【導讀】半導體工藝和RF封裝技術的不斷創新完全改變了工程師設計RF、微波和毫米波應用的方式。RF設計人員需要比以往任何時候都更具體、更先進的技術和設計支持。設計技術持續發展，RF和微波器件的性質在不久的未來將大不相同。本文介紹各種類型的混頻器、各自的優缺點，以及在不同市場中應用的演變。本文討論不同混頻器件（主要是混頻器）不斷變化的面貌，以及技術進步如何改變不同市場的需求。
簡介
在RF和微波設計中，混頻是信號鏈最關鍵的部分之一。過去，很多應用都受制于混頻器的性能。混頻器的頻率范圍、轉換損耗和線性度，決定了混頻器能否用于特定應用。頻率高于30 GHz的設計很難實現，此等頻率的器件封裝更是難上加難。大部分時候，簡單的單、雙和三平衡混頻器滿足了一般市場的需求。 但是，隨著企業開發出的應用越來越先進，并希望提高每dB的性能，傳統混頻器便顯得捉襟見肘。當今和未來的市場需要這樣的混頻解決方案：針對各種應用專門定制，性能優化，并且支持基于通用平臺的設計以便重復使用。
根據應用類型和最終市場，如今的設計人員會有非常不同的需求。一般而言，現在大多數設計人員需要寬帶性能、更高線性度、與信號鏈中其他器件更高的集成度，以及更低的功耗。但是，細分市場不同，以上各種需求的優先級也大不相同。
不同種類的混頻器和頻率轉換器
討論混頻器和頻率轉換器在不同市場中的應用之前，了解不同類型混頻器的基本特性會很有用。顧名思義，混頻器將兩個輸入信號混合，產生其頻率之和或頻率之差。利用混頻器產生比輸入信號高的輸出頻率時（兩個頻率相加），稱為上變頻。利用混頻器產生比輸入信號低的輸出頻率時，稱為下變頻。
下一節說明各類常用混頻器的高層次設計和優缺點。
單/雙/三平衡無源混頻器
最常見的混頻器類型是無源混頻器。此類混頻器有不同的設計樣式，如單端、單平衡、雙平衡和三平衡等。使用最廣泛的架構是雙平衡混頻器。這種混頻器很受歡迎，因為其性能出色，實現和架構簡單，性價比高，并能提供多種選項。
無源混頻器通常以簡易性而出名，不需要任何外部直流電源或特殊設置。此類混頻器還有其他為人所稱道的特性，包括寬帶寬性能、良好的動態范圍、低噪聲系數(NF)以及端口間良好的隔離。此類混頻器的設計及其無外部直流電源要求的優勢，使得混頻器輸出端的噪聲系數很低。一個較好的經驗法則是，無 源混頻器的噪聲系數等于其轉換損耗。此類混頻器非常適合有低噪聲系數要求的應用，而有源混頻器無法滿足這一要求。此類混頻器擅長的另一個領域是高頻和寬帶寬設計。從RF一直到毫米波頻率，它們都能提供良好的性能。混頻器的另一個重要特性是不同端口之間的隔離。此特性往往決定了具體應用可使用何種混頻器。三平衡無源混頻器的隔離性能通常最佳，但其架構復雜，而且其他特性（如線性度等）有些不足。雙平衡無源混頻器的端口間隔離性能良好，同時架構較簡單。對大多數應用而言，雙平衡混頻器實現了隔離度、線性度和噪聲系數的最佳組合。
就信號鏈整體而言，線性度（也常用三階交調截點IIP3來衡量）是RF和微波設計的最重要特性之一。無源混頻器通常以高線性度性能而出名。遺憾的是，為了實現最佳性能，無源混頻器需要高LO輸入功率。多數無源混頻器使用二極管或FET晶體管，需要大約13 dBm到20 dBm的LO驅動，這對某些應用情形來 說是相當高的。高LO驅動要求是無源混頻器的最大弱點之一。無源混頻器的另一個弱點是混頻器輸出端的轉換損耗。此類混頻器是無增益模塊的無源元件，故而混頻器輸出端往往有很高的信號損耗。例如，若混頻器的輸入功率為0 dBm，且混頻器有9 dB的轉換損耗，則混頻器輸出將是–9 dBm。總的來說，此 類混頻器非常適合測試測量和軍用市場，稍后將予以討論。
無源混頻器的優勢
- 寬帶寬
- 高動態范圍
- 低噪聲系數
- 高端口間隔離
圖1. I/Q混頻器框圖和鏡像抑制頻域圖
I/Q鏡像抑制(IRM)混頻器
I/Q混頻器是一類無源混頻器。它不但擁有常規無源混頻器的優勢，還具備其他優勢，即不通過任何外部濾波便可消除不需要的鏡像信號。此類混頻器用作下變頻器時也稱為IRM（鏡像抑制混頻器），用作上變頻器時則稱為SSB（單邊帶混頻器）。I/Q混頻器由兩個雙平衡混頻器構成，LO信號一分為二，然后經 過相移而相差90°（一個混頻器為0°，另一個混頻器為90°）。通過此相移，混頻器得以僅產生一個邊帶（需要的）信號，而抑制不需要的信號。
圖2在同一頻譜圖上顯示了I/Q混頻器（紫色線）和雙平衡混頻器（藍色線）的性能。可以看到，I/Q混頻器通過提供45 dB抑制來抑制不需要的低邊帶，而雙平衡混頻器同時產生了高邊帶和 低邊帶。
圖2. HMC773A無源混頻器和HMC8191 I/Q混頻器的頻譜圖，IF輸入為1 GHz，LO輸入為16 GHz.
