用于单片毫米波前端的先进GaAs集成技术

Advanced GaAs Integration for Single Chip mmWave Front-Ends

David Danzillio, WIN Semiconductors, 中国台湾桃园市

下一代移动网络，即5G，被设想为一个灵活、高效、资源丰富的平台，它能提供先进的功能，将成为未来用例和新商机的核心。这些未来的应用还难以预测，但它们将取决于到一个能提供更高带宽、超高可靠性和低延迟的新的无线接入网络的连接能力。当今，只有少量5G服务得以确定；最有前景的是固定无线接入(FWA)和增强型移动宽带(eMBB)服务。

为了满足FWA和eMBB的多用户需求，网络运营商正在计划部署采用有源天线阵列和波束赋形的微蜂窝(microcell)/皮蜂窝(picocell)接入点，以精确控制高带宽的连接。这些有源阵列解决方案依靠多个射频发射/接收(Tx/Rx)链来形成和扫描波束，其中单个天线之间的间距为1/2波长(λ/2)。随着发射频率的增加，天线之间的间距变得相当小；例如，对于一个28GHz的天线阵列，间距是5mm。用于元件排布的面积受限以及毫米波天线阵列对Tx/Rx性能的要求，为前端中所用的半导体技术制造了一系列全新的挑战。

混合波束赋形

参考文献中包含了评估数字、模拟和混合的波束赋形架构的大量研究，提供了多种视角^[1-3]。最终，架构的选择取决于接入点对功耗、成本和性能的要求。混合波束赋形正在成为毫米波有源天线中最受欢迎的架构，因为它允许在整个系统中使用最佳的半导体技术。这样一个系统^[2]的简化框图见图1，图中还显示了各功能模块的首选半导体技术。

图1：使用混合波束赋形的毫米波相控阵的简化框图。

阵列大小(天线数量)与阵列总功耗之间有一个重要的折衷。这种折衷受制于每个天线单元的发射功率，发射功率又取决于前端功率放大器(PA)所采用的半导体技术。图2显示了一个很好的例子，图中给出了一个有效全向辐射功率(EIRP)为60dBm的28GHz系统^[1]。这些图表中的要点是：

•    用一个宽范围的PA功率水平可以满足目标EIRP，如图2a所示，

•    天线增益随着天线单元数量的增加而增加，如图2a所示，

•    随着天线单元数量的增加，如果每个单元的发射功率减小，阵列总DC(直流)功率将减小，在约128个天线单元时达到最小值，尔后增加，如图2b所示。

图2：相控阵中的折衷：PA输出功率(a)、阵列DC功耗(b)与达到60dBm EIRP的天线单元数量的关系，半导体技术能力有交叠。

因为要添加更多的天线单元来迁就SiGe和CMOS PA更低的P_1dB，前端和用于馈送和控制这些通道的波束赋形器IC就会消耗更多的功率。这样一个例子是一个有16个元件的全集成的双极化28GHz SiGe波束赋形器IC^[4]。其芯片尺寸超过160mm²，其中大部分面积属于前端，该元件消耗了相当数量的硅。可以由此推演到一个有数百个天线单元的阵列，很快就能意识到一个不理想的前端半导体技术所导致的成本、尺寸和装配挑战了。

前端半导体技术对阵列总功耗影响的分析表明：一只GaAs PA将得到最小的功耗。引用的文献包含了有源阵列天线系统的其它研究，得出了类似的结论：GaAs是毫米波前端的最佳技术选择。这些参考文献认可GaAs能够提供PA性能的最佳范围，却断言GaAs不能安装在天线单元的λ/2天线间距之内(例如，28GHz的间距为5mm)。历史上，多功能集成一直是GaAs技术的一个弱点，特别是用于毫米波的短栅长工艺(short gate length processes)。

集成的GaAs

由于GaAs在移动设备所用的蜂窝和Wi-Fi射频前端中的主导份额，GaAs制造工艺一直在进步，现在已经能够提供最佳的性能，并满足毫米波有源天线系统所需的集成。

很久以前，GaAs PHEMT器件的毫米波性能就超出了FWA有源天线阵列所需的最佳功率水平；然而，需要更先进的平台来满足间距的要求。为了满足毫米波有源天线阵列的尺寸要求，并为更复杂的应用提供额外的功能，先进化合物半导体制造商正在提供创新的GaAs PHEMT技术，将Tx PA、Rx LNA和低损耗PIN开关单片集成到一个单芯片的毫米波前端之中。除了这些功能，诸如WIN Semiconductors的PIH1-10平台还提供了用于功率检测器和混频器的一种线性肖特基二极管、用于ESD保护的低电容PIN、用于逻辑接口的优化E/D晶体管。这套功能源于防潮后端工艺，可提供一个铜再分布层和铜柱凸块来减小裸芯片的尺寸、允许倒装芯片装配，使得GaAs前端能够容身于28GHz和39GHz天线的格型间隙内。

