Auf- und Abwärtsmischer für 24 bis 44 GHz – leistungsfähig und kompakt

| Autor: James Wong, Kasey Chatzopoulos und Murtaza Thahirally

Bild 1a: Blockschaltbild des Aufwärtsmischer-Chips ADMV1013.
Bild 1a: Blockschaltbild des Aufwärtsmischer-Chips ADMV1013. (Bild: Analog Devices)

Mit den Bausteinen ADMV1013 und ADMV1014 bietet ADI ein Paar hochintegrierter Auf- und Abwärtsmischer für Mikrowellen-Anwendungen zwischen 24 - 44 GHz an. Eine Besonderheit ist die Möglichkeit, den DC Offset und Phasenunterschied der I/Q Pfade separat digital im Chip direkt zu korrigieren.

Analog Devices hat zwei hochintegrierte Mikrowellen-Auf- bzw. -Abwärtsmischer-Chips, nämlich die Bausteine ADMV1013 und ADMV1014, vorgestellt. Die ICs arbeiten über einen sehr weiten Frequenzbereich mit 50-Ω-Anpassung von 24 GHz bis 44 GHz und unterstützen eine Momentanbandbreite von über 1 GHz. Die Performance-Daten des ADMV1013 und des ADMV1014 vereinfachen das Design und die Implementierung kleiner Millimeterwellen-Plattformen für 5G-Anwendungen, die im Backhaul- und Fronthaul-Einsatz die häufig verwendeten 28-GHz- und 39-GHz-Bänder abdecken. Hinzu kommt eine Vielzahl weiterer extrem breitbandiger Sender- und Empfängeranwendungen.

Die Auf- und Abwärtsmischerchips (Bild 1) sind hochintegriert und bestehen aus In-Phase- (I) und Quadratur-Mischern (Q) im Verbund mit einem in den Chip integrierten Quadraturphasenschieber. Letzterer ist für die direkte Umwandlung nach bzw. aus dem Basisband (DC bis 6 GHz) sowie nach bzw. aus einer Zwischenfrequenz (800 MHz bis 6 GHz) konfigurierbar. Der HF-Ausgang des Aufwärtsmischers enthält einen chipintegrierten Sendeverstärker mit einer VVA-Stufe (Voltage Variable Amplifier), während der HF-Eingang des Abwärtsmischers mit einem Low Noise Amplifier (LNA) sowie einer Verstärkerstufe mit VVA bestückt ist. Die LO-Kette (Lokaloszillator) beider Chips besteht aus einem integrierten LO-Puffer, einem Frequenzvervierfacher und einem programmierbaren Bandpassfilter. Der Großteil der Programmierbarkeit und der Kalibrierfunktionen wird über eine SPI-Schnittstelle gesteuert, sodass sich beide Chips in einem bisher nicht gekannten Ausmaß einfach programmieren lassen.

Details zum Aufwärtsmischer ADMV1013

Der ADMV1013 bietet die Auswahl unter zwei Frequenzumsetzungs-Betriebsarten. Die eine dient der direkten Aufwärtswandlung der I- und Q-Phase im Basisband auf ein HF-Signal. In diesem I/Q-Modus können die differenziellen I- und Q-Basisbandeingänge Signale von DC bis 6 GHz entgegennehmen, wie sie beispielsweise von zwei schnellen Sende-DACs (D/A-Mischern) erzeugt werden können. Diese Eingänge bieten einen konfigurierbaren Gleichtaktbereich von 0 V bis 2,6 V und sind damit auf die Schnittstellen-Anforderungen der meisten DACs abgestimmt. Wird also ein DAC mit einem bestimmten Gleichtaktbereich gewählt, lassen sich die Register des Aufwärtsmischers auf einfache Weise so programmieren, dass der optimale Bias für diese Gleichtaktspannung eingestellt wird. Das Design der Schnittstelle wird hierdurch einfacher.

Bei der anderen Betriebsart handelt es sich um die Einseitenband-Aufwärtswandlung auf HF aus komplexen ZF-Eingangssignalen, wie sie beispielsweise von einem digitalen Quadratur-Aufwärtsmischer kommen können. Eine Besonderheit des ADMV1013 liegt darin, dass er im I/Q-Modus eine digitale Korrektur des DC-Offsetfehlers der I- und Q-Mischer ermöglicht, wodurch das LO-Signal weniger an den Ausgang durchsickert. Nach erfolgter Kalibrierung kann das Durchsickern des LO-Signals an den Ausgang auf -45 dBm gedrückt werden (bei maximaler Verstärkung).

