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摘要：为方便4G网络的部署，无线基站正面临着许多严苛的性能挑战，提高基站的MIMO（多输入、多输出）性能成为当前亟需解决的问题之一。本文重点论述了目前在改善无线基站方面的几个热点问题。
关键词：4G；无线基站；MIMO；带宽；占板面积
DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.5.009
引言
高性能无线基站正在经历着根本性的变化，以使高成本4G(第四代)网络的部署更可接受、更有效。同时，随着4G网络的数据传输速率提高到比目前的3G网络高很多倍，性能要求变得越来越苛刻了。设备设计师面临着很多挑战：在射频单元中塞入很多MIMO通道；将射频单元塞进占板面积和体积更小的外壳中；使射频单元易于配置，以支持任何频带或通信标准。
因此，新一代基站的外观与过去相比有可能不同。通常称为RRH(远端射频头)或RRU(远端射频单元)的小型、不受天气影响的密封机箱将取代在发射塔底部的空调房中放置的大型设备支架。这些机箱就像一台台式电脑那么大，设计为安装在发射塔的顶部，要经受风吹雨打。每个机箱都有大量射频电子单元通道，但没有基带调制或解调处理器。而已调制信号通过多条100Gbps光纤电缆或通过点到点微波链路送进、送出。这些信号被发送到可能相距数十公里远的一个基站单元，并一次馈送给多个蜂窝基站。这种类型的基站架构很容易扩展，部署时也有可能更经济。
新一代系统的另一个趋势是能够工作于多个频段(在很多情况下能够执行多模式运作)的无线电设备。此类系统可以容易地利用软件进行配置以适应任何电信运营商的服务要求，而不受工作频段或使用标准的影响。
MIMO接收器提高网络容量
就任何新一代基站而言，最重要的目标当然都是提供更高的数据传输速率，以提高容量。由于智能电话和便携式电脑/平板电脑使用量的激增，今天的网络呈现过载状态。通过使两个或更多的正交接收通道并行工作，MIMO收发器有助实现较高的数据速率。其数据位流被组合起来以增加有效数据速率。
另外，多个通道还有助于减轻无线接收器所遭受的衰落和多径干扰，这些干扰会导致性能下降及数据损失。凌力尔特公司的LTC5569双通道混频器专为提供双通道同时接收而设计(通过配置而使每个混频器的LO由一个公用输入来驱动)，从而保持了两个通道的相位相干性。虽然这同样可以通过采用两个分立的混频器来实现，但是将两个混频器均内置于单颗芯片之中可在器件之间实现一致的和好得多的匹配。这样的一款双通道混频器由于允许与两个物理上分开的天线或接插元件紧密配合，因而可提供更高的信号完整性水平。于是，可实现上佳的空间分集。两个混频器的内部独立LO缓冲器在两个通道之间提供了超卓的隔离，以支持将两个或更多的数据位流级联成单个速率高得多的数据位流。
通过在与其接收相同的方向上对信号进行波束控制，便可在MIMO实现方案中采用一个智能型天线。为此，两个或更多的接收通道必须测量入射信号的角度。这就使得保持两个通道之间的LO相位相干性成为不可或缺。
图1 在2496MHz至2690MHz的MIMO TDD LTE频带上工作的电路实例
更大的带宽使多模式运行得以实现
预计4G无线网络不仅数据传输速率比目前的3G高得多，带宽也宽得多。这就使多模式运行成为可能。无线行业正在将带宽需求从40MHz推进到65MHz，而且在有些情况下，甚至高达75MHz。这对RF工程师而言不是一项简单的任务，因为增益平坦度条件很苛刻。
图1显示了一个采用LTC5569双通道混频器的应用电路，该电路作为上行链路接收器，在2496MHz至2690MHz的LTE TDD频带内工作。请注意，该双通道混频器整体上很简单，仅用了非常少的外部组件。
在这个应用中，要求LTC5569的 IF输出涵盖195MHz至235MHz的频率范围。IF输出为在更高的IF输出频率时实现最佳回程损耗而优化，以改善IF输出频率响应平坦度。所测得的IF输出回程损耗在235MHz时为20dB，195MHz时为14dB。在40MHz IF输出带宽内，这实际上实现了±0.3dB的IF输出频率响应平坦度。
