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HF-Praxis 11/2012

Design MIMO-Empfänger

Design MIMO-Empfänger benötigen sehr leistungsstarke, passive Zweifach-Mischer Einführung Bill Beckwith Senior RFIC Design Engineer Xudong Wang Senior RFIC Design Engineer Tom Schiltz, Senior RFIC Design Engineer Linear Technology Corporation Bild 1: Blockdiagramm eines Zweikanal-Mischers Die MIMO-Technik (multiple input, multiple output) wird zunehmend in Systemen mit hoher Datenrate eingesetzt, wie Wi-Fi und drahtlosen 3G/4G- Kommunikationstechniken. Die höheren Datenraten von MIMO-Systemen ergeben eine höhere Systemkomplexität und einen verbesserten Wirkungsgrad. Um die Systemkomplexität und die Ausmaße zu reduzieren benötigen MIMO-Empfänger integrierte Schaltungen (ICs), die mehrere Kanäle handhaben können. Um diese Anforderung zu erfüllen deckt die passive abwärts wandelnde Zweifach- Mischerfamilie LTC559x den Frequenzbereich von 600 MHz bis 4,5 GHz ab. Diese Mischerfamilie besteht aus den Mitgliedern LTC5590, LTC5591, LTC5592 und LTC5593. Die Frequenzabdeckung und die typische 3,3-V-Leistung jedes dieser Familienmitglieder ist in Tabelle 1 aufgelistet. Diese Mischer bieten eine hohe Wandlungsverstärkung, eine kleine Rauschzahl (NF) und gute Linearität bei einer geringen DC- Leistungsaufnahme. Die Mischverstärkung beträgt 8 dB bei einem IIP3 von 26 dBm, einer Rauschzahl von 10 dB und 1,3 W Leistungsaufnahme. Die Zweifach-Hochleistungsmischer der LTC559x-Familie eignen sich ideal für MIMO-Empfänger in der drahtlosen Kommunikationsinfrastruktur. Die Zweikanal-Bausteine reduzieren die Anzahl benötigter Bauteile, vereinfachen das Routen der LO- Signale und verringern die Leiterplattenfläche. Zusätzlich enthält jeder LTC559x integrierte HF- und LO-Symmetrieschaltungen (baluns), Doppelbalance- Mischer, LO-Bufferverstärker und differenzielle ZF-Verstärker, was die Ausmaße, Komplexität und Kosten der gesamten Lösung weiter verringert. Bauteil HF-Bereich (GHz) LO-Bereich (GHz) Beschreibung der Mischer Das vereinfachte Blockdiagramm in Bild 1 zeigt die Topologie der Zweifach-Mischer, die passive Doppelbalance-Mischerkerne verwenden, um die ZF- Ausgangsverstärker zu treiben. Die Mischer sind geschaltete Vierfach-MOSFETs, die üblicherweise rund 7 dB Wandlungsverlust aufweisen. In diesem Fall wird dieser Verlust jedoch durch die Verstärkung des nachfolgenden ZF-Verstärkers mehr als nur kompensiert, was in einem Gewinn von insgesamt 8 dB resultiert. Der differenzielle ZF- Ausgang wurde für Lasten von 200 Ohm optimiert. Verstärkung (dB) IIP3 (dBm) NF (dB) LTC5590 0,6 – 1,7 0,7 – 1,5 8,7 26,0 9,7 LTC5591 1,3 – 2,3 1,4 – 2,1 8,5 26,2 9,9 LTC5592 1,6 – 2,7 1,7 – 2,5 8,3 27,3 9,8 LTC5593 2,3 – 4,5 2,1 – 4,2 8,5 27,7 9,5 Tabelle 1: Die Frequenzabdeckung und die 3,3-V-Leistungsdaten Der LO-Pfad verwendet eine gemeinsame Symmetrierschaltung, um den unsymmetrischen Eingang auf einen differenziellen LO umzusetzen und treibt dann unabhängige Bufferverstärker für jeden Kanal. Um ein unerwünschtes Load-Pulling des VCO zu vermeiden, wird ein guter Abgleich der LO-Impedanz in allen Betriebs-Modi beibehalten. Bild 2 zeigt als Beispiel den Reflexionsverlust des LO-Eingangs des LTC5591 bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Diese