Page 30 - MWJC_MayJun2018_eMag
P. 30
TechnicalFeature 技术特写
作时，测量和仿真的PAE和总射频输出
25 Power at IMD3 = 35 dBc_meas 16 功率的关系图。测得的PAE达到较好的
Tx Power (dBm) / PAE (%) 15 PAE at IMD3 = 35 dBc_sim Gain & Noise Figure (dB) 12 8 6 4 NF 类。总射频输出功率大约为13.5dBm，这
Power at IMD3 = 35 dBc_sim
14
6.5%，主要是由于PA被设计工作在深AB
20
PAE at IMD3 = 35 dBc_meas
10
Gain
Gain (Sim.)
对应于+28dBm的OIP3功率。
NF (Sim.)
10
根据片上射频通道功率检测器的特
5
功率的大小。图10给出了温度补偿检测
0
26 27 28 29 30 2 0 26 27 28 29 30 性，可通过一个直流电压监测射频输出
器输出电压“V ref -V det ”（mV为单位，
Frequency (GHz) Frequency (GHz) 对数坐标）与输出功率（单位dBm）的
图9：7dB功率回退下发射通道测试和仿 关系，包含了超过15dB的变化范围。在
真所得的功率和PAE比较。 图11：接收通道测试和仿真所得增益与 对数坐标下这个特性关系是线性的，使
噪声系数。
得功率监测更容易。
当使用 FEM 的接收通道时， PA
1000 30
被关闭，“V ctrl1 ”设置为0V，LNA被
Tx V ref-V det (mV) 100 OIP3 (dBm) 20 OIP3 “LNA_V sense ”引脚上观察到3.9V电压。
25
偏置在+4V电源下10mA左右，此时在
图11给出了测量和仿真增益和噪声系数
15
P1dB
（NF）的比较。测得的小信号增益约
10 10 5 为13.5dB，整个频段的增益平坦度达到
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 ±0.3dB。接收通道具有极佳的噪声系
P out (dBm) 26 27 28 29 30 数，从27到29GHz的典型值为3.3dB，且
Frequency (GHz) 仿真和测量到的性能之间具有良好的一
图10：28GHz时射频前端模块发射通道 致性。
的片上功率检测器输出特性曲线。 图12：接收通道测试所得P1dB和OIP3。 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
从芯片到PCB的射频过渡界面。设计了 小信号增益（S 21 ）为17.1dB±0.4dB。 40mW：4V时10mA）。诸如P1dB和
定制的引线框架用于实现该过渡，并且 输入反射衰减（S 11 ）在整个频段优于 OIP3等关键指标在整个频段分别为6.2
封装体上的射频端口都被设计为接地-信 18dB。由于输出匹配是按功率回退条件 和21dBm左右。图12是测试所得P1dB和
号-接地（GSG）界面。 下最佳PAE设计，而不是最好的S 22 ，尽 OIP3随频率变化的关系。
完成加工制造之后，对多块芯片进 管如此测量到的S 22 （未给出图示）在整
行了在片射频测试，以便在封装之前确 个频带上为8dB或更好。 结论
认芯片达成了一次流片即成功的设计目 以输出为参考的发射通道的三阶 本文介绍的射频前端MMIC将在未
标。这里没有给出在片射频测试结果， 截取点（OIP3）以100MHz的频率间隔 来的28GHz频段5G系统中发挥关键作
给出的所有结果都是芯片完整封装后安 进行评估，以反映5G系统中的宽信道 用。该模块已经验证可以满足集成到毫
装在典型PCB评估板上后测量得到的。 带宽。图6是典型射频前端模块的实测 米波相控阵或波束切换终端的所有要
PCB评估板采用低成本层压板材料 OIP3与有用频率的功率之间的关系图， 求，并提供卓越的发射通道线性度和效
设计，适合大批量生产。将封装好的射 其功率范围从1至11dBm。可以看出该 率，同时还有出色的接收噪声系数。发
频前端模块样品组装到PCB评估板上； 5G频段上的OIP3约为+28dBm，有用频 射和接收通道的关键性能指标都达到了
所有测量的性能都校准到PCB评估板上 率功率在10dB范围内变动时，OIP3变化 设计要求，使得该模块非常适合毫米波
的封装引脚处，从而包含了芯片到PCB 很小。测量到的和仿真的OIP3与频率的 5G应用。该芯片还包括了多种实用的功
过渡结构的影响。设计了TRL校准单元 关系如图7所示，具有良好的一致性。 能，如发射功率检测器、发射和接收赋
来将测量的性能校准到封装的参考面。 尽管5G通信系统需要线性放大来 能电路，SPDT译码器电路和接收偏置
图4显示了TRL校准PCB板，以及一块 保持调制保真度，但为了提供一个便于 监测电路。采用最先进的0.15μm增强型
PCB评估板的照片。 比较的性能指标，还是有必要测量输出 砷化镓PHEMT工艺实现。该模块非常易
射频前端模块MMIC安装在PCB P1dB和PAE。测量所得性能如图8所示， 于使用常见的多通道ADC和DAC芯片进
上，并以封装的射频引脚为参考面获取 可见P1dB在20.2dBm左右，并在饱和时 行控制和监测。此外，该模块可方便地
验证结果。在验证过程中使用市售的多 上升到21dBm。FEM的发射通道PAE约 封装在一个紧凑且低成本的5mm×5mm
通道DAC和ADC芯片来控制和监测射频 为20%，仅在该频带的高段略有下降。 QFN表贴塑料封装中。■
前端模块。该射频前端模块不需要任何 如上所述，该FEM的设计是为了
参考文献
负电压，因为它采用的是增强型工艺。 实现从P1dB回退7dB左右时的最佳性能 1. L. Devlin, “The Design of Integrated Switches and Phase
图5给出了一个典型射频前端模块的发 指标（OIP3和PAE）。具体指标是在 Shifters,” Proceedings of the IEEE Tutorial Colloquium on
Design of RFICs and MMICs, November 24, 1999, pp. 2/1-
射通道的测量与仿真S参数的比较。测 100MHz间隔的双频测试中，IMD3（三 14.
量数据和仿真结果相当吻合。在此模式 阶交调项）相对于所需有用信号，要 2. S. Glynn and L. Devlin, “The Design of a Dual-Band PA
for mmWave 5G Applications,” Proceedings of the RF and
下，LNA被关闭，SPDT控制位“V ctrl1 ” 低-35dBc。这个工作点很接近于该射频 Microwave Society (ARMMS) Conference, November 13,
切换为高电平，而PA则偏置在+4V电压 前端将用于的5G系统的设定要求。 2017.
下约70mA总静态电流。从27到29GHz， 图9显示了在-35dBc的IMD3点工
28 Microwave Journal China 微波杂志 May/Jun 2018