差分I F输出采用1 2 0 n H上拉电感器(Coilcraft公司的0603HP系列，容限为2%)，还采用了一个阻抗比为8:1的IF输出变压器(MiniCircuits公司的TC8-1+)。这样的输出匹配为下一级提供了单端、50Ω输出阻抗。
120nH上拉电感器与LTC5569混频器的IF输出电容(1.3pF差分)以及其他寄生电容并联，在IF输出端形成一个带宽很宽和单极点带通滤波器。每个IF输出引脚从VCC传导28mA的DC电流。总的IF DC电流为56mA，在TC8-1 IF变压器的次级绕组和两个120nH IF输出电感器之间分配。两个上拉电感器和TC8-1变压器的中央抽头之间的节点需要良好的AC地。这个AC地由10nF旁路电容器提供。
LO端口的匹配为2281MHz至2475MHz的低压侧LO注入而优化。
在2496MHz至2690MHz时，在RF输入范围内测得的性能为：
转换增益：1.5dB ±0.3dB
OIP3：+26.0dBm至27.2dBm
在195MHz至235MHz时，在IF输出范围内测得了同样的性能。
在MIMO RRU设计中，尺寸很重要
在日益缩小的机箱中塞进很多接收器通道时，空间资源会很稀少。像LTC5569采用的那种4mm x 4mm QFN封装通常只能含有一个混频器。现在，LTC5569却含有两个混频器，因此使放置密度提高了一倍。每个混频器的RF输入和公共的LO输入都有集成的、内置到该芯片中的平衡-不平衡变压器，以使这些端口不需要外部变压器。值得注意的是，典型的变压器常常占用与器件本身一样大的PC板面积。当采用两个或更多通道(例如：4个通道或8个通道)时，占板面积的增加看似微不足道，实际上其快速增加有可能变得难以处理。
值得注意的是，内置在芯片上的RF平衡-不平衡变压器拥有独特的优势。因为作为半导体工艺的一部分，其金属走线的形状和厚度以及绝缘性都得到了很好的控制，因此这些变压器具有一致的阻抗特性，这是分立式、机械缠绕的变压器无法比拟的。因此，这些变压器以最小的偏差在不同系统间提供了可重复的响应特性。
LTC5569的RF和LO输入端的50Ω阻抗匹配还有助于保持外部匹配要求最低。在1.4GHz到3.3GHz时，RF和LO输入回程损耗高于12dB。在这些端口将只需要DC隔离电容器。因为LTC5569能在低至300MHz的宽频率范围内工作，所以针对700MHz LTE和800MHz GSM频带，它的RF输入可以非常容易地匹配。
此外，LTC5569的2dB高转换增益有助于消除对额外IF增益级的需要。该混频器提供卓越的26.8dBm输入IP3性能(在190MHz IF时)。此外，该混频器具有卓越的阻塞信号处理能力。当RF输入端存在5dBm的带内阻塞信号时，其NF仅略有下降，从11.7dB降至17dB(在1.95GHz RF时)。
低功率使热量管理可控
这么高的混频器性能几乎总是以牺牲功耗性能为代价实现的。LTC5569的性能已经为更低的3.3V电源电压而进行了优化。采用这样的电源电压，每个混频器都以仅90mA的DC电流工作，以实现每通道300mW的卓越功耗。如果考虑该器件提供的宽带性能、线性度和信号增益，那么LTC5569在混频器领域是非常出色的。
以这样的功耗，一个8通道MIMO接收器可以仅消耗2.4W功率。而可替代的每通道1W的混频器组成同样的接收器总共消耗8W功率，可见LTC5569的总功耗低得多。
当在印刷电路板上焊接该双通道混频器时，应该小心，以确保底面裸露的中央焊盘得到完全充分的焊接。这不仅对提供最高效的热量传导很重要，而且对实现最佳的RF信号接地也很有必要。这样能提高RF信噪比性能。LTC5569的封装具有非常低的8℃/ W结点至管壳热阻(ΘJC)。在两个通道都工作(总功耗为600mW)、电路板温度为105℃时，该器件的结温仅为110℃，远低于150℃的绝对最大额定值。
结论
