28GHz 5G通信頻段射頻前端模塊MMIC的設(shè)計、實現(xiàn)和驗證

隨著5G毫米波預(yù)期即將進入商用，行業(yè)內(nèi)關(guān)鍵公司的研發(fā)正在順利推進，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)射機的最終放大級以及接收機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償功能。帶補償?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，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(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&TImes;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。控制電路和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。“LNA_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 &TImes; 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，以使其完全可以進行在片射頻測試（RFOW）。它被設(shè)計為采用低成本注塑成型5mm &TImes; 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。

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，對多塊芯片進行了在片射頻測試，以便在封裝之前確認(rèn)芯片達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。