一文读懂28GHz 5G通信频段射频前端模块 （三）
尽管 5G 通信系统需要线性放大来保持调制保真度，但为了提供一个便于比较的性能指标，还是有必要测量输出 P1dB 和 PAE。测量所得性能如图 8 所示，可见 P1dB 在 20.2dBm 左右，并在饱和时上升到 21dBm。FEM 的发射通道 PAE 约为 20%，仅在该频带的高段略有下降。
图 8：发射通道测得的 P1dB 和 PAE 随频率的变化关系
如上所述，该 FEM 的设计是为了实现从 P1dB 回退 7dB 左右时的最佳性能指标(OIP3 和 PAE)。具体指标是在 100MHz 间隔的双频测试中，IMD3(三阶交调项)相对于所需有用信号，要低 -35dBc。这个工作点很接近于该射频前端将用于的 5G 系统的设定要求。
图 9 显示了在 -35dBc 的 IMD3 点工作时，测量和仿真的 PAE 和总射频输出功率的关系图。测得的 PAE 达到较好的 6.5%，主要是由于 PA 被设计工作在深 AB 类。总射频输出功率大约为 13.5dBm，这对应于+28dBm 的 OIP3 功率。
图 9：7dB 功率回退下发射通道测试和仿真所得的功率和 PAE 比较。
根据片上射频通道功率检测器的特性，可通过一个直流电压监测射频输出功率的大小。图 10 给出了温度补偿检测器输出电压“Vref-Vdet”(mV 为单位，对数坐标)与输出功率(单位 dBm)的关系，包含了超过 15dB 的变化范围。在对数坐标下这个特性关系是线性的，使得功率监测更容易。
图 10：28GHz 时射频前端模块发射通道的片上功率检测器输出特性曲线
当使用 FEM 的接收通道时，PA 被关闭，“Vctrl1”设置为 0V，LNA 被偏置在+4V 电源下 10mA 左右，此时在“LNA_Vsense”引脚上观察到 3.9V 电压。图 11 给出了测量和仿真增益和噪声系数(NF)的比较。测得的小信号增益约为 13.5dB，整个频段的增益平坦度达到±0.3dB。接收通道具有极佳的噪声系数，从 27 到 29GHz 的典型值为 3.3dB，且仿真和测量到的性能之间具有良好的一致性。
图 11：接收通道测试和仿真所得增益与噪声系数
接收通道也具有相当不错的线性度，且只消耗不大的功率(只有 40mW：4V 时 10mA)。诸如 P1dB 和 OIP3 等关键指标在整个频段分别为 6.2 和 21dBm 左右。图 12 是测试所得 P1dB 和 OIP3 随频率变化的关系。
图 12：接收通道测试所得 P1dB 和 OIP3
4. 结论
本文介绍的射频前端 MMIC 将在未来的 28GHz 频段 5G 系统中发挥关键作用。该模块已经验证可以满足集成到毫米波相控阵或波束切换终端的所有要求，并提供卓越的发射通道线性度和效率，同时还有出色的接收噪声系数。发射和接收通道的关键性能指标都达到了设计要求，使得该模块非常适合毫米波 5G 应用。该芯片还包括了多种实用的功能，如发射功率检测器、发射和接收赋能电路，SPDT 译码器电路和接收偏置监测电路。采用最先进的 0.15μm 增强型砷化镓 PHEMT 工艺实现。该模块非常易于使用常见的多通道 ADC 和 DAC 芯片进行控制和监测。此外，该模块可方便地封装在一个紧凑且低成本的 5mm × 5mm QFN 表贴塑料封装中。
