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)計和驗證。實現(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、實現(xiàn)和驗證。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)計目標(biāo)
FEM發(fā)射通道的設(shè)計著重于功率回退下實現(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壓縮點開始大約退回7dB)。對應(yīng)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(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，快速給PA上電和斷電，從而在PA不用時達(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。
PA通常會工作在從壓縮點回退幾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)計方法是優(yōu)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(dá)到較優(yōu)的PAE，PA將偏置在深A(yù)B類。
2.設(shè)計折中策略
該設(shè)計起始于對候選單元晶體管進(jìn)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(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)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。
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(tài)偏置電流密度來實現(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(guān)系。
設(shè)計中主要關(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時的負(fù)載牽引仿真結(jié)果，并標(biāo)出了P1dB下的PAE最佳點對應(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(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。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)動放大級和預(yù)驅(qū)動放大級選擇最佳晶體管尺寸來設(shè)計完整的三級功率放大器。這同樣需要仔細(xì)考慮設(shè)計折中，因為較大的晶體管尺寸可改善整體線性度但會降低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。版圖設(shè)計從整個設(shè)計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)計的可實現(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)置單獨的偏置引線(PA_Vg3)。這樣就可以單獨優(yōu)化兩個電壓，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獨立的引腳施加+4V電壓在“PA_Vd12”和“PA_Vd3”上，盡管這兩個引腳在PCB板上是相連的。
SPDT開關(guān)采用串并結(jié)構(gòu)，該設(shè)計中的串聯(lián)和并聯(lián)分支中集成了多個晶體管以提高線性度1。晶體管截止時的電容限制了關(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)計確保導(dǎo)通狀態(tài)下具有較低插入損耗，以實現(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)由一個比特位控制電壓“Vctrl1”控制，該位設(shè)置為4V時表示發(fā)射模式、0V時表示接收模式。“單刀雙擲控制電路”(SPDT控制電路)可實現(xiàn)單比特控制，該電路本質(zhì)上是一對二線譯碼器?？刂齐娐泛蚐PDT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在不工作時僅消耗低至0.1mA的電流。低噪聲放大器設(shè)計過程的關(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。
重要的第一步是選擇合適的晶體管尺寸?？墒褂枚鄠€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)計成比第一級有更高的增益。設(shè)計得到的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)計從芯片到PCB的射頻過渡界面。設(shè)計了定制的引線框架用于實現(xiàn)該過渡，并且封裝體上的射頻端口都被設(shè)計為接地-信號-接地(GSG)界面。
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，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。
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證結(jié)果。在驗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，因為它采用的是增強(qiáng)型工藝。圖5給出了一個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，而不是最好的S22，盡管如此測量到的S22(未給出圖示)在整個頻帶上為8dB或更好。
以輸出為參考的發(fā)射通道的三階截取點(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)變動時，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。
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。
如上所述，該FEM的設(shè)計是為了實現(xiàn)從P1dB回退7dB左右時的最佳性能指標(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)相對于所需有用信號，要低-35dBc。這個工作點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點工作時，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)計工作在深A(yù)B類?？偵漕l輸出功率大約為13.5dBm，這對應(yīng)于+28dBm的OIP3功率。
根據(jù)片上射頻通道功率檢測器的特性，可通過一個直流電壓監(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)下這個特性關(guān)系是線性的，使得功率監(jiān)測更容易。
當(dāng)使用FEM的接收通道時，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。
接收通道也具有相當(dāng)不錯的線性度，且只消耗不大的功率(只有40mW：4V時10mA)。諸如P1dB和OIP3等關(guān)鍵指標(biāo)在整個頻段分別為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。
4.結(jié)論
本文介紹的射頻前端MMIC模塊將在未來的28GHz頻段5G系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。該射頻前端模塊已經(jīng)驗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緊湊且低成本的5mm × 5mm QFN表貼塑料封裝中。
查看技術(shù)文章和免費咨詢技術(shù)問題可以訪問我司官網(wǎng)及各官方平臺：
微信號：cdebyte
今日頭條：億佰特
新浪微博：成都億佰特
成都億佰特--物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用專家，隨時在身邊，時刻準(zhǔn)備為您服務(wù)！
