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TechnicalFeature 技术特写

28GHz 5G通信单片

射频前端模块的设计

Design of a Single Chip Front-End Module for 28 GHz 5G

Stuart Glynn, Robert Smith, Liam Devlin, Andy Dearn and Graham Pearson
Plextek RFI公司，英国

随 着5G毫米波预期即将进入商用，行业内 设计目标
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 FEM发射通道的设计着重于功率回退下
毫米波5G系统所需的基本组件是射频前端模块 实现高效率，以提供线性放大，这是5G通信
（FEM）。该模块包括发射机的最终放大级以 系统提出的要求。功率回退下的目标功率附加
及接收机中最前端的放大级以及发射/接收开关 效率（PAE）定为6%，三阶交调（IMD3）低
（Tx/Rx）以支持时分双工（TDD）。FEM必须 于-35dBc（功率回退值：从1dB压缩点开始大约
在发射模式下具备高线性度，并在接收模式下 退回7dB）。对应1dB压缩点（P1dB）的RF输出
具备低噪声系数。由于毫米波5G系统可能需要 功率定为20dBm。而接收通道需要在非常低的电
用户终端采用多个FEM构成相控阵架构或开关 流消耗下（最大15mA，+4V电源），实现低于
天线波束架构。因此FEM必须采用高效、紧凑 4dB的噪声系数（包括开关损耗）。
和低成本的方式实现，且最好能简单控制和监 射频前端MMIC的功能框图如图1所示。发
测。 送信号路径从图的上半部分中的左侧延伸到右
本文介绍了符合以上所有要求的28GHz 5G 侧；输入端口位于标有“PA_RF in ”的引脚上。
通信频段（27.5至28.35GHz）射频前端模块 输入信号由三级功放（PA）放大，然后通过RF
MMIC（单片微波集成电路）的设计、实现和验 功率检测器和单刀双掷（SPDT）开关连接至
证。该射频前端由Plextek RFI公司开发，采用 天线。片上定向功率检测器可监测发射出的射
WIN Semiconductors（稳懋半导体）的PE-15 4V 频输出功率，并且片上集成了温度补偿功能。
电压、0.15μm、增强型GaAs PHEMT工艺实现。 带补偿的功率检测器输出由电压“V ref ”和电压
它采用紧凑型低成本且兼容SMT（表贴）安装 “V det ”之间的差值决定。芯片内集成了由（低
的5mm×5mm二次注塑兼容QFN封装，适用于 电平有效）逻辑信号“PA_ON”控制的快速开
大批量、低成本的制造。它涵盖27至29GHz，因 关赋能电路（图1中的PA赋能电路）。可在发
此支持完整的28GHz 5G频段。 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，
PA_ON 最大限度地提高整个系统的效率。
PA_V g12 PA_V g3 PA_V d12 PA_V d3 V ref V det
PA通常会工作在从压缩点回退几dB的条件
PA赋能电路
功率检测器 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
PA_RF in SPDT 左右的性能。为了在该工作条件下达到较优的
PA
天线 PAE，PA将偏置在深AB类。

LNA 设计折中策略
LNA_RF out
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、
LNA SPDT 偏置点、目标阻抗、PA级数和驱动器比率等关
赋能电路 控制电路
键信息，为后续精细的功率放大器设计奠定了
LNA_V sense LNA_V d LNA_V g LNA_ON VD_SW V ctrl1 V ctrl2
坚实的基础。
图1：28GHz 5G通信射频前端模块芯片的功能框图。 这项工作的一个重要部分在于确定如何最

22 Microwave Journal China 微波杂志 May/Jun 2018