像雙平衡無源混頻器一樣，I/Q混頻器也需要高LO輸入功率。從架構看，I/Q混頻器采用兩個雙平衡混頻器，因此與兩個雙平衡混頻器相比，所需的LO驅動往往要再多出大約3 dB。I/Q混頻器對精密平衡的相位和幅度輸入匹配很敏感。輸入信號、混合結構、系統板或混頻器本身的任何偏離90°的相移或幅度失衡， 都會直接影響鏡像抑制水平。通過外部校準混頻器以改善性能，可以校正這些誤差的影響。
由于邊帶抑制特性，I/Q混頻器常用于需要消除邊帶但不通過外部濾波的應用，同時它能提供非常好的噪聲系數和線性度。此類市場的常見例子是微波點對點回程通信、測試測量儀器儀表和軍事用途。
I/Q混頻器的優勢
- 固有的鏡像抑制
- 無需昂貴的濾波
- 良好的幅度和相位匹配
- 有源混頻器
另一種常見混頻器是有源混頻器。有源混頻器主要有兩類：單平衡和雙平衡（也稱為吉爾伯特單元）混頻器。有源混頻器的優勢是LO端口和RF輸出端內置增益模塊。此類混頻器會為輸出信號提供一定的轉換增益，并且輸入LO功率要求較低。有源混頻器的典型LO輸入功率是0 dBm左右，遠低于大多數無源混頻器。
有源混頻器常常還集成LO倍頻器，用來將LO頻率倍乘到更高的頻率。此倍頻器對客戶非常有利，無需高LO頻率便可驅動混頻器。有源混頻器通常具有很好的端口間隔離。然而，其缺點是噪聲系數較高，而且多數情況下線性度較低。對輸入直流電源的需求影響了有源混頻器的噪聲系數和線性度。有源混頻器常 用于通信和軍用市場，低LO驅動和集成轉換增益的需求對此類市場可能很重要。在測試測量市場，有源混頻器主要用作IF子部分的第三級或最后一級混頻器，或用于低端儀表（集成化和高性價比設計比噪聲系數更重要）。
有源混頻器的優勢
- 高集成度、小尺寸
- LO驅動要求低
- 集成LO倍頻器
- 良好的隔離，但線性度和噪聲系數不佳
- 集成頻率轉換混頻器
由于客戶需要更完整的信號鏈解決方案，還有一類混頻器變得頗受歡迎，那就是集成頻率轉換器。此類器件由不同功能模塊構成，這些模塊連接在一起形成一個子系統，使得客戶的最終系統設計更簡單。此類器件在同一封裝或芯片中集成不同模塊，例如混頻器、PLL（鎖相環）、VCO（壓控振蕩器）、倍頻 器、增益模塊、檢波器等等。可將此類器件制作成SIP（系統化封裝），即把多個裸片組裝到同一封裝中，或一個裸片包括所有設計模塊。
通過將多個器件集成到一個芯片或封裝中，頻率轉換器可以給設計人員帶來很大好處，比如：尺寸更小、器件更少、設計架構更簡單，更重要的是，產品上市時間更快。
圖3. 集成頻率轉換混頻器HMC6147A的功能框圖
混頻器在不同市場中的應用
了解各類常用混頻器及其優缺點之后，我們便可討論其在不同市場中的應用。
蜂窩基站和中繼器市場
對于蜂窩基站和中繼器市場，成本和集成度是最大的考量因素。隨著全球3G、LTE和TDD-LTE網絡的快速增長，運營商需要開發能在多個采用不同頻段的地區性市場重復利用的RF硬件平臺。在技術上和資金上，各地區性市場的需求是不同的。因此，蜂窩基站所用的混頻器必須能覆蓋多個蜂窩頻段，達到大量部署所要求的低價位水平，并提供更高的集成度以便加快開發和降低成本。所以，寬帶、有源、高集成度混頻器（頻率轉換器）常用于這一市場。
一級、二級和蜂窩基站供應商常常使用ADI公司基于SiGe的BiCMOS混頻器，其集成LO/IF放大器和PLL/VCO。ADRF6655（集成PLL/VCO的0.1 GHz至2.5 GHz寬帶混頻器）、AD8342（LF至3 GHz寬帶有源混頻器）和ADL5811（集成IF和寬帶LO放大器的0.7 GHz至2.8 GHz混頻器）是蜂窩基站和接收機設計常用的混頻器。這些 混頻器混合使用有源和無源混頻器技術，以低成本集成多個RF器件，并提供寬帶性能。