Eigenschaft eliminiert die Notwendigkeit, eine externe LO-Bufferstufe einsetzen zu müssen. Traditionelle Basisstationen stellen eine klimatisierte Umgebung bereit und erfordern, dass die Komponenten bei Temperaturen bis zu 85 °C einwandfrei arbeiten. Kleinere Zellen und Remote-Radio-Heads (RRH) sind eine rauere Umgebung für die Komponenten und erfordern einen problemlosen Betrieb bis zu Temperaturen von + 105 °C. Die LTC559x-Mischer wurden für diesen Temperaturbereich entwickelt und sind bei 105 °C getestet, um dieser Anforderung zu genügen. Um die Ausmaße der Lösung zu minimieren, sind die LTC559x- Mischer in ein kleines QFN- Gehäuse mit 5 mm x 5 mm Kantenlänge und 24 Anschlüssen eingebaut. Diese kleinen Gehäusemaße sind jedoch nur ein Teil der verkleinerten Ausmaße der Gesamtlösung. Der hohe Integationsgrad reduziert die Anzahl nötiger externer Komponenten weiter auf rund 19, was Leiterplattenfläche, Komplexität und Kosten weiter verringert. Empfänger-Applikation Das Funktionsdiagramm eines LTC59x-Mischers in einer Zweikanal-Konfiguration ist in Bild 3 dargestellt. Unsymmetrische HF-Signale werden verstärkt und gefiltert, bevor sie an die Mischereingänge gelegt werden. In diesem Beispiel sind differenzielle ZF-Signalpfade dargestellt, was die Notwendigkeit eliminiert, eine ZF-Symmetrieschaltung einsetzen zu müssen. Das OFW- Filter (Oberflächenwellenfilter), ZF-Verstärker und der mit diskreten Elementen aufgebaute Bandpassfilter sind alle differenziell ausgeführt. 40 hf-praxis 11/2012

Design Bild 2: LO-Reflexionsdämpfung des LTC5591 bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen OFW-Filter mit hoher Empfindlichkeit werden in vielen MIMO-Empfängern verwendet, um unerwünschte Signale (spurs) und Rauschen am Mischerausgang abzublocken. Die 8 dB Wandlungsverstärkung der Mischer kompensiert die hohe Einfügedämpfung dieser Filter und reduziert ihren Einfluss auf das Grundrauschen des Systems. Die Gesamtleistung der Mischer erlaubt es, den Filterverlust auszugleichen und damit dem Empfänger die Anforderungen an die Empfindlichkeit und Störeinflüsse zu erfüllen. Eine weitere wichtige Spezifikation für Mehrkanal-Empfänger ist die Trennung zwischen den Kanälen. Die Kanal-zu-Kanal- Entkopplung ist der ZF-Pegel am ungetriebenen Kanalausgang relativ zum ZF-Pegel am getriebenen Ausgang des Kanals. Dieser Parameter wird üblicherweise mit besser als 10 dB als die Antenne-zu-Antenne-Entkopplung spezifiziert, um eine abnehmende Systemleistung zu verhindern. Basierend auf ihrem präzisen IC-Design erzielen die LTC559x-Mischer über 45 dB an Kanal-zu-Kanal-Entkopplung, was den meisten Anforderungen von mehrkanaligen Anwendungen genügt. Leistungsaufnahme und Ausmaße der Lösung Mit den Fortschritten bei den Mehrband-/Multimode-Topologien von Basisstationen und hf-praxis 11/2012 einer verfeinerten Systemdefinition von 4G-Kommunikationsnetzen, entwickeln sich die Systeme in der drahtlosen Kommunikationsinfrastruktur zu Plattformkonfigurationen, welche die Implementierung von unterschiedlichen Bändern oder Modi mit nur minimalen Änderungen in der Hard- und Software erlauben. Die LTC559x- Mischer haben all das gleiche Pinout, wodurch sie einfach auf dem gleichen Leiterplattenlayout für alle Bänder eingesetzt werden