Новые широкополосные интегрированные преобразователи Analog Devices для СВЧ-радиосистем

Analog Devices выпустила две высокоинтегрированные микросхемы преобразователей с повышением и понижением частоты ADMV1013 и ADMV1014 соответственно. Эти микросхемы работают в очень широком частотном диапазоне 24–44 ГГц с согласованием на 50 Ом и могут поддерживать полосу пропускания более 1 ГГц. Характеристики ADMV1013 и ADMV1014 упрощают проектирование и реализацию небольших 5G-станций, которые охватывают популярные полосы частот 28 и 39 ГГц, используемые в ретрансляторах и оборудовании прямой трансляции, а также во многих других передатчиках и приемниках со сверхширокой полосой частот.

Каждая микросхема преобразования с повышением или понижением частоты характеризуется высокой степенью интеграции (рис. 1) и содержит квадратурный смеситель со встроенным квадратурным фазовращателем, конфигурируемым для прямого преобразования в/из несущей частоты (0–6 ГГц) или в/из промежуточной частоты (ПЧ) 800 МГц — 6 ГГц. ВЧ-выход преобразователя с повышением частоты имеет встроенный усилитель-драйвер тракта передачи с аттенюатором, управляемым напряжением (АУН), а ВЧ-вход преобразователя с понижением частоты содержит малошумящий усилитель (LNA) и каскад усиления с АУН. Цепь гетеродина обеих микросхем состоит из встроенного буфера гетеродина, умножителя частоты на 4 и программируемого полосового фильтра. Управление большинством функций программирования и калибровки осуществляется через интерфейс SPI, что делает эти микросхемы легко настраиваемыми программным способом, благодаря чему значительно повышается удобство их использования.

Рис. 1.
Слева — блок-схема микросхемы преобразователя с повышением частоты ADMV1013;
Справа — блок-схема микросхемы преобразователя с понижением частоты ADMV1014

Подробное рассмотрение преобразователя с повышением частоты ADMV1013

ADMV1013 имеет два режима преобразования частоты. Один из режимов — это прямое преобразование с повышением частоты квадратурных составляющих сигналов синфазной (I) и квадратурной (Q) до несущей частоты. В этом I/Q-режиме дифференциальные входы I и Q могут работать с сигналами с частотой 0–6 ГГц, например генерируемыми двумя высокоскоростными цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП). Эти входы имеют настраиваемый диапазон синфазного напряжения 0–2,6 В, в связи с чем могут легко сопрягаться с большинством ЦАП. Поэтому при выборе ЦАП с определенным синфазным напряжением регистры преобразователя с повышением частоты могут быть легко настроены так, чтобы обеспечивалось соответствие оптимальному смещению для этого синфазного напряжения, благодаря чему упрощается сопряжение компонентов. Другим режимом является однополосное преобразование с повышением частоты в область ВЧ из области комплексных сигналов ПЧ, таких как сигналы, генерируемые квадратурным цифровым устройством преобразования с повышением частоты. Уникальной особенностью ADMV1013 является его способность обеспечивать цифровую коррекцию ошибки смещения смесителей I- и Q-составляющих в I/Q-режиме, благодаря чему минимизируется утечка от гетеродина в выходной канал ВЧ. Утечка гетеродина после калибровки может составлять до –45 дБм на выходе ВЧ при максимальном усилении. Еще более сложной задачей, которая затрудняет разработку радиоустройства с преобразователем с повышением частоты, является дисбаланс фаз I- и Q-составляющих, что ухудшает подавление боковой полосы. Дополнительная сложность, связанная с преобразованием с повышением частоты, заключается в том, что боковая полоса обычно находится слишком близко к несущей СВЧ-диапазона, из-за чего применение фильтров становится непрактичным. ADMV1013 решает эту задачу за счет того, что позволяет пользователю выполнять цифровую коррекцию дисбаланса фаз I- и Q-составляющих посредством настройки регистра. При работе в штатном режиме преобразователь с повышением частоты демонстрирует подавление боковой полосы 26 дБн до калибровки. После калибровки с помощью встроенных регистров подавление боковой полосы может быть улучшено до 36 дБн. Управление обеими функциями коррекции осуществляется через интерфейс SPI и не требует дополнительных схем. Также можно осуществить дополнительное подавление путем выполняемой в I/Q-режиме дополнительной регулировки баланса фаз I- и Q-составляющих на выходе ЦАП в основной полосе. Эти функции позволяют упростить структуру внешних фильтров и повысить высокочастотные характеристики в СВЧ-диапазоне.

