一文讀懂28GHz5G通信頻段射頻前端模塊（一）

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)。