können. Das anhaltende Wachstum der drahtlosen Kommunikation hat auch den Einsatz von kleineren Zellen wie Picozellen und Femtozellen gefördert. Der Bedarf nach mehreren und kleineren Zellen plus der steigende Einsatz von Remote-Radio-Heads hat zusätzliche Einschränkungen für die Systeme für die Kommunikationsinfrastruktur gebracht, was eine höhere Integrationsdichte und kleinere Ausmaße der Lösung erfordert. Da die Anzahl der Zellen ansteigt, wird auch der Leistungsverbrauch zunehmend wichtig, da die Energiekosten proportional ansteigen. In Remote-Radio-Heads ist der thermische Stress auf der anderen Seite ein großes Problem auf Grund der Notwendigkeit des passiven Kühlens. Eine einfache Verkleinerung der Ausmaße ist nicht ausreichend, da reduzierte Ausmaße der Systeme in höheren Leistungsdichten, höheren Sperrschichttemperaturen und potenziell verminderter Zuverlässigkeit der Komponenten resultieren. Deshalb ist es nötig, gleichzeitig den Leistungsbedarf des Systems und seine Ausmaße zu reduzieren. Dieses Ziel ist anspruchsvoll, da die HF-Leistung davon nicht beeinflusst werden darf. In der Vergangenheit hätte die Kombination von zwei unabhängigen Mischern auf einem Chip in einer Verlustleistung von 2 W resultiert. Um diese Leistungsaufnahme zu reduzieren, sind die LTC559x-Mischer für einen Betrieb mit 3,3 V Versorgungs- Bild 3: Der passive Zweifach-Mischer LTC559x in einer Empfängeranwendung spannung anstatt 5 V ausgelegt. Diese Niederspannungs-Schaltungsdesigntechnik vermindert den Leistungsbedarf, ohne die Wandlungsverstärkung, IIP3 oder die Rauschzahl zu beeinflussen. Der einzige Parameter, der von der kleineren Versorgungsspannung beeinflusst wird, ist die P1db-Leistung, die ungefähr 11 dBm beträgt. Die P1db-Leistung ist ausgangsbegrenzt durch den Spannungshub am offenen Kollektor des ZF- Verstärkers, wenn die 200 Ohm Lastimpedanz getrieben werden. In Anwendungen in denen eine höhere P1db-Leistung nötig ist, sind die Mischer extra so ausgelegt, dass sie den Einsatz einer 5-V-Versorgung am ZF-Verstärker erlauben. Die größere Spannung erhöht die P1db-Leistung auf über 14 dBm. Wie Tabelle 1 zeigt, erzielen die Zweifach-Mischer eine exzellente Leistungsfähigkeit und verbrauchen dabei nur 1,3 W Leistung, wenn beide Kanäle aktiv sind. Um zusätzlich den Leistungsbedarf zu senken, kann jeder Kanal unabhängig vom anderen - bei Bedarf - abgeschaltet werden, indem man die unabhängige Aktivierungssteuerung benutzt. In Fällen, in denen eine reduzierte Linearität akzeptierbar ist, erlaubt es der ISEL-Pin den Anwendern auf einen Niederstrommodus umzuschalten und die DC-Leistungsaufnahme weiter zu senken. Zusammenfassung Die passiven Zweifach-Mischer der LTC559x-Familie bieten die hohe Leistungsfähigkeit, die benötigt wird die anspruchsvollen Anforderungen an die mehrkanaligen Empfänger in der heutigen Kommunikationsinfrastruktur zu erfüllen. Die Kombination der Mischer aus hoher Wandlungsverstärkung, geringer Rauschzahl und hoher Linearität verbessert die Leistungsfähigkeit des Systems insgesamt, wobei die geringe Verlustleitung und die kleinen Ausmaße der Lösung die strengen Anforderungen an die heutigen kleineren Basisstationen und Remote-Radio- Heads erfüllen. 41

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