混频器与无源混频器解决方案

以下应用笔记比较了集成RF和无源混频器解决方案的特性。它讨论了两种解决方案的主要功能，并展示了集成解决方案相对于无源解决方案的主要优势。

过去，RF设计人员使用无源下变频混频器来为其高性能接收器设计获得最佳的整体线性度和杂散性能。在这些设计中使用分立式无源混频器时有几个缺点。

无源混频器的插入损耗需要在RF或IF增益级中进行补偿，以确定所需的接收器整体噪声系数性能。对于这些无源混频器，用户在比较性能与集成混频器时，不仅要考虑三阶输入交调截点（IIP3），还要考虑输出三阶交调截点（OIP3）。无源混频器的二阶线性度性能很少能像集成平衡混频器设计那样好，这对于考虑接收器半中频杂散非常重要。由于混频器的线性度性能与LO驱动电平直接相关，因此必须产生相当大的LO注入信号，然后在印刷电路板上路由到无源混频器的LO端口。需要外部RF级来放大这些信号，使整个设计容易受到LO辐射和拾取的影响。最后，无源混频器通常会导致全分立设计，导致成本更高、印刷电路板空间更大，并且由于分立器件间容差而导致更大的性能变化。

集成（或有源）混频器设计正变得越来越流行，因为它们的性能可与无源混频器解决方案相媲美。集成混频器可能由真平衡（吉尔伯特单元）设计或带有IF放大器级的无源混频器组成，从而产生增益而不是损耗。由于集成混频器具有增益，因此不需要外部IF放大器级来弥补使用无源混频器时所需的损耗。对于具有出色噪声系数性能的集成混频器，如Maxim的MAX9993、MAX9981和MAX9982，混频器级前需要的RF增益更少，这意味着接收器的整体线性度性能更好。重申一下，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，因此必须提高混频器的线性度性能，以保持接收器的整体线性度。Maxim的MAX9993、MAX9981和MAX9982混频器包括LO驱动电路。

考虑Maxim的MAX9993高线性度下变频混频器，其功能如图1所示：

图1.MAX9993等效电路

MAX9993在PCS和UMTS频段的标称规格为：

转换增益 = 8.5dB

噪声系数 = 9.5dB

IIP3 = +23.5dBm

OIP3 = +32dBm

IIP2 = +60dBm

OIP2 = +68.5dBm

低LO驱动电平：0至+6dBm

两个开关可选 （SPDT） LO 输入，用于 GSM 应用（对于非开关应用，如 cdma2000®，LO 开关可以是静态的）

图2所示为采用无源混频器、IF放大器和LO放大器的分立解决方案。该图假设使用单端元件，结果为劣质 2德·阶次线性度性能与Maxim集成混频器系列相比。在查看集成RF混频器数据手册时，RF电路设计人员必须考虑无源设计中各个分立级的等效级联响应，以便与Maxim的集成混频器进行公平比较。例如，设计人员不能只看无源混频器的 3RD订单输入截点，但也必须考虑其3RD排序输出交调截点性能和整体级联响应，包括随后的IF放大器级。此外，设计人员必须计算无源混频器解决方案的等效增益和噪声系数，并将结果与集成混频器规格进行比较。

图2.分立混频器/中频放大器

对于每个级，使用以下表示法：

G = 转换功率增益 NF = 噪声系数

IIP3 = 输入 3RD阶次截点

OIP3 = 输出 3RD订单截点

示例：

请参阅图 2。计算获得与MAX9993性能相等的总级联响应所需的IF放大器规格，包括增益、噪声系数和3RD订单截点。假设微型电路® HJK-19MH无源混频器与PCS和UMTS频段中的标称规格一起使用，如下所示：

G1= -7.5dB

NF1= 7.5dB（假设）

IIP31= +29dBm

OIP31= IIP31+ 克1= +21.5分贝

使用MAX9993典型规格作为PCS和UMTS频段的典型系统参数：

Gsys = 整体系统增益 = +8.5dB

NFsys = 整体系统噪声系数 = 9.5dB

IIP3sys = 整体系统输入 3RD阶次交调截点 = +23.5dBm

OIP3sys = 整体系统输出 3RD阶次交调截点 = +32dBm

所需的中频放大器增益：从以下公式确定所需的中频放大器增益：

Gsys = 8.5dB

= G1 + G2 so solving for G2，

G2 = Gsys - G1 = 8.5dB - （-7.5dB）

= 16dB

所需的中频放大器噪声系数：

为了获得9.5dB的级联噪声系数性能，并假设无源混频器噪声系数等于7.5dB，请使用众所周知的级联噪声因数方程确定所需的中频放大器噪声系数，其中噪声系数（以dB为单位）等于10 * log（噪声因数），其中噪声因数为数字。

NFsys = 9.5dB

= 10 * log （System Noise Factor）

= 10 * log （Fsys）

= 10 * log （F1 + （F2 - 1） / G1）

Solve for NF2 using：

NF2 = 10 * log （（Fsys - F1） * G1 + 1）

= 10 * log （（10^（9.5 / 10） - 10^（7.5 / 10）） * （10^（-7.5 / 10）） + 1）

= 10 * log （（8.91 - 5.62） * 0.18 + 1）

= 10 * log （1.59）

= 2dB

所需的中频放大器 3RD阶次拦截性能：

使用级联输入交调截点公式确定中频放大器IIP3要求：

IIP3sys （dBm） = +23.5dBm

= 10 * log （IIP3numeric）

= 10 * log （1 / （1/10^（IIP31 / 10） + 10^（G1 / 10） / 10^（IIP32 / 10）））

解决 IIP3 问题2为了确定所需的 3RD中频放大器级的阶次交调截点：

IIP32（dBm） = 10 * log （10^（G1 / 10） * （1 / 1^（IIP10sys / 3） - 10 / 1^（IIP101/ 10））））

= 10 * log （10^（-7.5/10） * （1 / （1 / 10^（23.5 / 10） - 1 / 10^（29 / 10））））

= 17.5分贝

这个 IIP32值结果为以下 3RD放大器的阶次输出交调截点：

OIP32 （dBm） = OIP32 + G2

= +17.5dBm + 16dB

= +33.5dBm

级联结果：

等效级联参数汇总在下面的图 3 中：

图3.无源混频器和IF放大器值，用于所需的级联响应。

根据计算出的中频放大器规格，不仅很难找到增益为16dB、噪声系数为2dB的中频放大器，而且极好的2德·MAX9993的阶次线性度性能无法利用这种分立方案实现。此外，至少需要一个甚至两个外部LO放大器来产生驱动微型电路HJK-13MH混频器所需的+19dBm LO驱动电平。

结论：

谨慎的接收电路设计人员不应放弃使用集成混频器解决方案的想法，除非首先计算分立式解决方案的等效级联性能并将其与Maxim的集成混频器进行比较。与上面讨论的分立式混频器解决方案相比，使用集成混频器解决方案的优势显而易见。比较这两种解决方案时必须考虑的最重要参数包括转换增益、噪声系数和线性度（主要是2德·和 3RD序）。本应用笔记介绍了计算这些级联参数的正确方法。

审核编辑：郭婷