點對點微波回程（通信基礎設施）
通信基礎設施（有線和無線）制造商正在轉向集成度更高的設計，且特別注重高性能，以支持數據吞吐所需的最高調制。為了支持更高的數據速率，回程無線電必須具有非常高的性能。一二十年前，大多數OEM（原始設備制造商）采用平衡混頻器和外差架構，通用混頻器即可很好地滿足多種點到點無線電設計需求。后來，OEM開始采用I/Q（或IRM）混頻器來改善性能并減少濾波電路。如上所述，消除鏡像頻率是I/Q混頻器的固有能力，因此無需進行成本高昂的干擾邊帶濾波。ADI公司提供種類廣泛的I/Q混頻器，可覆蓋所有商用微波頻段。這些混頻器大大簡化了基站設計，并顯著提高了系統性能以支持更高的QAM。
現在，產品上市時間越來越短，對點到點回程性能的要求越來越高，因此OEM開始采用集成度更高的I/Q上變頻器和下變頻器。ADI公司的典型上變頻器（如HMC7911LP5EE和HMC7912LP5E）將I/Q混頻器、2倍有源倍頻器和RF輸出端的驅動放大器集成在同一封裝中。因此，無需再選擇多款匹配器件并優化各器件的性能，設計人員現在可以只選擇一款上變頻器，并把更多時間投入到優化信號鏈的整體性能上。
類似地，ADI公司的I/Q下變頻器（如HMC1113LP5E、HMC977LP4E 和HMC6147ALC5A）將I/Q混頻器、LNA、2倍有源倍頻器和LO放大器集成在同一封裝中。ADI公司的下變頻器提供業界領先的性能，全頻段的鏡像抑制高達40 dBc，噪底低至2.5 dB，適合所有商用微波回程接收機設計。ADI公司是業界唯一提供全系列上 變頻器和下變頻器產品的公司，這些產品支持從6 GHz到42 GHz的所有商用微波頻段。
微波回程無線電市場的性能和集成度競爭非常激烈。幾年前，多數OEM聚焦于某些特定頻段，僅針對這些頻段來研發解決方案。如今，隨著全球無線需求的增長和新頻譜的分配，多數OEM計劃開發支持6 GHz到42 GHz的所有商用微波頻段的無線電。因此，基站設計不再依賴于分立器件或部分集成的器件。新設 計要求采用平臺化方法，以便能將常見器件用于多個頻段。
因此，多數OEM現在期望通過一個通用混頻平臺來覆蓋多個無線電頻段，并獲得最佳性能和規模經濟。ADI公司業界領先的ADRF6780（6 GHz至24 GHz I/Q調制器）便是在這一方向上取得的 一大進步。現在利用單個I/Q調制器或I/Q解調器，OEM便能設計支持6 GHz到24 GHz的九個不同頻段的微波回程無線電。如圖4所示，ADRF6780將I/Q混頻器、可選的LO倍頻器、VVA、對數檢波器和SPI可編程的四通道分離緩沖器集成在同一封裝中。這款器件功能靈活，OEM既可將其用于傳統的外差架構中（IF為0.8 GHz 至3.5 GHz，無需多個器件），也可將其用于直接變頻架構（零中頻架構）中（一個器件支持RF至基帶）。由于集成了LO倍頻器和緩沖器，減少了對高輸入頻率和功率的需要。此器件還具有VVA增益控制功能，需要時可提供恒定的輸出增益。此器件的所有與增益設置、鏡像抑制、校準等有關的功能，都可以通 過SPI總線控制，設計人員在設計中使用起來更簡便。
圖4. 寬帶微波上變頻器ADRF6780功能框圖
圖5顯示了ADRF6780校準后的邊帶抑制性能，并突出反映了即使在寬帶情形下，這款新一代器件也能提供先進的RF性能。
圖5. ADRF6780邊帶抑制和載波饋通調零
新轉換器重新定義了設計人員設計微波基站信號鏈的方法。利用這款轉換器，RF設計人員現在可以把更多時間花在信號鏈性能優化和軟件升級上，而傳統的匹配各器件的方法只能實現系統基本特性。
測試測量儀器儀表和軍用