LTC5569双通道混频器在非常宽的带宽范围内提供卓越的性能，同时具有紧凑的占板面积和非常低的功耗。该器件能应对新一代LTE MIMO RRU的高要求带来的挑战。
关键词：4G；无线基站；MIMO；带宽；占板面积
DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.5.009
引言
高性能无线基站正在经历着根本性的变化，以使高成本4G(第四代)网络的部署更可接受、更有效。同时，随着4G网络的数据传输速率提高到比目前的3G网络高很多倍，性能要求变得越来越苛刻了。设备设计师面临着很多挑战：在射频单元中塞入很多MIMO通道；将射频单元塞进占板面积和体积更小的外壳中；使射频单元易于配置，以支持任何频带或通信标准。
因此，新一代基站的外观与过去相比有可能不同。通常称为RRH(远端射频头)或RRU(远端射频单元)的小型、不受天气影响的密封机箱将取代在发射塔底部的空调房中放置的大型设备支架。这些机箱就像一台台式电脑那么大，设计为安装在发射塔的顶部，要经受风吹雨打。每个机箱都有大量射频电子单元通道，但没有基带调制或解调处理器。而已调制信号通过多条100Gbps光纤电缆或通过点到点微波链路送进、送出。这些信号被发送到可能相距数十公里远的一个基站单元，并一次馈送给多个蜂窝基站。这种类型的基站架构很容易扩展，部署时也有可能更经济。
新一代系统的另一个趋势是能够工作于多个频段(在很多情况下能够执行多模式运作)的无线电设备。此类系统可以容易地利用软件进行配置以适应任何电信运营商的服务要求，而不受工作频段或使用标准的影响。
MIMO接收器提高网络容量
就任何新一代基站而言，最重要的目标当然都是提供更高的数据传输速率，以提高容量。由于智能电话和便携式电脑/平板电脑使用量的激增，今天的网络呈现过载状态。通过使两个或更多的正交接收通道并行工作，MIMO收发器有助实现较高的数据速率。其数据位流被组合起来以增加有效数据速率。
另外，多个通道还有助于减轻无线接收器所遭受的衰落和多径干扰，这些干扰会导致性能下降及数据损失。凌力尔特公司的LTC5569双通道混频器专为提供双通道同时接收而设计(通过配置而使每个混频器的LO由一个公用输入来驱动)，从而保持了两个通道的相位相干性。虽然这同样可以通过采用两个分立的混频器来实现，但是将两个混频器均内置于单颗芯片之中可在器件之间实现一致的和好得多的匹配。这样的一款双通道混频器由于允许与两个物理上分开的天线或接插元件紧密配合，因而可提供更高的信号完整性水平。于是，可实现上佳的空间分集。两个混频器的内部独立LO缓冲器在两个通道之间提供了超卓的隔离，以支持将两个或更多的数据位流级联成单个速率高得多的数据位流。
通过在与其接收相同的方向上对信号进行波束控制，便可在MIMO实现方案中采用一个智能型天线。为此，两个或更多的接收通道必须测量入射信号的角度。这就使得保持两个通道之间的LO相位相干性成为不可或缺。
图1 在2496MHz至2690MHz的MIMO TDD LTE频带上工作的电路实例
更大的带宽使多模式运行得以实现
预计4G无线网络不仅数据传输速率比目前的3G高得多，带宽也宽得多。这就使多模式运行成为可能。无线行业正在将带宽需求从40MHz推进到65MHz，而且在有些情况下，甚至高达75MHz。这对RF工程师而言不是一项简单的任务，因为增益平坦度条件很苛刻。
图1显示了一个采用LTC5569双通道混频器的应用电路，该电路作为上行链路接收器，在2496MHz至2690MHz的LTE TDD频带内工作。请注意，该双通道混频器整体上很简单，仅用了非常少的外部组件。
在这个应用中，要求LTC5569的 IF输出涵盖195MHz至235MHz的频率范围。IF输出为在更高的IF输出频率时实现最佳回程损耗而优化，以改善IF输出频率响应平坦度。所测得的IF输出回程损耗在235MHz时为20dB，195MHz时为14dB。在40MHz IF输出带宽内，这实际上实现了±0.3dB的IF输出频率响应平坦度。
