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(gè) 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)?？稍诎l(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(gè)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(huì)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 AB 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(dòng)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(gè)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 AB 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。

通過依次為驅(qū)動(dòng)放大級和預(yù)驅(qū)動(dòng)放大級選擇最佳晶體管尺寸來設(shè)計(jì)完整的三級功率放大器。這同樣需要仔細(xì)考慮設(shè)計(jì)折中，因?yàn)檩^大的晶體管尺寸可改善整體線性度但會(huì)降低 PAE。當(dāng)所有晶體管的尺寸和偏置確定后，就可以繼續(xù)進(jìn)行匹配和偏置電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)。版圖設(shè)計(jì)從整個(gè)設(shè)計(jì)過程的早期階段就需要開始考慮，以避免不引入過大的寄生效應(yīng)以及確保設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。功放的第一和第二級使用共同的柵極偏置引線(加在引腳 PA_Vg12 上)，而第三級設(shè)置單獨(dú)的偏置引線(PA_Vg3)。這樣就可以單獨(dú)優(yōu)化兩個(gè)電壓，以對 PA 的線性度或 PAE 進(jìn)行提升。漏極供電可以類似地通過兩個(gè)獨(dú)立的引腳施加+4V 電壓在“PA_Vd12”和“PA_Vd3”上，盡管這兩個(gè)引腳在 PCB 板上是相連的。

SPDT 開關(guān)采用串并結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)中的串聯(lián)和并聯(lián)分支中集成了多個(gè)晶體管以提高線性度 1。晶體管截止時(shí)的電容限制了關(guān)斷狀態(tài)下器件在高頻率處的固有隔離度，在 28GHz 時(shí)開關(guān)晶體管的隔離度僅為幾 dB2。減小晶體管尺寸可以改善固有隔離度，但會(huì)增加導(dǎo)通狀態(tài)下的插入損耗并降低其線性度，因此不是一種可行的選擇。這里采取的方法是采用片上電感補(bǔ)償來改善關(guān)斷狀態(tài)隔離度。經(jīng)過細(xì)致設(shè)計(jì)確保導(dǎo)通狀態(tài)下具有較低插入損耗，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射通道的高輸出功率和接收通道的低噪聲系數(shù)。開關(guān)由一個(gè)比特位控制電壓“Vctrl1”控制，該位設(shè)置為 4V 時(shí)表示發(fā)射模式、0V 時(shí)表示接收模式?！皢蔚峨p擲控制電路”(SPDT 控制電路)可實(shí)現(xiàn)單比特控制，該電路本質(zhì)上是一對二線譯碼器?？刂齐娐泛?SPDT 本身消耗的總電流僅 1mA，由“VD_SW”處施加的+4V 電源提供。

接收通道的輸入位于通過 SPDT 連接到兩級 LNA 輸入的“天線”引腳處。接收通道的輸出位于標(biāo)記為“LNA_RFout”的引腳上。與 PA 一樣，LNA 也具有快速開關(guān)賦能電路，使得 LNA 在不工作時(shí)僅消耗低至 0.1mA 的電流。低噪聲放大器設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵是找到一種消耗電流低、又具有良好噪聲系數(shù)和足夠線性度的設(shè)計(jì)。

重要的第一步是選擇合適的晶體管尺寸?？墒褂枚鄠€(gè)短叉指來減小晶體管的柵極電阻并改善噪聲系數(shù)。低噪放的兩級都采用了串聯(lián)感性反饋，以使最佳噪聲系數(shù)所需的阻抗更接近于共軛匹配和最佳增益所需的阻抗。

低噪聲放大器的第一級以噪聲系數(shù)為設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，但仍需產(chǎn)生足夠的增益才能充分降低第二級噪聲系數(shù)的影響。低噪放第二級的噪聲系數(shù)并不重要，因此這級設(shè)計(jì)成比第一級有更高的增益。設(shè)計(jì)得到的 LNA 僅需要+4V 電源的 10mA 直流電流。柵極偏置電壓施加在引腳“LNA_Vg”上，而+4V 漏極偏置電壓加在“LNA_Vd”上?！癓NA_Vsense”引腳則提供對偏置電流的監(jiān)測。監(jiān)測到的偏置電流信息可以用于控制柵極電壓以補(bǔ)償例如溫度等環(huán)境條件的變化。在正確偏置下，此監(jiān)測引腳的電壓為 3.9V。使用增強(qiáng)型晶體管的工藝意味著只需要正電源電壓，從而使 MMIC 非常便于系統(tǒng)集成。

