一文讀懂28GHz 5G通信頻段射頻前端模塊

　　隨著5G毫米波預期即將進入商用，行業內關鍵公司的研發正在順利推進，已經完成定制組件指標劃定、設計和驗證。實現未來毫米波5G系統所需的基本組件是射頻前端模塊(FEM)。該模塊包括發射機的最終放大級以及接收機中最前端的放大級以及發射/接收開關(Tx/Rx)以支持時分雙工(TDD)。FEM必須在發射模式下具備高線性度，并在接收模式下具備低噪聲系數。由于毫米波5G系統可能需要用戶終端采用多個FEM構成相控陣架構或開關天線波束架構。因此FEM必須采用高效、緊湊和低成本的方式實現，且最好能簡單控制和監測。

　　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)的設計、實現和驗證。該射頻前端由Plextek RFI公司開發，采用WINSemiconductors(穩懋半導體)的PE-15 4V電壓、0.15μm、增強型GaAs PHEMT工藝實現。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.設計目標

　　FEM發射通道的設計著重于功率回退下實現高效率，以提供線性放大，這是5G通信系統提出的要求。功率回退下的目標功率附加效率(PAE)定為6%，三階交調(IMD3)低于-35dBc(功率回退值：從1dB壓縮點開始大約退回7dB)。對應1dB壓縮點(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)，實現低于4dB的噪聲系數(包括開關損耗)。

　　射頻前端MMIC的功能框圖如圖1所示。發送信號路徑從圖的上半部分中的左側延伸到右側;輸入端口位于標有“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)開關連接至天線。片上定向功率檢測器可監測發射出的射頻輸出功率，并且片上集成了溫度補償功能。帶補償的功率檢測器輸出由電壓“Vref”和電壓“Vdet”之間的差值決定。芯片內集成了由(低電平有效)邏輯信號“PA_ON”控制的快速開關賦能電路(圖1中的PA賦能電路)。可在發射和接收模式之間切換時，快速給PA上電和斷電，從而在PA不用時達到僅使用0.1mA的電流，最大限度地提高整個系統的效率。

　　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回退幾dB的條件下，以保持其發射的調制信號不嚴重失真。設計方法是優化功率放大器工作在P1dB點回退7dB左右的性能。為了在該工作條件下達到較優的PAE，PA將偏置在深AB類。

　　2.設計折中策略

　　該設計起始于對候選單元晶體管進行器件級仿真。這項仿真工作可以獲得如器件尺寸、偏置點、目標阻抗、PA級數和驅動器比率等關鍵信息，為后續精細的功率放大器設計奠定了堅實的基礎。

　　這項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偏置電流密度來實現。但是該方法中電流密度可往下調的范圍受限于增益和線性度約束，因為這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系。

　　設計中主要關心的線性度指標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性能對基頻負載條件特別敏感。圖2a顯示了偏置為深AB類的8×50μm器件在4V、75mA/mm時的負載牽引仿真結果，并標出了P1dB下的PAE最佳點對應的負載。該圖還給出了仿真所得該最佳負載和功率回退條件下IMD3的性能，表明離-35dBc的指標還有大約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功率最佳點對應的負載以及IMD3等信息。發現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5dB以上，而此時PAE和前一種條件相似，約為15.7%。

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

　　進一步評估了史密斯圓圖上的其他阻抗點下，功放的P1dB和功率回退兩種條件下的性能。圖2a中的負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計。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，以滿足功率指標要求。并根據總的傳輸增益指標確定了需要三級放大。