差分I F输出采用1 2 0 n H上拉电感器(Coilcraft公司的0603HP系列，容限为2%)，还采用了一个阻抗比为8:1的IF输出变压器(MiniCircuits公司的TC8-1+)。这样的输出匹配为下一级提供了单端、50Ω输出阻抗。
120nH上拉电感器与LTC5569混频器的IF输出电容(1.3pF差分)以及其他寄生电容并联，在IF输出端形成一个带宽很宽和单极点带通滤波器。每个IF输出引脚从VCC传导28mA的DC电流。总的IF DC电流为56mA，在TC8-1 IF变压器的次级绕组和两个120nH IF输出电感器之间分配。两个上拉电感器和TC8-1变压器的中央抽头之间的节点需要良好的AC地。这个AC地由10nF旁路电容器提供。
LO端口的匹配为2281MHz至2475MHz的低压侧LO注入而优化。
在2496MHz至2690MHz时，在RF输入范围内测得的性能为：
转换增益：1.5dB ±0.3dB
OIP3：+26.0dBm至27.2dBm
在195MHz至235MHz时，在IF输出范围内测得了同样的性能。
在MIMO RRU设计中，尺寸很重要
在日益缩小的机箱中塞进很多接收器通道时，空间资源会很稀少。像LTC5569采用的那种4mm x 4mm QFN封装通常只能含有一个混频器。现在，LTC5569却含有两个混频器，因此使放置密度提高了一倍。每个混频器的RF输入和公共的LO输入都有集成的、内置到该芯片中的平衡-不平衡变压器，以使这些端口不需要外部变压器。值得注意的是，典型的变压器常常占用与器件本身一样大的PC板面积。当采用两个或更多通道(例如：4个通道或8个通道)时，占板面积的增加看似微不足道，实际上其快速增加有可能变得难以处理。
值得注意的是，内置在芯片上的RF平衡-不平衡变压器拥有独特的优势。因为作为半导体工艺的一部分，其金属走线的形状和厚度以及绝缘性都得到了很好的控制，因此这些变压器具有一致的阻抗特性，这是分立式、机械缠绕的变压器无法比拟的。因此，这些变压器以最小的偏差在不同系统间提供了可重复的响应特性。
LTC5569的RF和LO输入端的50Ω阻抗匹配还有助于保持外部匹配要求最低。在1.4GHz到3.3GHz时，RF和LO输入回程损耗高于12dB。在这些端口将只需要DC隔离电容器。因为LTC5569能在低至300MHz的宽频率范围内工作，所以针对700MHz LTE和800MHz GSM频带，它的RF输入可以非常容易地匹配。
此外，LTC5569的2dB高转换增益有助于消除对额外IF增益级的需要。该混频器提供卓越的26.8dBm输入IP3性能(在190MHz IF时)。此外，该混频器具有卓越的阻塞信号处理能力。当RF输入端存在5dBm的带内阻塞信号时，其NF仅略有下降，从11.7dB降至17dB(在1.95GHz RF时)。
低功率使热量管理可控
这么高的混频器性能几乎总是以牺牲功耗性能为代价实现的。LTC5569的性能已经为更低的3.3V电源电压而进行了优化。采用这样的电源电压，每个混频器都以仅90mA的DC电流工作，以实现每通道300mW的卓越功耗。如果考虑该器件提供的宽带性能、线性度和信号增益，那么LTC5569在混频器领域是非常出色的。
以这样的功耗，一个8通道MIMO接收器可以仅消耗2.4W功率。而可替代的每通道1W的混频器组成同样的接收器总共消耗8W功率，可见LTC5569的总功耗低得多。
当在印刷电路板上焊接该双通道混频器时，应该小心，以确保底面裸露的中央焊盘得到完全充分的焊接。这不仅对提供最高效的热量传导很重要，而且对实现最佳的RF信号接地也很有必要。这样能提高RF信噪比性能。LTC5569的封装具有非常低的8℃/ W结点至管壳热阻(ΘJC)。在两个通道都工作(总功耗为600mW)、电路板温度为105℃时，该器件的结温仅为110℃，远低于150℃的绝对最大额定值。
结论
LTC5569双通道混频器在非常宽的带宽范围内提供卓越的性能，同时具有紧凑的占板面积和非常低的功耗。该器件能应对新一代LTE MIMO RRU的高要求带来的挑战。