一文讀懂28GHz 5G通信頻段射頻前端模塊

　　盡管5G通信系統(tǒng)需要線性放大來(lái)保持調(diào)制保真度，但為了提供一個(gè)便于比較的性能指標(biāo)，還是有必要測(cè)量輸出P1dB和PAE。測(cè)量所得性能如圖8所示，可見P1dB在20.2dBm左右，并在飽和時(shí)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。

　　圖8：發(fā)射通道測(cè)得的P1dB和PAE隨頻率的變化關(guān)系

　　如上所述，該FEM的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)從P1dB回退7dB左右時(shí)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(cè)試中，IMD3(三階交調(diào)項(xiàng))相對(duì)于所需有用信號(hào)，要低-35dBc。這個(gè)工作點(diǎn)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(diǎn)工作時(shí)，測(cè)量和仿真的PAE和總射頻輸出功率的關(guān)系圖。測(cè)得的PAE達(dá)到較好的6.5%，主要是由于PA被設(shè)計(jì)工作在深A(yù)B類?？偵漕l輸出功率大約為13.5dBm，這對(duì)應(yīng)于+28dBm的OIP3功率。

　　圖9：7dB功率回退下發(fā)射通道測(cè)試和仿真所得的功率和PAE比較。

　　根據(jù)片上射頻通道功率檢測(cè)器的特性，可通過一個(gè)直流電壓監(jiān)測(cè)射頻輸出功率的大小。圖10給出了溫度補(bǔ)償檢測(cè)器輸出電壓“Vref-Vdet”(mV為單位，對(duì)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(duì)數(shù)坐標(biāo)下這個(gè)特性關(guān)系是線性的，使得功率監(jiān)測(cè)更容易。

　　圖10：28GHz時(shí)射頻前端模塊發(fā)射通道的片上功率檢測(cè)器輸出特性曲線

　　當(dāng)使用FEM的接收通道時(shí)，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(shí)在“LNA_Vsense”引腳上觀察到3.9V電壓。圖11給出了測(cè)量和仿真增益和噪聲系數(shù)(NF)的比較。測(cè)得的小信號(hào)增益約為13.5dB，整個(gè)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(cè)量到的性能之間具有良好的一致性。

　　圖11：接收通道測(cè)試和仿真所得增益與噪聲系數(shù)

　　接收通道也具有相當(dāng)不錯(cuò)的線性度，且只消耗不大的功率(只有40mW：4V時(shí)10mA)。諸如P1dB和OIP3等關(guān)鍵指標(biāo)在整個(gè)頻段分別為6.2和21dBm左右。圖12是測(cè)試所得P1dB和OIP3隨頻率變化的關(guān)系。

　　圖12：接收通道測(cè)試所得P1dB和OIP3

　　4.結(jié)論

　　本文介紹的射頻前端MMIC將在未來(lái)的28GHz頻段5G系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。該模塊已經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(jì)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(shí)用的功能，如發(fā)射功率檢測(cè)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(cè)電路。采用最先進(jìn)的0.15μm增強(qiáng)型砷化鎵PHEMT工藝實(shí)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(cè)。此外，該模塊可方便地封裝在一個(gè)緊湊且低成本的5mm × 5mm QFN表貼塑料封裝中。