近日市面上推出高度整合式微波增頻變頻器與降頻變頻器晶片，能在極寬頻率範圍內工作，在50歐姆電阻下能支援24GHz至44GHz的頻率範圍，以及支援超過1GHz的瞬間頻寬，並透過各項效能屬性來簡化小型5G毫米波(mmWave)平台的設計與實作。這類平台除了能在後傳(Backhaul)與前傳(Fronthaul)網路中用來轉換常見的28GHz與39GHz頻段，還能用在許多其他超寬頻寬發送器與接收器應用上。
新型的增頻變頻器以及降頻變頻器晶片都是高度整合元件(如圖1所示)，內含特定方位同相(In phase) (I)以及正交相位(Q)混頻器，其晶片內建的正交相位位移器可針對直接轉換與基頻(工作範圍從直流到6GHz)，或是和中頻(IF)之間來回轉換等工作模式調整組態，工作頻率範圍從800MHz覆蓋到6GHz。增頻變頻器RF輸出方面由晶片內建的發送驅動放大器，配合一個可變電壓衰減器(VVA)執行，而降頻變頻器的RF輸入端則包含一個低雜訊放大器(LNA)配合一個VVA在增益階段執行。兩款晶片的本地振盪器(LO)鏈包含一個整合LO緩衝器、一個四倍頻器、以及一個可編程帶通濾波器。其中大多數的可編程以及校正功能都由系統透過一個SPI介面進行控制，用戶可輕易透過軟體來設定許多效能參數。
圖1 (a) 增頻變頻器晶片模塊圖表 (b)降頻變頻器晶片模塊圖表
增頻變頻器內部結構
部分市面上新推出的增頻變頻器，會提供兩種頻率轉換模式(如ADMV101)。其中一種模式是從基頻I與Q增頻轉換到RF。在這種I/Q模式下，基頻I與Q的差動輸入能接受從dc直流訊號直接轉換至6GHz，例如像從一對高速傳輸數位至類比轉換器(DAC)產生的訊號。這些輸入端的可調整共模(Common-mode)範圍從0伏特到2.6伏；因此它們能因應大多數DAC的介面需求。因此當選用一個有特定共模電壓的DAC時，用戶可輕易設定增頻變頻器的暫存器，針對VCM電壓匹配最適合的偏壓，藉以簡化介面的設計。
另一種模式為單邊頻增頻變頻，從各種複雜中頻輸入轉換至RF，像是由正交數位轉換器元件產生的訊號。但直接轉換無線電設計面臨著另一項更困難的挑戰，就是I與Q相位不平衡，進而導致邊頻抑制成效不佳。另一項導致直接轉換更為困難的因素是選用的邊頻過於靠近微波載波，導致無法進行濾波。而新推出的增頻變頻器解決這項問題，讓使用者透過暫存器調校的方法，針對I與Q相位不平衡進行數位校正。在正常工作下，增頻變頻器的未校正邊頻抑制能力為26dBc。在使用晶片內建暫存器時，經過校正後其邊頻抑制力提高到36dBc。兩種校正功能都透過SPI介面啟用，無須額外增加電路。若要獲得額外的抑制力，可進一步調整I與Q DAC在邊頻中 I/Q模式的相位平衡。這些效能強化功能不僅減少外部濾波元件，還改進微波頻率下的無線電效能。
由於LO緩衝器已經整合，所需的元件只有0 dBm驅動器。因此元件可直接從合成器直接驅動，配合整合式電壓控制振震器(VCO)元件，進一步減少外部元件數量。晶片內建四倍增頻器將LO頻率提高到所要的載波頻率，然後透過一個可程式化帶通濾波器，減少不想要的倍頻諧波，然後再饋送到混頻器的正交相位產生器階段。這樣的配置能大幅減少注入到混頻器的寄生雜訊，讓元件能利用低成本/低頻率的外部合成器/VCO執行工作。經調變後的RF輸出訊號之後透過一對放大器階段與一個VVA進行放大。增益控制機制讓使用者能調整35dB範圍，而最大疊接轉換增益為23dB。
降頻變頻器內部結構
降頻變頻器通常內含一些類似元件，像是LO緩衝器、四倍增頻器、可程式化帶通濾波器、以及其LO通道上的正交相位位移器。然而由於設計成降頻轉換元件(如圖1b模塊圖表所示)，新推出的降頻變頻器在RF前端部分有一個LNA，之後接著一個VVA以及一個放大器。接續的19 dB增益調整範圍則由一個dc電壓導至VCTRL針腳加以控制。使用者可選擇在I/Q模式使用這類的降頻變頻器，作為微波到基頻dc的直接轉換解調變器。在這種模式中，解調變後的I與Q訊號會在相對應的I與Q差動輸出端進行放大。其增益以及dc共模電壓可透過SPI介面用暫存器來加以設定，藉此讓差動訊號與dc耦合 - 舉例來說，與一對基頻類比至數位轉換器(ADC)耦合。
另外，市面上新推出的降頻變頻器，如ADMV1014也可當成映像拒斥降頻變頻器，連結到單端式I與Q中頻埠。在兩種模式中，I與Q相位以及振幅的不平衡問題，都可透過SPI介面進行校正，藉此改善在解調變至基頻或IF時降頻變頻器映像拒斥的效能。整體而言，降頻變頻器的總疊接雜訊為5.5 dB，最大轉換增益為17 dB，頻率範圍為24 GHz到42GHz。藉著工作頻率逐漸靠近頻帶邊界，接近到44 GHz，疊接NF仍保持在6 dB。
提升5G mmW無線電效能
圖2顯示降頻變頻器在28GHz頻率下量測到的效能，量測時採用一個5G NR波形，在4個100MHz獨立頻道中，每個頻道有–20 dBm的輸入功率，進行256 QAM調變。最後量測到EVM為–40 dB(1% rms)，如此即用毫米波5G要求的更高階調變法進行解調變。
圖2 以rms百分比對照輸入功率以及28GHz頻率下256 QAM星座圖來衡量EVM效能
憑藉增頻與降頻轉換器超過1GHz的頻寬，加上增頻變頻器的23 dBm OIP3以及降頻變頻器的0dBm IIP3，這樣的組合可望支援各種高階QAM調變-進而達到高資料吞吐量。此外，這類元件還能受益於各種應用，像是衛星與地面接收站的寬頻通訊鏈路、安全通訊無線電、RF測試設備以及雷達系統等。其優異的線性度以及映像拒斥效能極具吸引力，再加上小巧的解決方案尺吋、微型化、高效能微波鏈路等特色，讓用戶可開發各種寬頻基地台產品。
(本文作者皆任職於ADI)