Ein noch gravierenderes Problem, das sich beim Design von Direct-Conversion-Funklösungen ergibt, sind Ungleichgewichte zwischen der I- und der Q-Phase, die zu einer unzureichenden Seitenband-Unterdrückung führen. Als weitere Herausforderung bei der Direktumwandlung kommt hinzu, dass das Seitenband in der Regel zu nah am Mikrowellen-Träger liegt, sodass sich Filter nicht praktikabel einsetzen lassen. Dieses Problem wird beim ADMV1013 gelöst, indem der Anwender etwaige Ungleichgewichte zwischen I und Q durch entsprechende Registerabstimmung auf digitalem Weg korrigieren kann.

Im Normalbetrieb kommt der Aufwärtsmischer auf eine unkalibrierte Seitenband-Unterdrückung von 26 dBc, jedoch lässt sich dieser Wert mithilfe der integrierten Register auf etwa 36 dBc erhöhen. Beide Korrektur-Features sind per SPI und ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand zugänglich. Weiter steigern lässt sich die Unterdrückung durch eine weitere Einstellung des Phasenungleichgewichts der I- und Q-DACs im Basisband (im I/Q-Modus). Diese leistungssteigernden Eigenschaften minimieren den externen Filteraufwand und sorgen gleichzeitig für eine Verbesserung der Funk-Performance bei Mikrowellen-Frequenzen.

Dank des integrierten LO-Puffer kommt der Baustein mit einem Treibersignal von 0 dBm aus. Er lässt sich deshalb auf unkomplizierte Weise direkt durch einen Synthesizer mit integriertem VCO (Voltage-Controlled Oscillator) wie beispielsweise dem ADF4372 oder dem ADF5610 ansteuern, sodass sich der externe Schaltungsaufwand weiter verringert. Der in den Chip integrierte Frequenz-Vervierfacher multipliziert die LO-Frequenz auf die gewünschte Trägerfrequenz und wird über einen programmierbaren Bandpassfilter geführt, um die unerwünschten Oberschwingungen des Vervielfachers zu dämpfen, bevor das Signal an die Quadraturphasen-Generatorstufe der Mischer weitergeleitet wird.

Bild 2: Der ADMV1013 in seinem 6 mm x 6 mm großen oberflächenmontierbaren Gehäuse, hier zu sehen auf dem zugehörigen Evaluation Board.
Bild 2: Der ADMV1013 in seinem 6 mm x 6 mm großen oberflächenmontierbaren Gehäuse, hier zu sehen auf dem zugehörigen Evaluation Board. (Bild: www.tophercox.com)

Durch diese Anordnung verringert sich die Einstreuung von Störsignalen in die Mischer. Außerdem wird die Möglichkeit geschaffen, den Baustein mit einem kostengünstigen, für niedrige Frequenzen ausgelegten externen Synthesizer/VCO zu kombinieren. Das modulierte HF-Ausgangssignal wird anschließend durch zwei Verstärkerstufen mit einem zwischengeschalteten VVA verstärkt. Die Verstärkung kann anwenderseitig in einem Bereich von 35 dB variiert werden, mit einem maximalen kaskadierten Umwandlungsgewinn von 23 dB. Der ADMV1013 besitzt ein LGA-Gehäuse (Land Grid Array) mit 40 Anschlüssen (siehe Bild 2). Gemeinsam sorgen die beschriebenen Features für herausragende Leistungsfähigkeit, maximale Flexibilität und eine einfache Anwendung, während der Aufwand an externen Bauelementen minimiert wird, sodass die Voraussetzungen für die Realisierung kleiner Mikrowellen-Plattformen (z. B. Kleinzellen-Basisstationen) gegeben sind.

