一文讀懂28GHz 5G通信頻段射頻前端模塊

　　隨著5G毫米波預(yù)期即將進(jìn)入商用，行業(yè)內(nèi)關(guān)鍵公司的研發(fā)正在順利推進(jìn)，已經(jīng)完成定制組件指標(biāo)劃定、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)未來毫米波5G系統(tǒng)所需的基本組件是射頻前端模塊(FEM)。該模塊包括發(fā)射機(jī)的最終放大級以及接收機(jī)中最前端的放大級以及發(fā)射/接收開關(guān)(Tx/Rx)以支持時(shí)分雙工(TDD)。FEM必須在發(fā)射模式下具備高線性度，并在接收模式下具備低噪聲系數(shù)。由于毫米波5G系統(tǒng)可能需要用戶終端采用多個FEM構(gòu)成相控陣架構(gòu)或開關(guān)天線波束架構(gòu)。因此FEM必須采用高效、緊湊和低成本的方式實(shí)現(xiàn)，且最好能簡單控制和監(jiān)測。

　　本文介紹了符合以上所有要求的28GHz 5G通信頻段(27.5至28.35GHz)射頻前端模塊MMIC(單片微波集成電路)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。該射頻前端由Plextek RFI公司開發(fā)，采用WINSemiconductors(穩(wěn)懋半導(dǎo)體)的PE-15 4V電壓、0.15μm、增強(qiáng)型GaAs PHEMT工藝實(shí)現(xiàn)。它采用緊湊型低成本且兼容SMT(表貼)安裝的5mm x 5mm二次注塑兼容QFN封裝，適用于大批量、低成本的制造。它涵蓋27至29GHz，因此支持完整的28GHz 5G頻段。

　　1.設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　FEM發(fā)射通道的設(shè)計(jì)著重于功率回退下實(shí)現(xiàn)高效率，以提供線性放大，這是5G通信系統(tǒng)提出的要求。功率回退下的目標(biāo)功率附加效率(PAE)定為6%，三階交調(diào)(IMD3)低于-35dBc(功率回退值：從1dB壓縮點(diǎn)開始大約退回7dB)。對應(yīng)1dB壓縮點(diǎn)(P1dB)的RF輸出功率定為20dBm。而接收通道需要在非常低的電流消耗下(最大15mA，+4V電源)，實(shí)現(xiàn)低于4dB的噪聲系數(shù)(包括開關(guān)損耗)。

　　射頻前端MMIC的功能框圖如圖1所示。發(fā)送信號路徑從圖的上半部分中的左側(cè)延伸到右側(cè);輸入端口位于標(biāo)有“PA_RFin”的引腳上。輸入信號由三級功放(PA)放大，然后通過RF功率檢測器和單刀雙擲(SPDT)開關(guān)連接至天線。片上定向功率檢測器可監(jiān)測發(fā)射出的射頻輸出功率，并且片上集成了溫度補(bǔ)償功能。帶補(bǔ)償?shù)墓β蕶z測器輸出由電壓“Vref”和電壓“Vdet”之間的差值決定。芯片內(nèi)集成了由(低電平有效)邏輯信號“PA_ON”控制的快速開關(guān)賦能電路(圖1中的PA賦能電路)。可在發(fā)射和接收模式之間切換時(shí)，快速給PA上電和斷電，從而在PA不用時(shí)達(dá)到僅使用0.1mA的電流，最大限度地提高整個系統(tǒng)的效率。

　　圖1：28GHz 5G通信射頻前端模塊芯片的功能框圖

　　PA通常會工作在從壓縮點(diǎn)回退幾dB的條件下，以保持其發(fā)射的調(diào)制信號不嚴(yán)重失真。設(shè)計(jì)方法是優(yōu)化功率放大器工作在P1dB點(diǎn)回退7dB左右的性能。為了在該工作條件下達(dá)到較優(yōu)的PAE，PA將偏置在深A(yù)B類。

　　2.設(shè)計(jì)折中策略

　　該設(shè)計(jì)起始于對候選單元晶體管進(jìn)行器件級仿真。這項(xiàng)仿真工作可以獲得如器件尺寸、偏置點(diǎn)、目標(biāo)阻抗、PA級數(shù)和驅(qū)動器比率等關(guān)鍵信息，為后續(xù)精細(xì)的功率放大器設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　這項(xiàng)工作的一個重要部分在于確定如何最大限度地提高功率回退下的PAE。一般來說，可通過降低器件靜態(tài)偏置電流密度來實(shí)現(xiàn)。但是該方法中電流密度可往下調(diào)的范圍受限于增益和線性度約束，因?yàn)檫@兩者都隨著電流密度的降低而惡化。功率回退條件下的PAE和增益與線性度之間有明確的折中關(guān)系。

　　設(shè)計(jì)中主要關(guān)心的線性度指標(biāo)是在功率回退條件下，IMD3必須小于-35dBc。如圖2所示，在偏置電流降低的情況下，IMD3性能對基頻負(fù)載條件特別敏感。圖2a顯示了偏置為深A(yù)B類的8×50μm器件在4V、75mA/mm時(shí)的負(fù)載牽引仿真結(jié)果，并標(biāo)出了P1dB下的PAE最佳點(diǎn)對應(yīng)的負(fù)載。該圖還給出了仿真所得該最佳負(fù)載和功率回退條件下IMD3的性能，表明離-35dBc的指標(biāo)還有大約4dB的裕度。仿真的PAE在該功率回退條件下約為15%，且該效率只計(jì)入器件的作用，不包括任何輸出損耗。圖2b顯示了相同器件和偏置工作條件下，P1dB功率最佳點(diǎn)對應(yīng)的負(fù)載以及IMD3等信息。發(fā)現(xiàn)在相同的相對功率回退情況下，其IMD3的性能明顯更差，超出指標(biāo)5dB以上，而此時(shí)PAE和前一種條件相似，約為15.7%。

　　圖2：P1dB條件下最佳PAE對應(yīng)的阻抗點(diǎn)以及對應(yīng)的功率回退條件下的IMD3(a);P1dB條件下最佳功率對應(yīng)的阻抗點(diǎn)以及對應(yīng)的功率回退條件下的IMD3(b)。

　　進(jìn)一步評估了史密斯圓圖上的其他阻抗點(diǎn)下，功放的P1dB和功率回退兩種條件下的性能。圖2a中的負(fù)載條件明顯具有最好的綜合性能，因此被選定用于輸出級設(shè)計(jì)。最終選擇了52mA/mm的偏置電流，并選擇了8x50μm器件作為輸出級的基本單元，以滿足功率指標(biāo)要求。并根據(jù)總的傳輸增益指標(biāo)確定了需要三級放大。