随着5G毫米波预期即将进入商用，行业内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。实现未来毫米波5G系统所需的基本组件是射频前端模块(FEM)。该模块包括发射机的终放大级以及接收机中前端的放大级以及发射/接收开关(Tx/Rx)以支持时分双工(TDD)。FEM必须在发射模式下具备高线性度，并在接收模式下具备低噪声系数。由于毫米波5G系统可能需要用户终端采用多个FEM构成相控阵架构或开关天线波束架构。因此FEM必须采用高效、紧凑和低成本的方式实现，且能简单控制和监测。

　　本文介绍了符合以上所有要求的28GHz 5G通信频段(27.5至28.35GHz)射频前端模块MMIC(单片微波集成电路)的设计、实现和验证。该射频前端由Plextek RFI公司开发，采用WINSemiconductors(稳懋半导体)的PE-15 4V电压、0.15μm、增强型GaAs PHEMT工艺实现。它采用紧凑型低成本且兼容SMT(表贴)安装的5mm x 5mm二次注塑兼容QFN封装，适用于大批量、低成本的制造。它涵盖27至29GHz，因此支持完整的28GHz 5G频段。

　　1.设计目标

　　FEM发射通道的设计着重于功率回退下实现高效率，以提供线性放大，这是5G通信系统提出的要求。功率回退下的目标功率附加效率(PAE)定为6%，三阶交调(IMD3)低于-35dBc(功率回退值：从1dB压缩点开始大约退回7dB)。对应1dB压缩点(P1dB)的RF输出功率定为20dBm。而接收通道需要在非常低的电流消耗下(15mA，+4V电源)，实现低于4dB的噪声系数(包括开关损耗)。

　　射频前端MMIC的功能框图如图1所示。发送信号路径从图的上半部分中的左侧延伸到右侧;输入端口位于标有“PA_RFin”的引脚上。输入信号由三级功放(PA)放大，然后通过RF功率检测器和单刀双掷(SPDT)开关连接至天线。片上定向功率检测器可监测发射出的射频输出功率，并且片上集成了温度补偿功能。带补偿的功率检测器输出由电压“Vref”和电压“Vdet”之间的差值决定。芯片内集成了由(低电平有效)逻辑信号“PA_ON”控制的快速开关赋能电路(图1中的PA赋能电路)。可在发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，限度地提高整个系统的效率。

　　图1：28GHz 5G通信射频前端模块芯片的功能框图

　　PA通常会工作在从压缩点回退几dB的条件下，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左右的性能。为了在该工作条件下达到较优的PAE，PA将偏置在深AB类。

　　2.设计折中策略

　　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、偏置点、目标阻抗、PA级数和驱动器比率等关键信息，为后续精细的功率放大器设计奠定了坚实的基础。

　　这项工作的一个重要部分在于确定如何限度地提高功率回退下的PAE。一般来说，可通过降低器件静态偏置电流密度来实现。但是该方法中电流密度可往下调的范围受限于增益和线性度约束，因为这两者都随着电流密度的降低而恶化。功率回退条件下的PAE和增益与线性度之间有明确的折中关系。

　　设计中主要关心的线性度指标是在功率回退条件下，IMD3必须小于-35dBc。如图2所示，在偏置电流降低的情况下，IMD3性能对基频负载条件特别敏感。图2a显示了偏置为深AB类的8×50μm器件在4V、75mA/mm时的负载牵引仿真结果，并标出了P1dB下的PAE点对应的负载。该图还给出了仿真所得该负载和功率回退条件下IMD3的性能，表明离-35dBc的指标还有大约4dB的裕度。仿真的PAE在该功率回退条件下约为15%，且该效率只计入器件的作用，不包括任何输出损耗。图2b显示了相同器件和偏置工作条件下，P1dB功率点对应的负载以及IMD3等信息。发现在相同的相对功率回退情况下，其IMD3的性能明显更差，超出指标5dB以上，而此时PAE和前一种条件相似，约为15.7%。

　　图2：P1dB条件下PAE对应的阻抗点以及对应的功率回退条件下的IMD3(a);P1dB条件下功率对应的阻抗点以及对应的功率回退条件下的IMD3(b)。

　　进一步评估了史密斯圆图上的其他阻抗点下，功放的P1dB和功率回退两种条件下的性能。图2a中的负载条件明显具有的综合性能，因此被选定用于输出级设计。终选择了52mA/mm的偏置电流，并选择了8x50μm器件作为输出级的基本单元，以满足功率指标要求。并根据总的传输增益指标确定了需要三级放大。