仔細(xì)的電磁仿真對確保各個(gè)模塊良好的射頻性能是非常重要的。采用了逐步添加的方法，每次將電路的一部分加入到 EM 仿真中，而其余部分仍使用工藝設(shè)計(jì)套件(PDK)中的模型進(jìn)行仿真。由于集成電路用于二次注塑工藝所得塑料封裝中，所以在集成電路上方注塑的化合物也需要在電磁仿真中考慮。

3. 評估和測試

圖 3 是射頻前端芯片的照片。該射頻前端 MMIC 芯片尺寸為 3.38mm × 1.99mm。其焊盤 / 引腳位置與框圖中所示的位置相似，并且它還多集成了多個(gè)接地盤，以使其完全可以進(jìn)行在片射頻測試(RFOW)。它被設(shè)計(jì)為采用低成本注塑成型 5mm × 5mmQFN 封裝。并且考慮到鑄模塑料的影響，需要精心設(shè)計(jì)從芯片到 PCB 的射頻過渡界面。設(shè)計(jì)了定制的引線框架用于實(shí)現(xiàn)該過渡，并且封裝體上的射頻端口都被設(shè)計(jì)為接地 - 信號 - 接地(GSG)界面。

圖 3：28GHz 5G 通信射頻前端模塊 MMIC 的芯片照片

完成加工制造之后，對多塊芯片進(jìn)行了在片射頻測試，以便在封裝之前確認(rèn)芯片達(dá)成了一次流片即成功的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這里沒有給出在片射頻測試結(jié)果，給出的所有結(jié)果都是芯片完整封裝后安裝在典型 PCB 評估板上后測量得到的。

PCB 評估板采用低成本層壓板材料設(shè)計(jì)，適合大批量生產(chǎn)。將封裝好的射頻前端模塊樣品組裝到 PCB 評估板上;所有測量的性能都校準(zhǔn)到 PCB 評估板上的封裝引腳處，從而包含了芯片到 PCB 過渡結(jié)構(gòu)的影響。設(shè)計(jì)了 TRL 校準(zhǔn)單元來將測量的性能校準(zhǔn)到封裝的參考面。圖 4 顯示了 TRL 校準(zhǔn) PCB 板，以及一塊 PCB 評估板的照片。

圖 4：封裝好的射頻前端模塊驗(yàn)證板和 TRL 校準(zhǔn)板照片

射頻前端模塊 MMIC 安裝在 PCB 上，并以封裝的射頻引腳為參考面獲取驗(yàn)證結(jié)果。在驗(yàn)證過程中使用市售的多通道 DAC 和 ADC 芯片來控制和監(jiān)測射頻前端模塊。該射頻前端模塊不需要任何負(fù)電壓，因?yàn)樗捎玫氖窃鰪?qiáng)型工藝。圖 5 給出了一個(gè)典型射頻前端模塊的發(fā)射通道的測量與仿真 S 參數(shù)的比較。測量數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果相當(dāng)吻合。在此模式下，LNA 被關(guān)閉，SPDT 控制位“Vctrl1”切換為高電平，而 PA 則偏置在+4V 電壓下約 70mA 總靜態(tài)電流。從 27 到 29GHz，小信號增益(S21)為 17.1dB±0.4dB。輸入反射衰減(S11)在整個(gè)頻段優(yōu)于 18dB。由于輸出匹配是按功率回退條件下最佳 PAE 設(shè)計(jì)，而不是最好的 S22，盡管如此測量到的 S22(未給出圖示)在整個(gè)頻帶上為 8dB 或更好。

圖 5：射頻前端模塊的發(fā)射通道的小信號性能測試與仿真對比

以輸出為參考的發(fā)射通道的三階截取點(diǎn)(OIP3)以 100MHz 的頻率間隔進(jìn)行評估，以反映 5G 系統(tǒng)中的寬信道帶寬。圖 6 是典型射頻前端模塊的實(shí)測 OIP3 與有用頻率的功率之間的關(guān)系圖，其功率范圍從 1 至 11dBm。可以看出該 5G 頻段上的 OIP3 約為+28dBm，有用頻率功率在 10dB 范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，OIP3 變化很小。測量到的和仿真的 OIP3 與頻率的關(guān)系如圖 7 所示，具有良好的一致性。

圖 6：射頻前端模塊發(fā)射通道的 OIP3 與頻率和輸出功率的關(guān)系(100MHz 的頻率間隔)