毫米波性能

这些集成技术的核心是一款多用途、增强型PHEMT晶体管，在毫米波频率下提供了出色的功率、增益、功率附加效率(PAE)和噪声系数，且只需要单个正极性电源施加偏置。图3a、b显示了V_D为4V、5V和6V时最大可用增益(MAG)和29GHz负载牵引的实测结果。MAG稳定在50GHz，表明该器件能够覆盖28GHz和39GHz这两个5G频段。这种增强型PHEMT可偏置到高达6V，此时它能提供超过0.7W/mm的P_1dB功率密度和一个50%的典型峰值PAE。噪声性能如图3c所示，表明了这种毫米波增强模式PHEMT的多用性。该晶体管显示了28GHz的噪声系数小于1dB、38GHz约为1.3dB。

图3：PIH1-10 GaAs工艺的性能：(a)V_D = 4V、V_G在100mA/mm I_D时，2 x 50 µm PHEMT单元的MAG；(b)V_D = 4V、5V和6V时，29GHz处，2 x 75 µm单元的增益、输出功率和PAE与输入功率的关系；(c)V_D = 2V、V_G在100mA/mm I_D时，4 x 25 µm PHEMT的噪声系数与频率的关系。

如上所述，PIH1-10平台提供了一种单片集成的PIN二极管来实现片上T/R开关。图4显示了在分流配置中的一个单二极管的插入损耗和隔离度；实测了两种二极管尺寸(7x7和10x10μm)，表明其插入损耗分别为~0.6dB和~0.9dB。

图4：单个分流PIN二极管的插入损耗(a)、隔离度(b)与频率的关系。比较了7 x 7和10 x 10μm两种尺寸的二极管。

添加的功能

为了满足毫米波前端的需求，选择的工艺平台必须提供出色的功率和噪音性能，并具有低损耗的开关能力。但是，这还不足以提供一个真正集成的前端解决方案。为了拓展GaAs的可行性，必须解决PHEMT技术在历史上的几个缺点：添加多种二极管，用于ESD保护；添加混频器、功率检测器和标准逻辑单元与电路，用于偏置和控制接口。

片上逻辑的可用性对于有源天线阵列尤为重要，因为它简化了与波束赋形器IC的接口。一个逻辑解决方案的库(如图5所示的2bit解码器)可供使用，并可用更多的逻辑功能不断扩展。这些功能已被纳入基本PHEMT技术，并作为工艺选项提供给用户以满足应用需求。通过添加逻辑单元库和ESD参考电路，GaAs技术为用户提供了一套支持高性能毫米波前端的全新工具集。

图5：2bit解码器的逻辑功能，几种逻辑单元之一可用E/D PHEMT GaAs工艺实现。

除了功能，GaAs PHEMT平台还必须能够在28GHz的5mm天线间距或39GHz的3.75mm天线间距内容纳下小型化的前端。由于这些频率处过高的传输损耗，前端组件应靠近天线单元。业界的期望是前端MMIC要直接连接到天线板上，这就要求某种芯片级封装。为了实现这种装配能力并使MMIC尺寸最小，诸如PIH1-10的先进平台采用了一个带铜柱凸块的铜再分布层。凭借该技术固有的防潮性能，可以实现芯片级的毫米波前端。

总结

使用有源天线阵列的毫米波接入点将在5G网络服务的开发中发挥重要作用。随着业界开始采用混合波束赋形，设计师在选择半导体技术来满足特定用例时将具有更大的灵活性。严格的性能规格要求前端PA和LNA采用最佳的半导体技术。先进且高度集成的GaAs PHEMT平台将成为一种竞争技术，以降低硬件成本并实现高性能、单芯片的毫米波前端。

参考文献

1.        T. Cameron, “RF Technology for 5G Millimeter Wave Radio,” www.analog.com/media/en/technical-documentation/white-papers/RF-Technology-for-the-5G-Millimeter-Wave-Radio.pdf.

2.        B. Peterson and D. Schnaufer, “5G Fixed Wireless Access Array and RF Front-End Trade-Offs,” Microwave Journal, www.microwavejournal.com/articles/29707.

3.        D. Corman, “All-Silicon Active Antennas for 5G/SATCOM Terminals,” Microwave Journal, www.microwavejournal.com/articles/29708.

4.         B. Sadhu et al., “A 28GHz 32-Element Phased-Array Transceiver IC with Concurrent Dual Polarized Beams and 1.4 Degree Beam-Steering Resolution for 5G Communication,” 2017 IEEE ISSCC.