrning av signalen i samma riktning som dess mottagning. För att åstadkomma detta måste två eller flera mottagningskanaler mäta vinkeln för den inkommande signalen. Detta kräver att LO-faskoherensen bevaras mellan de två kanalerna.

Ökad bandbredd möjliggör “multimode”-baserad drift
Trådlös 4G förväntas inte bara ha mycket högre datahastighet än nuvarande 3G utan även mycket bredare bandbredd. Detta möjliggör “multimode”-baserad drift. Den trådlösa industrin verkar aktivt för bandbredder på över 40 MHz till 65 MHz, och i vissa fall, även så höga som 75 MHz. Detta är ingen lätt uppgift för RF-ingenjörer, eftersom förhållandena för förstärkningens planhet är snäva.

Fig 1. Dubbelblandaren LTC5569 kräver få externa komponenter. I det här exempelt implementeras ett MIMO TDD LTE-band från 2 496 MHz till 2 690 MHz.

Fig 1 visar en applikationskrets som utnyttjar en LTC5569-dubbelblandare som en upplänk-mottagare som arbetar på ett LTE TDD-band på 2 496 MHz till 2 690 MHz. Observera dubbelblandarens enkla utförande med endast ett fåtal externa komponenter.
I denna tillämpning måste LTC5569s IF-utgångar täcka ett frekvensområde från 195 MHz till 235 MHz. IF-utgångarna optimerades för bästa returförlust vid högre frekvenser för att förbättra planheten hos IF-utgångarnas frekvenssvar. IF-utgångarnas uppmätta returförlust är 20 dB vid 235 MHz och 14 dB vid 195 MHz. Det resulterade faktiskt i en planhet hos frekvenssvaret på ±0,3 dB över IF-utgångarnas bandbredd på 40 MHz.  
De differentiella IF-utgångarna använder 120 nH “pull-up”-induktanser (0603HP-serien från Coilcraft, med 2 procents tolerans) och en transformator med ett impedansförhållande på 8:1 (TC8-1+ från Mini-Circuits). Detta ger en obalanserad, utgående impedans på 50 Ohm till nästa steg.
“Pull-up”-induktanserna på 120 nH parallellt med kapacitansen hos LTC5569-blandarens IF-utgångar (1,3 pF differentiellt) och andra parasiter bildar ett enpoligt bandpassfilter med bred bandbredd vid IF-utgångarna. Samtliga IF-utgångsben leder 28 mA av likström från Vcc. Den totala IF-likströmmen på 56 mA delas mellan den andra lindningen hos TC8-1-transformatorn och de två 120 nH-induktanserna. Kopplingen mellan de två “pull-up”-induktanserna och mittuttaget hos TC8-1-transformatorn behöver bra AC-jordning. Denna jordning tillhandahålls av 10 nF bypass-kondensatorerna.
Anpassningen av LO-portarna optimeras för en lågsides LO-injektion från 2 281 MHz till 2 475 MHz.
Uppmätta prestanda för avsökning av RF-ingången inom området 2 496 MHz till 2 690 MHz är:
Omvandlingsförstärkning:    1,5 dB +/- 0,3 dB
OIP3:    +26,0 dBm till 27,2 dBm
Samma prestanda uppmättes vid avsökning av en IF-utgång från 195 MHz till 235 MHz.

Storleken viktig vid MIMO
När många kanaler av mottagare samlas i en allt mindre låda har kortutrymmet stor betydelse.
Den 4×4 mm QFN-kapsel som LTC5569 utnyttjar innehåller normalt bara en blandare. Nu har den två blandare, fördubblad densitet. Varje blandares RF-ingång och den gemensamma LO-ingången har integrerade baluntransformatorer inbyggda på kretsen så att inga externa transformatorer krävs för de portarna. Det är värt att notera att en normal transformator ofta upptar lika stort kortutrymme som kretsen i sig. När två eller flera kanaler (exempelvis 4 eller 8 kanaler) utnyttjas kan det till synes obetydliga utrymmet snabbt öka till att bli ohanterligt.
Det är värt att påpeka att RF-baluntransformatorer som byggs på kretsen har unika fördelar. Eftersom deras mönster, metallspårens tjocklek och isoleringen är kraftigt styrda som en del av halvledarprocessen har de ett konsekvent impedansbeteende som inte kan uppnås med diskreta, mekaniskt lindade transformatorer. Därmed ger de repeterbara egenskaper från ett system till ett annat med minimala variationer.  
LTC5569s RF- och LO-ingångars impedansanpassning på 50 Ohm hjälper också till att hålla de externa anpassningsbehoven till ett minimum. Över 1,4 GHz till 3,3 GHz är IF- och LO-ingångarnas returförluster bättre än 12 dB. Endast en likströmsblockerande kondensator skulle behövas vid dessa portar. Eftersom LTC5569 klarar bred frekvensfunktion ända ner till 300 MHz kan dess RF-ingångar lätt anpassas för LTE-bandets 700 MHz och GSM-bandets 800 MHz.
Dessutom hjälper LTC5569s höga omvandlingsförstärkning på 2 dB till att utesluta behovet av ett extra IF-förstärkningssteg. Blandaren ger enastående ingående IP3-prestanda på 26,8 dBm (vid 190 MHz, IF). Blandaren har även överlägsen förmåga att hantera blockeringar. Dess NF försämras endast något från 11,7 dB till 17 dB (vid 1,95 GHz, RF) när en 5 dBm blockeringssignal på bandet är närvarande vid RF-ingången.

Låg effekt ger låg värme
En så hög nivå av blandarprestanda uppnås nästan alltid på bekostnad av effektförbrukningen. LTC5569s prestanda har optimerats vid en matningsspänning som sänkts till 3,3 V. Med denna matningsspänning drar varje blandare endast 90 mA likström vilket betyder en effektförbrukning på 300 mW/kanal. Med sina bredbandsprestanda, sin linjäritet och signalförstärkning skiljer sig blandarkretsen från andra på marknaden.
Den låga effektförbrukningen gör det möjligt att skapa en 8-kanalig MIMO-mottagare som bara drar 2,4 W. Det är betydligt mindre än en alternativ 1 W/kanal blandare som bränner totalt 8 W för att åstadkomma detsamma.
När den dubbla blandaren löds fast på ett kretskort måste man se till att undersidans blottlagda mittbelägg löds fullständigt. Detta är viktigt inte bara för att värmeledningen ska bli så effektiv som möjligt utan även för att åstadkomma optimal jordkontakt för RF-signalen. Detta  förbättrar signal/brus-förhållande för RF-signaler.
LTC5569s kapsel har ett mycket lågt värmemotstånd mellan koppling och kåpa (QJC) på 8°C/W. Med båda kanalerna i arbete (totalt 600 mW) och en korttemperatur på 105°C är kretsens arbetstemperatur endast 110°C, långt under den maximala märktemperaturen på 150°C.

Passar för LTE MIMO RRU
Dubbelblandaren LTC5569 ger mycket goda prestanda över en mycket bred bandbredd samtidigt som den kräver litet utrymme på kortet och är mycket energisnål. Detta är en krets som kan stå pall för utmaningarna hos nästa generation LTE MIMO RRU.

Filed under: Radimat