一文读懂28GHz 5G通信频段射频前端模块 （一）
随着 5G 毫米波预期即将进入商用，行业内关键公司的研发正在顺利推进，已经完成定制组件指标划定、设计和验证。实现未来毫米波 5G 系统所需的基本组件是射频前端模块(FEM)。该模块包括发射机的最终放大级以及接收机中最前端的放大级以及发射 / 接收开关(Tx/Rx)以支持时分双工(TDD)。FEM 必须在发射模式下具备高线性度，并在接收模式下具备低噪声系数。由于毫米波 5G 系统可能需要用户终端采用多个 FEM 构成相控阵架构或开关天线波束架构。因此 FEM 必须采用高效、紧凑和低成本的方式实现，且最好能简单控制和监测。
本文介绍了符合以上所有要求的 28GHz 5G 通信频段(27.5 至 28.35GHz)射频前端模块 MMIC(单片微波集成电路)的设计、实现和验证。该射频前端由 Plextek RFI 公司开发，采用 WINSemiconductors(稳懋半导体)的 PE-15 4V 电压、0.15μm、增强型 GaAs PHEMT 工艺实现。它采用紧凑型低成本且兼容 SMT(表贴)安装的 5mm x 5mm 二次注塑兼容 QFN 封装，适用于大批量、低成本的制造。它涵盖 27 至 29GHz，因此支持完整的 28GHz 5G 频段。
1. 设计目标
FEM 发射通道的设计着重于功率回退下实现高效率，以提供线性放大，这是 5G 通信系统提出的要求。功率回退下的目标功率附加效率(PAE)定为 6%，三阶交调(IMD3)低于 -35dBc(功率回退值：从 1dB 压缩点开始大约退回 7dB)。对应 1dB 压缩点(P1dB)的 RF 输出功率定为 20dBm。而接收通道需要在非常低的电流消耗下(最大 15mA，+4V 电源)，实现低于 4dB 的噪声系数(包括开关损耗)。
射频前端 MMIC 的功能框图如图 1 所示。发送信号路径从图的上半部分中的左侧延伸到右侧;输入端口位于标有“PA_RFin”的引脚上。输入信号由三级功放(PA)放大，然后通过 RF 功率检测器和单刀双掷(SPDT)开关连接至天线。片上定向功率检测器可监测发射出的射频输出功率，并且片上集成了温度补偿功能。带补偿的功率检测器输出由电压“Vref”和电压“Vdet”之间的差值决定。芯片内集成了由(低电平有效)逻辑信号“PA_ON”控制的快速开关赋能电路(图 1 中的 PA 赋能电路)。可在发射和接收模式之间切换时，快速给 PA 上电和断电，从而在 PA 不用时达到仅使用 0.1mA 的电流，最大限度地提高整个系统的效率。
图 1：28GHz 5G 通信射频前端模块芯片的功能框图
PA 通常会工作在从压缩点回退几 dB 的条件下，以保持其发射的调制信号不严重失真。设计方法是优化功率放大器工作在 P1dB 点回退 7dB 左右的性能。为了在该工作条件下达到较优的 PAE，PA 将偏置在深 AB 类。
2. 设计折中策略
该设计起始于对候选单元晶体管进行器件级仿真。这项仿真工作可以获得如器件尺寸、偏置点、目标阻抗、PA 级数和驱动器比率等关键信息，为后续精细的功率放大器设计奠定了坚实的基础。
这项工作的一个重要部分在于确定如何最大限度地提高功率回退下的 PAE。一般来说，可通过降低器件静态偏置电流密度来实现。但是该方法中电流密度可往下调的范围受限于增益和线性度约束，因为这两者都随着电流密度的降低而恶化。功率回退条件下的 PAE 和增益与线性度之间有明确的折中关系。
设计中主要关心的线性度指标是在功率回退条件下，IMD3 必须小于 -35dBc。如图 2 所示，在偏置电流降低的情况下，IMD3 性能对基频负载条件特别敏感。图 2a 显示了偏置为深 AB 类的 8×50μm 器件在 4V、75mA/mm 时的负载牵引仿真结果，并标出了 P1dB 下的 PAE 最佳点对应的负载。该图还给出了仿真所得该最佳负载和功率回退条件下 IMD3 的性能，表明离 -35dBc 的指标还有大约 4dB 的裕度。仿真的 PAE 在该功率回退条件下约为 15%，且该效率只计入器件的作用，不包括任何输出损耗。图 2b 显示了相同器件和偏置工作条件下，P1dB 功率最佳点对应的负载以及 IMD3 等信息。发现在相同的相对功率回退情况下，其 IMD3 的性能明显更差，超出指标 5dB 以上，而此时 PAE 和前一种条件相似，约为 15.7%。
图 2：P1dB 条件下最佳 PAE 对应的阻抗点以及对应的功率回退条件下的 IMD3(a);P1dB 条件下最佳功率对应的阻抗点以及对应的功率回退条件下的 IMD3(b)。