圖 7：測得的和仿真的 OIP3 隨頻率變化的比較

盡管 5G 通信系統(tǒng)需要線性放大來保持調(diào)制保真度，但為了提供一個(gè)便于比較的性能指標(biāo)，還是有必要測量輸出 P1dB 和 PAE。測量所得性能如圖 8 所示，可見 P1dB 在 20.2dBm 左右，并在飽和時(shí)上升到 21dBm。FEM 的發(fā)射通道 PAE 約為 20%，僅在該頻帶的高段略有下降。

圖 8：發(fā)射通道測得的 P1dB 和 PAE 隨頻率的變化關(guān)系

如上所述，該 FEM 的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)從 P1dB 回退 7dB 左右時(shí)的最佳性能指標(biāo)(OIP3 和 PAE)。具體指標(biāo)是在 100MHz 間隔的雙頻測試中，IMD3(三階交調(diào)項(xiàng))相對于所需有用信號，要低 -35dBc。這個(gè)工作點(diǎn)很接近于該射頻前端將用于的 5G 系統(tǒng)的設(shè)定要求。

圖 9 顯示了在 -35dBc 的 IMD3 點(diǎn)工作時(shí)，測量和仿真的 PAE 和總射頻輸出功率的關(guān)系圖。測得的 PAE 達(dá)到較好的 6.5%，主要是由于 PA 被設(shè)計(jì)工作在深 AB 類?？偵漕l輸出功率大約為 13.5dBm，這對應(yīng)于+28dBm 的 OIP3 功率。

圖 9：7dB 功率回退下發(fā)射通道測試和仿真所得的功率和 PAE 比較。

根據(jù)片上射頻通道功率檢測器的特性，可通過一個(gè)直流電壓監(jiān)測射頻輸出功率的大小。圖 10 給出了溫度補(bǔ)償檢測器輸出電壓“Vref-Vdet”(mV 為單位，對數(shù)坐標(biāo))與輸出功率(單位 dBm)的關(guān)系，包含了超過 15dB 的變化范圍。在對數(shù)坐標(biāo)下這個(gè)特性關(guān)系是線性的，使得功率監(jiān)測更容易。

圖 10：28GHz 時(shí)射頻前端模塊發(fā)射通道的片上功率檢測器輸出特性曲線

當(dāng)使用 FEM 的接收通道時(shí)，PA 被關(guān)閉，“Vctrl1”設(shè)置為 0V，LNA 被偏置在+4V 電源下 10mA 左右，此時(shí)在“LNA_Vsense”引腳上觀察到 3.9V 電壓。圖 11 給出了測量和仿真增益和噪聲系數(shù)(NF)的比較。測得的小信號增益約為 13.5dB，整個(gè)頻段的增益平坦度達(dá)到±0.3dB。接收通道具有極佳的噪聲系數(shù)，從 27 到 29GHz 的典型值為 3.3dB，且仿真和測量到的性能之間具有良好的一致性。

圖 11：接收通道測試和仿真所得增益與噪聲系數(shù)

接收通道也具有相當(dāng)不錯(cuò)的線性度，且只消耗不大的功率(只有 40mW：4V 時(shí) 10mA)。諸如 P1dB 和 OIP3 等關(guān)鍵指標(biāo)在整個(gè)頻段分別為 6.2 和 21dBm 左右。圖 12 是測試所得 P1dB 和 OIP3 隨頻率變化的關(guān)系。

圖 12：接收通道測試所得 P1dB 和 OIP3

4. 結(jié)論

本文介紹的射頻前端 MMIC 將在未來的 28GHz 頻段 5G 系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。該模塊已經(jīng)驗(yàn)證可以滿足集成到毫米波相控陣或波束切換終端的所有要求，并提供卓越的發(fā)射通道線性度和效率，同時(shí)還有出色的接收噪聲系數(shù)。發(fā)射和接收通道的關(guān)鍵性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，使得該模塊非常適合毫米波 5G 應(yīng)用。該芯片還包括了多種實(shí)用的功能，如發(fā)射功率檢測器、發(fā)射和接收賦能電路，SPDT 譯碼器電路和接收偏置監(jiān)測電路。采用最先進(jìn)的 0.15μm 增強(qiáng)型砷化鎵 PHEMT 工藝實(shí)現(xiàn)。該模塊非常易于使用常見的多通道 ADC 和 DAC 芯片進(jìn)行控制和監(jiān)測。此外，該模塊可方便地封裝在一個(gè)緊湊且低成本的 5mm × 5mm QFN 表貼塑料封裝中。