混频元件市场正改变 需求随技术进步而变

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半导体制程的持续创新以及射频（RF）封装技术的进展，彻底改变了工程师在设计RF、微波和毫米波（mmWave）应用时的设计方式。RF设计人员所需的技术和设计支援，比起以往将更具体且先进。随着设计技术持续发展，RF和微波元件的本质在不久的未来将会有很大的不同。本文将介绍不同类型的混频器、其优缺点以及在不同市场中所衍生的应用。此外，还将讨论不同混频元件如何改变产业样貌，以及技术进步如何改变不同市场领域的需求。
对于RF和微波设计而言，混频是讯号链中最关键的部份。在过去，许多应用都会受到混频器性能的限制。混频器的频率范围、转换损耗和线性度，定义了该混频器是否可用于某一特定应用。30GHz以上频率的设计固然困难，此类元件的封装更不容易。一般来说，简单的单组型、双组型以及三组型平衡混频器已足以因应通用市场需求。
但是，随着厂商开发出更先进的应用，并希望提高性能的每一dB值时，传统混频器就无法满足需求。现今以及未来在市场上所需要的混频解决方案，必须是专用于每种个别的应用、性能经最佳化，而且支援可被重覆使用的通用平台设计。
取决于应用和终端市场的类型，当今设计人员的需求有非常不同的变化。一般情况下，目前大多数的设计人员希望具有：宽频性能、提高线性度，以及与讯号链中的其他元件实现较高的整合度与较低功耗。但根据目前的市场区隔，对于这些要求的优先顺序也有很大的差异。
混频器与频率转换器
在讨论混频器和频率转换器应用于不同市场之前，先了解不同混频器类型的基本特征是很有帮助的。顾名思义，混频器混合了两种输入讯号，以产生该频率的和或差。当混频器用于产生较输入讯号更高的输出频率时（藉由将两个频率相加），就是所谓的升频转换（upconversion）。而当混频器用于产生较输入讯号更低的输出频率时（藉由将两个频率相减），则是所谓的降频转换（downconversion）。
本文将针对一些广为被采用的混频器说明其上层设计及其优缺点。
单组型、双组型以及三组型平衡式被动混频器
最常见的混频器类型是被动混频器，这类混频器有各种不同的设计风格，如单端（single-ended）、单平衡（single balanced）、双平衡（double balanced）或三重平衡（triple-balanced）。其中最广泛被使用的结构是双平衡混频器，这类混频器由于提供了良好的性能、简单的做法和架构，而且是一款具有多种功能选项的高成本效益设计选择，因而相当受到青睐。
在一般的印象中，被动混频器的特点就是简单，因为他们不需要任何外部直流（DC）电源或特殊的设定。这类混频器的特点是其宽频性能、理想的动态范围、低杂讯系数（NF）以及埠与埠之间的有效隔离。这些混频器的设计，以及它们不需DC外部电源的优点，让它们能在混频器输出上提供低NF。一个理想的经验法则是，被动式混频器的NF大约相当于其转换损耗。这些混频器可胜任具有低NF系统需求的应用，而这是主动式混频器所无法提供的。此类混频器精通的另一个领域，在于其高频和宽频的设计。从RF一路到毫米波的整个频率范围，都能提供良好的性能。
混频器的另一个关键规格在于其埠与埠之间的隔离，此规格往往推动可用于此类应用的混频器进展。三重平衡被动式混频器通常能提供最佳的隔离，但也带来了复杂的架构，并在其它的规格（如线性度）上受限。双平衡被动式混频器虽然架构较简单，但也能在埠与埠埠之间提供良好的隔离，对于大部份的应用而言，可说是结合了隔离度、线性度与杂讯指数的最佳化选择。
从整体讯号链的角度来看，线性度（通常也称为IIP3-三阶截取点）是在RF和微波设计中最重要的指标之一。被动式混频器通常最为受到注意的特性，为其高线性度性能。遗憾的是，为了得到最佳的性能，被动式混频器需要高本地振荡输入功率。大多数的被动式混频器是使用二极体或FET电晶体构成，且需要约13dBm至20dBm的本地振荡驱动，这对于某些应用而言可说是相当高；因此，高本地振荡驱动的要求，是被动式混频器的主要弱点之一。
被动式混频器的另一个缺点，是在混频器输出上的转换损失。这类混频器为不具增益功能块的被动元件；因此其输出很容易出现较高的讯号损失。举例来说，如果输入混频器的功率为0dBm，而混频器具有9dB的转换损失，则混频器的输出将为-9dBm。总体而言，这类混频器非常适合用于测试/测量和军用市场，此点将在本文后面再进一步讨论。
被动式混频器的优点：
大频宽
高动态范围
低杂讯指数
高埠间隔离

图1：I/Q混频器功能方块图及镜像抑制频域图

I/Q镜像抑制混频器
I/Q混频器是被动式混频器的一种类型，它提供了与一般被动式混频器相同的优点，再加上无需任何外部滤波即可消除扰人的镜像讯号。当这类混频器被用在降频转换器时，他们也被称为IRM（镜像抑制混频器）；如果被用在升频转换器时，则称为SSB（单边带混频器）。I/Q混频器是由两个双平衡混频器，和一个被分为二且相互相移距90度（0°对一个混频器，90°则对第二个混频器）的本地振荡讯号所构成。此相移能让混频器只产生一个边带（我们所希望的）讯号，并抑制其他不需要的讯号。
图2中的频谱图，在同一图中显示出I/Q混频器（紫线）和双平衡混频器（蓝线）的性能。我们可以很容易地看出来，I/Q混频器会透过提供45dB的抑制，移除掉不想要的下边带，相较之下，双平衡混频器则会产生上边带和下边带。
如同双平衡被动式混频器一样，I/Q混频器也要求高本地振荡输入功率。在结构上，由于I/Q混频器使用了两个双平衡混频器，因此与两个双平衡混频器相比，他们往往需要3dB左右的额外本地振荡推力。I/Q混频器对于良好平衡的相位和振幅输入匹配是很敏感的，任何来自90度的相移或是位于输入讯号、混合模组（hybrid）、系统电路板或混频器本身的振幅不平衡，都会直接影响到镜像抑制的位准。这些误差的影响可以藉由从外部校准混频器，来加以修正以提高性能。
由于其边带抑制特性，I/Q混频器通常被用在无外部滤波而需要除去边带，同时又要确保有良好NF和线性度的应用。微波点对点回传（microwave point-to-point backhaul）通讯、量测仪器以及军事终端用途等，就是此类市场中的常见案例。
I/Q混频器的优点有：
固有的镜像抑制能力
无需使用昂贵的滤波器
良好的振幅和相位匹配