Благодаря встроенному буферу гетеродина уровень входного сигнала может составлять 0 дБм. За счет этого данное устройство можно непосредственно подключать к синтезатору со встроенным генератором, управляемым напряжением (ГУН), такому как ADF4372 или ADF5610, при этом количество внешних компонентов может быть значительно сокращено. Встроенный умножитель преобразует частоту гетеродина на желаемую несущую частоту и пропускает через программируемый полосовой фильтр для уменьшения нежелательных гармоник умножителя перед подачей на относящийся к смесителю каскад квадратурного фазового генератора. Такая конфигурация значительно уменьшает внесение паразитных помех в частотные смесители, обеспечивая при этом надежную работу компонента с внешним недорогим низкочастотным синтезатором/ГУН. Модулированный выходной ВЧ-сигнал затем усиливается, проходя через два усилительных каскада со стоящим между ними аттенюатором, управляемым напряжением. Функция регулировки усиления обеспечивает диапазон регулировки 35 дБ с максимальным межкаскадным усилением преобразования 23 дБ. ADMV1013 имеет 40-выводной корпус LGA (рис. 2). Сочетание всех этих функций позволяет достичь высоких характеристик, максимальной универсальности и легкости в использовании, при этом для работы данного устройства требуется минимальный набор компонентов. Таким образом, на основе этого устройства можно реализовать компактные СВЧ-платформы, в том числе базовые станции небольшой мощности.

Рис. 2. Оценочная плата на основе ADMV1013 в корпусе для поверхностного монтажа размером 6×6 мм

Подробное рассмотрение преобразователя с понижением частоты ADMV1014

ADMV1014 (рис. 3) также имеет некоторые элементы, присутствующие в ADMV1013, — например, буфер гетеродина, частотный умножитель, программируемый полосовой фильтр и квадратурный фазовращатель в своем тракте гетеродина. Тем не менее, поскольку это устройство представляет собой преобразователь с понижением частоты (блок-схема — рис. 1 справа), то в состав его высокочастотного входного интерфейса входит МШУ, за которым следуют аттенюатор, управляемый напряжением, и усилитель. Полный диапазон регулировки усиления 19 дБ управляется с помощью напряжения постоянного тока, подаваемого на вывод VCTRL. Пользователи могут использовать ADMV1014 в I/Q-режиме в качестве демодулятора прямого преобразования из СВЧ-диапазона в диапазон основной полосы частот. В этом режиме демодулированные I- и Q-сигналы усиливаются на соответствующих дифференциальных выходах I- и Q-составляющих. Их усиление и максимальное синфазное напряжение могут быть установлены путем записи определенных значений в регистры через интерфейс SPI, что позволяет связывать по постоянному току дифференциальные сигналы, например, с парой аналого-цифровых преобразователей основной полосы частот. Кроме того, ADMV1014 можно использовать в качестве преобразователя с понижением частоты, подавляющего помехи по зеркальному каналу, для синфазных ПЧ-портов I и Q. В любом режиме дисбаланс фаз и амплитуд I- и Q-составляющих может быть скорректирован с помощью интерфейса SPI, тем самым улучшив у преобразователя с понижением частоты характеристики подавления помех по зеркальному каналу, поскольку он демодулирует в основную полосу или ПЧ. Этот преобразователь с понижением частоты имеет коэффициент шума всех каскадов 5,5 дБ, а максимальное усиление преобразования составляет 17 дБ в диапазоне частот 24–42 ГГц. При приближении рабочей частоты к границе полосы частот до 44 ГГц коэффициент шума всех каскадов будет все еще составлять 6 дБ.

Рис. 3. Оценочная плата на основе ADMV1014 в корпусе для поверхностного монтажа размером 5×5 мм

Улучшение характеристик 5G-радиосистем миллиметрового диапазона

На рис. 4 показаны измеренные характеристики преобразователя с понижением частоты при работе на частоте 28 ГГц с использованием сигналов 5G NR на четырех независимых каналах полосой 100 МГц, модулированных посредством квадратурной амплитудной модуляции 256 QAM при входной мощности –20 дБм на канал. Полученная величина вектора ошибки составила –40 дБ (1% среднеквадратического значения), что позволяет демодулировать схемы модуляции более высокого порядка, которые требуются для 5G-радиосистем миллиметрового диапазона. Благодаря ширине полосы пропускания этих преобразователей, составляющей более 1 ГГц, а также точке пересечения интермодуляции третьего порядка по выходу, равной для преобразователя с повышением частоты 23 дБм и для преобразователя с понижением частоты 0 дБм, можно ожидать, что данная комбинация будет поддерживать квадратурные амплитудные модуляции высокого порядка и, следовательно, более высокую пропускную способность при передаче данных. Данные устройства могут быть полезны и в других областях применения, например в широкополосных линиях связи для спутников и наземных станций, защищенных радиостанциях, высокочастотном контрольно-измерительном оборудовании и радиолокационных системах. Эти преобразователи обладают лучшими характеристиками подавления помех по зеркальному каналу и превосходной линейностью среди подобных устройств, а учитывая компактные размеры и высококачественные СВЧ-каналы, можно утверждать, что эти преобразователи могут стать отличным вариантом для создания на их основе широкополосных базовых станций.

Рис. 4. Полученная величина вектора ошибки в среднеквадратическом процентном отношении к входной мощности и соответствующая диаграмма созвездия модуляции 256 QAM на частоте 28 ГГц