Bild 1b: Blockschaltbild des Abwärtsmischer-Chips ADMV1014
Bild 1b: Blockschaltbild des Abwärtsmischer-Chips ADMV1014 (Bild: Analog Devices)

Details zum Abwärtsmischer ADMV1014

Der ADMV1014 enthält in seinem LO-Pfad eine Reihe ähnlicher Funktionsabschnitte, wie etwa einen LO-Puffer, einen Frequenz-Vervierfacher, einen programmierbaren Bandpassfilter und einen Quadratur-Phasenschieber. Da er jedoch als Abwärtsmischer konzipiert ist (siehe das Blockschaltbild in Bild 1b), verfügt der ADMV1014 in seinem HF-Frontend über einen LNA, gefolgt von einem VVA und einem Verstärker. Ein durchgehender Verstärkungs-Einstellbereich von 19 dB wird durch eine am VCTRL-Pin angelegte Gleichspannung gesteuert. Der Anwender hat die Option zur Nutzung des ADMV1014 in einem I/Q-Modus als Direktumwandlungs-Demodulator von Mikrowelle auf Basisband-DC. In dieser Betriebsart werden die demodulierten I- und Q-Signale verstärkt und an den jeweiligen differenziellen I- und Q-Ausgängen ausgegeben.

Bild 3: Mit 5 mm x 5 mm geringfügig kleiner ist das Gehäuse des ADMV1014, der hier mit seinem Evaluation Board abgebildet ist.
Bild 3: Mit 5 mm x 5 mm geringfügig kleiner ist das Gehäuse des ADMV1014, der hier mit seinem Evaluation Board abgebildet ist. (Bild: www.tophercox.com)

Die Verstärkung und die DC-Gleichtaktspannung dieser Signale lassen sich mithilfe per SPI programmierbarer Register einstellen, sodass die differenziellen Signale DC-gekoppelt beispielsweise an ein Paar Basisband-ADCs (A/D-Mischer) weitergeleitet werden können. Alternativ lässt sich der ADMV1014 als Image-Reject-Abwärtsmischer an massebezogene I- und Q-ZF-Ports einsetzen. Unabhängig von der gewählten Betriebsart können Phasen- und Amplituden-Unstimmigkeiten zwischen I und Q per SPI korrigiert werden, um die Spiegelfrequenz-Unterdrückung des Abwärtsmischers bei der Demodulation auf Basisband oder ZF zu verbessern. Insgesamt bringt es der Abwärtsmischer auf eine kaskadierte Rauschzahl von 5,5 dB mit einem maximalen Umwandlungsgewinn von 17 dB über einen Frequenzbereich von 24 GHz bis 42 GHz. Auch wenn sich die Betriebsfrequenz dem Rand des Frequenzbandes nähert (bis 44 GHz), beträgt die kaskadierte Rauschzahl immer noch respektable 6 dB.

Performance-Steigerung von 5G-Millimeterwellen-Lösungen

Bild 4: Gemessene EVM-Performance in Prozent RMS als Funktion der Eingangsleistung sowie das zugehörige 256 QAM-Konstellationsdiagramm bei 28 GHz.
Bild 4: Gemessene EVM-Performance in Prozent RMS als Funktion der Eingangsleistung sowie das zugehörige 256 QAM-Konstellationsdiagramm bei 28 GHz. (Bild: Analog Devices)

Bild 4 gibt die gemessene Leistungsfähigkeit des Abwärtsmischers bei 28 GHz wieder, mit einem 5G NR-Signal über vier unabhängige 100-MHz-Kanäle mit 256-QAM (QAM = Quadratur-Amplituden-Modulation, engl. Quadrature amplitude modulation) und bei einer Eingangsleistung von -20 dBm pro Kanal. Der gemessene EVM-Wert beträgt dabei -40 dB (1 % RMS), sodass die Demodulation von Modulationsverfahren höherer Ordnung möglich ist, wie sie von 5G-Millimeterwellen-Anwendungen verlangt wird.

Dank der Eignung der Auf- und Abwärtsmischer für eine Bandbreite von mehr als 1 GHz sowie eines OIP3-Werts (Output Intercept Point3-Wert) von 23 dBm für den Aufwärtsmischer und eines IIP3-Werts von 0 dBm für den Abwärtsmischer ist davon auszugehen, dass die beiden Bauelemente für QAM-Modulationen höherer Ordnung und damit für einen hohen Datendurchsatz geeignet sind.

Von den Bausteinen profitieren können jedoch auch andere Anwendungen wie etwa satelliten- oder bodengestützte Stationen für Breitband-Kommunikationsverbindungen, abgesicherte Funkverbindungen, HF-Prüfausrüstungen und Radarsysteme. Die Linearitäts- und Spiegelfrequenzunterdrückungs-Eigenschaften der beiden Bausteine sind überzeugend und ermöglichen zusammen mit den kleinen Lösungsabmessungen die Realisierung kompakter, höchst leistungsfähiger Mikrowellen-Funkstrecken und Breitband-Basisstationen.