无线基站混频器性能优化与关键参数分析

当今的通信系统（如无线基站）对接收器的灵敏度和大信号性能提出了很高的要求。本文重点介绍混频器，并介绍关键的混频器性能问题和数据手册中规定的基本参数。本文介绍了如何选择最佳混频器来优化接收通道。

无线基站的通信标准（例如 GSM、UMTS 和（现在的）LTE）定义了各种参数的最低规格，包括接收机灵敏度和存在大信号时的性能。这些关键要求对无线基站中无线电的每个功能模块都提出了很高的要求。在接收信号路径中，混频器性能对接收器的灵敏度和大信号性能有重大影响。本文介绍了关键的 mixer 性能问题和参数，以帮助您为接收通道选择最佳 mixer。

首先，我们首先分析无线基站中使用的典型接收器的框图（图 1）。这些接收器被称为超外差接收器，因为接收到的信号会经历两次连续的下变频到较低频率。如图所示，信号由天线接收，然后由射频滤波器 1 滤波，该滤波器通常用于滤除垃圾信号。然后，该滤波器输出由 LNA（低噪声放大器）放大，该放大器通常具有非常低的噪声系数。

放大后的信号再次被滤波，这次是 RF 滤波器 2，它限制了频率范围，同时过滤掉了可能限制混频器性能的不需要的信号。然后，滤波后的带限信号被馈送到第一个混频器，在那里通过与 LO （本振）信号混频，将其下变频为 IF 频率。根据接收器的架构，该 IF 信号可以进一步下变频到第二个较低的 IF 频率，然后解调以在基带中进行处理。

现在我们检查这个接收器链中的 mixers。应研究混频器的参数，因为它们对接收器的灵敏度和大信号性能有重大影响。

混频器的噪声系数描述了从输入到输出的 SNR（信噪比）的劣化。该比率通常以分贝 （dB） 的对数度量表示，如公式 1 所示：

第二个重要参数是转换增益（或者转换损失）。Conversion gain 给出了 mixer 配置是 active 还是 passive 的重要指示。无源混频器具有插入损耗（称为转换损耗），因为它们不包含用于放大信号的元件。然而，有源混频器具有有源元件并提供转换增益。

有源混频器可以通过以下两种配置之一实现：作为基于平衡（吉尔伯特单元）设计的集成混频器;或作为无源混频器，与 IF 放大器级结合使用，以提供增益而不是损耗。由于集成混频器具有增益，因此不需要外部 IF 放大器级来补偿插入损耗。

转换增益（或损耗）是以 dB 表示的对数度量，如公式 2 所示。它与频率相关，应在混频器的整个工作频率范围内指定。为确保接收机的最佳性能，在指定频率范围内的转换增益/损耗变化应尽可能小。

由于无线基站通常在温度波动的环境中工作，因此在工作温度范围内也应指定转换增益/损耗，同样应尽可能减小变化。这个温度范围很重要，因为在正常条件下，随温度的微小变化允许较小的裕量，这在系统规划中很有用。

混频器的大信号特性由称为“1dB 压缩点”（也称为压缩点 （IP1dB））的混频器参数以及二阶和三阶交调点 （IP2和 IP3).IP1dB 压缩点预测混频器增益降低 1dB 时的输入功率电平，相对于公式 3 中的线性表达式：

当两个频率几乎相同的大信号施加到 mixer 的输入时，mixer 还应该能够转换微弱的信号。此行为通常由三阶截取点 （IP3），它与噪声系数一起描述了混频器的动态范围。大型 IP3表示高线性度混频器。mixer 的数据手册还应指定 mixer 输入和输出的截点。使用公式 4，您可以计算 OIP3（输出截点）来自 IIP3（输入截距点），反之亦然：

其中 OIP3是混频器输出的截点 IIP3在输入端，G 是转换损失或增益。The OIP3因此，无源 Mixer 会因 Mixer 的 conversion loss 而降低。这种插入损耗需要在 RF 或 IF 增益级中进行补偿，以确定接收器所需的总噪声系数。（噪声系数是接收器设计中必须考虑的附加参数。

无源混频器的一个主要优点是它们也可以用作频率上变频器。换句话说，它们的输入信号可以转换为更高的频率。上变频器通常用于发射器链中，它将 IF 信号转换为最终发射频率。因为无源混频器可以用于发射链和接收器链，所以您只需订购和备货一个元件。

“直接下变频接收器”直接将输入信号下变频到基带，无需 IF 信号。对于这些接收器，混频器的数据资料应指定另一个重要参数，称为端口到端口隔离。该参数测量 LO 信号和混频器输入信号之间的隔离量。如果端口到端口隔离不够大，LO 可能会与自身混频，在混频器输出端产生直流偏移，从而降低接收器的性能。

因为混频器转换频率，所以它会产生新的频率，称为混频器杂散。应彻底研究杂散，尤其是 （2RF-2LO）、（3RF-3LO） 和更高阶的杂散，这些杂散通过与 IF 频率重合而影响接收器。这种行为通常在 mixer 的数据手册中由 2 × 2 和 3 × 3 参数来描述。

除了这些不同的参数外，您还必须考虑集成度。一些应用可以通过将混频器内核与LO放大器、巴伦和LO开关集成而受益。

如今，可以通过对不同的频率范围使用一种布局来减少开发工作量。为 900MHz GSM 系统设计的接收器可以用于 1800MHz GSM 系统，只需更改几个关键组件即可。

引脚兼容的混频器系列非常适合通用 PCB 布局可容纳无线基础设施的多个频段的应用。最终目标是为处理 GSM、UMTS、WiMAXTM 和 LTE 的多标准无线基站开发单一布局。

例如，接收器链中的 MAX2029 个无源混频器可以下变频接收器信号，而发射器中另一个相同的混频器可以将 IF 信号上变频到最终发射频率。图 2 中的电路集成了所有外部元件：LO 缓冲放大器、巴伦和 LO 开关。

用作下变频器时，MAX2029提供 36.5dBm 的 IIP3、27dBm 的 IP1dB、6.5dB 的转换损耗和 6.7dB 的噪声系数。由于 MAX2029 的 SiGe 工艺技术可实现令人印象深刻的性能，因此非常适合高线性度和低噪声系数至关重要的基站应用。

2RF-2LO 抑制（72dBc，-10dBm RF 输入信号）通过降低滤波近端谐波的要求，使滤波器更简单、更具成本效益。MAX2029 将低端的频率范围从 815MHz 扩展到 1000MHz。作为引脚兼容的混频器系列（包括 MAX2039 和 MAX2041）的一个成员，MAX2029 允许为接收器创建处理不同频率范围和不同通信标准的单个 PCB 布局。

有源混频器可以采用平衡（吉尔伯特单元）设计的形式，也可以采用无源混频器与 IF 放大器级的组合。例如，MAX9986 表示第二种配置。其低噪声系数允许在混频器级之前获得较小的 RF 增益，从而为接收器提供更好的整体线性度。同样，由于在混频器前面增加了更多的增益以最小化级联噪声系数，因此混频器的线性度必须更高，以保持整体接收器的线性度。

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