測試測量(T&M)儀器儀表和軍用市場對寬帶性能一直有著非常獨特的需求。此類市場中的大部分應用（如電子戰、雷達、頻譜分析儀等）是高度定制化的，需要極其出色的信號完整度和精度。這些應用通常還跨越廣泛的頻譜（寬帶要求），需要能夠檢測超低保真度信號（低噪聲系數和高線性度）。ADI公司市 場營銷總監Duncan Bosworth于2015年6月發表了一篇文章“多功能：困境抑或現實？”，詳細討論了軍工客戶的寬帶需求。
寬帶、設計靈活性和高性能的需求，使得測試測量和軍工客戶更喜歡使用能夠個別定制和優化以達到特定設計目標的分立混頻器。如上所述，無源混頻器的線性度和噪聲系數優于集成或有源混頻器。順帶說一句，即便在無源混頻器中，寬帶和最優RF性能（線性度、噪聲系數、雜散等）也像一枚硬幣的兩面。傳統上，半導體公司用帶寬來交換RF性能，或者 相反。結果，軍工和測試測量設計人員并聯使用多個窄帶器件來覆蓋寬頻率范圍。通過這種方法，他們能在各窄帶中提供最佳性能。這樣的解決方案是有效的，但設計極其復雜、昂貴且難以維護。
隨著技術和工藝的進步，ADI等公司現在能夠簡化設計。利用寬帶混頻器，測試測量和軍工客戶可以獲得與窄帶器件相當或更好的性能，而且一個器件就能覆蓋多個頻段。2009以來，ADI公司推出了業界最齊全的無源寬帶混頻器系列，包括單/雙/三平衡混頻器、I/Q混頻器、高IP3和次諧波混頻器。設計人員再也不需要犧牲性能來實現寬帶設計。ADI公司業務開發總監ChandraGupta最近發表了一篇文章“探究寬帶頻率轉換器”，詳細討論了ADI公司如何利用寬帶頻率轉換器簡化測試測量和軍用設計。圖6突出展示了寬帶器件（包括寬帶混頻器）如何簡化測試測 量和軍工應用的整個信號鏈。
圖6. 寬帶器件簡化測試測量和軍工應用的整個信號鏈
雖然其他市場大多已開始轉向集成混頻器以降低成本并簡化設計，但諸如HMC773ALC3B（6 GHz至26 GHz雙平衡混頻器）和HMC1048LC3B（2 GHz至18 GHz雙平衡混頻器）之類的分立混頻器件在測試測量和軍工客戶中仍然占有突出地位。對于頻譜分析儀和信號分析儀等高精度測試測量儀器儀表應用，以及對于先進雷達和電子戰應用，I/Q混頻器開始受到歡迎。這些混頻器無需外部濾波，同時仍有良好的鏡像抑制性能。
過去，業界中的大部分I/Q混頻器受窄帶限制。但現在，隨著ADI公司通過創新不斷突破RF和微波的限制，業界將擁有兩款新型寬帶I/Q混頻器——HMC8191LC4（6 GHz至26 GHz I/Q混頻器）和 HMC8193LC4（2.5 GHz至8.5 GHz I/Q混頻器）。測試測量和軍工客戶可以用這兩款混頻器取代最多八個窄帶I/Q混頻器，同時仍能實現同樣的應用設計目標。設計人員再也不需要放棄性能來換取寬帶性能。
未來幾年，測試測量和軍用市場可能會繼續使用分立式混頻解決方案。然而，隨著便攜式和低功耗需求的增長，我們很快會看到這些應用將逐漸提高集成度并降低功耗。無源混頻器先天具有更高的線性度、更好的噪聲系數和更低的功耗，但集成靈活性有限。有源混頻器具有高集成度，但功耗和噪聲系數不如 人意。我們預期在這個方向上會有更多創新和更先進的研發成果。或許有一天，我們會擁有兩全其美的混頻器——既能提供高線性度和寬帶性能，又有較低的功耗和較小的尺寸。這一天不會太遠。
總結
微波行業不斷取得令工程界驚訝的技術進步。現在對微波混頻器件的需求變得比以往更加多樣化，與特定市場應用的關系更加密切。過去的通用混頻器產品將不再適用不同市場中的新型應用。OEM更多地以平臺和應用為中心來看待其設計。半導體業者必須能夠為每個細分市場提供混頻解決方案。OEM需要開 始與ADI公司等半導體行業的先鋒企業密切合作，以開發混頻解決方案，而不只是混頻器件。
本文來源于ADI。
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