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TechnicalFeature 技术特写
110 40.0 或GaN还是结合使用 结温对于被动冷却式阵列至关重要。
单元增益=8dBi EVM = 8% 这两者。GaAs PA的 如图17所示，39GHz FEM将两个
100 EVM = 6% 35.0
EVM = 4%
GaN P ave/信道 裸片尺寸使 FEM 无 多功能GaN MMIC集成至一个嵌入散热
90 30.0 法满足39GHz频段下 板的空腔表贴封装中，使得封装大小
25.0
功耗(W) 70 20.0 P ave /信道(dBm) 3.75mm这个严苛的格 可以满足39GHz频段下的阵列单元间距
80
栅间距要求。在输出
要求。每个GaN MMIC包含一个三级线
2-Stage 15.0 功率相当的情况下， 性PA、三级LNA和一个低损耗高线性
60 GaAs 10.0 GaN PA的裸片尺寸 度SPDT开关。FEM覆盖37.1至40.5GHz
50 3级 SiGe 5.0 只有GaAs PA的1/4， 频段，并可实现23dBm的平均输出功
40 0 同时不会降低增益， 率，从而支持256-QAM EVM电平和
16 40 64 88 112 136 160 184 208 232 256 280 304 328 352 376 400 424 448 472 496 512 且效率稍有提高。考 24dB发射增益。在接收模式下，NF为
有源信道的数量 虑到采用 LNA ，我 4.1dB，接收增益为16dB。封装尺寸为
图16：64dBm EIRP的系统功耗与阵列大小以及EVM的关系。 们选择了90nm GaAs 4.5mm×6.0mm×1.8mm。 7-8
PHEMT工艺，因为
至23dBm的有源信道，具体取决于EVM 它的NF略占优势。然而，在考虑使用额 总结
目标。图16所示趋势是PA效率越低，随 外的焊线和50Ω匹配网络后，其净改进 FWA商业化很快就会实现，原因在
之波束成型器的效率则也越低。换句话 只是几个十分之一dB。经过权衡分析我 于低成本频谱资源丰富、早期监管和标
说，选择将阵列大小增加8倍以实现完 们得出，最好继续采用允许PA、LNA和 准制定工作得当，并且运营商有机会快
全采用SiGe的解决方案要付出一定的代 T/R开关进行相互匹配的单片GaN设计。 速开拓一个新市场。剩下的挑战是要有
价，因为输入信号被分为更多条路径， 这样的设计风险更低，更易于装配和测 可用的设备能够以合理成本闭合链路。
且需要使用线性偏置型耗电器件将信号 试，且可采用尽可能紧凑的MMIC。系 业界正在摸索采用混合波束成型架构和
放大。 统热分析表明，GaN-on-SiC提供的更高 全数字波束成型架构。这些架构可充分
成本分析 利用不同商用半导体工艺的各自优势。
相控阵的成本包括RF组件、印刷电 在任一种架构中使用GaN前端都可以帮
路板材料和天线成本。采用化合物半导 助运营商和制造商实现高EIRP目标，
体前端可将阵列大小立即减少到1/8， 同时最大限度地减少成本、复杂性、尺
同时PDISS不会增加。即使采用较低成 1875 µm 寸和功耗。为了证明可行性，Qorvo开
本的印刷天线技术，也可以大大节省昂 发了一个基于高度集成GaN-on-SiC T/R
贵的天线基板材料成本。考虑到组件成 MMIC的39GHz FEM，并正在开发可在
本，目前采用4英寸晶圆制成的150nm 适用于5G系统的其他毫米波频段中使用
GaN-on-SiC，每平方毫米成本仅为8英 2700 µm 的类似FEM。■
寸130nm SiGe的4.5倍。随着6英寸GaN (a)
生产线开始实现大批量生产，GaN的成 参考文献
1. International Telecommunications Union, ITUR
本会降至SiGe的3倍。表3简要说明了这 LNA Radiocommunications Sector of ITU, “IMT Vision–
两种技术的假设和相对原始裸片成本比 Rx1 SW Framework and Overall Objectives of the Future
Development of IMT for 2020 and Beyond,” August 2015,
较。采用高功率密度型化合物半导体 PA ANT1 www.itu.int/dms_pu-brec/itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-
（如采用6英寸晶圆制成的GaN）时，可 Tx1 201509-I!!PDF-E.pdf.
6 mm 2. International Telecommunications Union, Resolution 238
将完全采用SiGe的架构原始裸片成本降 LNA (WRC-15), “Studies on Frequency-Related Matters for
Rx2 SW
低35%。虽然每个组件的硅技术成本较 ANT2 International Mobile Telecommunications Identification
Including Possible Additional Allocations to the Mobile
低，但整个系统的成本明显更高。 PA Services on a Primary Basis in Portion(s) of the Frequency
Tx2
Range 24.25 and 86 GHz for Future Development of IMT-
GaN前端模块 4.5 mm 2020 and Beyond,” 2015, www.itu.int/dms_pub/itu-r/
oth/0c/0a/R0C0A00000C0014PDFE.pdf.
(b)
为了验证适用于毫米波FWA阵列的 3. Federal Communications Commission, “Use of Spectrum
GaN FEM概念，Qorvo着手设计功率最 Bands Above 24 GHz for Mobile Radio Services, In the Matter
of GN Docket No. 14-177, IB Docket No. 15-256, RM-11664,
高、NF最低且可用于37至40GHz频段的 WT Docket No. 10-112, IB Docket No. 97-95,” July 2016,
apps.fcc.gov/edocs_public/attach-match/FCC-16-89A1.pdf.
FEM。为支持集成式发射/接收阵列的 4. 3GPP TR 38.901, “Study on Channel Model for Frequencies
发展趋势，前端包括一个PA、集成式 from 0.5 to 100 GHz,” September 2017, www.3gpp.org/ftp//
Specs/archive/38_series/38.901/38901-e20.zip.
T/R开关和一个噪声系数较低的LNA。 5. A. F. Molisch et al., “Hybrid Beamforming for Massive
该模块具有足够的增益，可由核心波 MIMO: A Survey,” IEEE Communications Magazine, Vol.
55, No. 9, 2017, pp. 134–141.
束成型器RFIC驱动，典型驱动电平为 6. B. Sadhu et al., “7.2 A 28GHz 32-Element Phased-Array
2dBm。通过进行与图16类似的分析， Transceiver IC with Concurrent Dual Polarized Beams and 1.4
Degree Beam-steering Resolution for 5G Communication,”
我们将FEM的P AVE 选择为23dBm，并通 2017 IEEE International Solid-State Circuits Conference
过分析支持ACPR≥33dBc回退线性度、 (ISSCC), San Francisco, Calif, 2017, pp. 128–129.
7. B. Kim and V. Z. Q. Li, “39 GHz GaN Front-End
EVM≤4%以及一个400MHz正交频分复 MMIC for 5G Applications,” 2017 IEEE Compound
用（OFDMA）波形所需的裕量，确定 (c) Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS),
Miami, Fla., 2017, pp. 1–4.
了P SAT 。 图17：集成式39GHz GaN前端MMIC – 特 8. “QPF4005 37-40.5 GaN Dual Channel FEM Datasheet,”
一个关键设计决策是确定使用GaAs 意模糊图(a)、双信道FEM(b)和封装(c)。 www.qorvo.com/products/d/da006271.
56 Microwave Journal China 微波杂志 Mar/Apr 2018
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