回顾5 g cm-Wave和mm-Wave频率功率放大器的设计

文摘

5 g无线革命提出了巨大的挑战手机和通信基础设施的设计,5 g的目标高于10 Gbps下载速度使用毫米波(mm-Wave)谱和多输入多输出(MIMO)天线,连接密集部署的无线设备Internet-of-Everything(埃克斯波特学院),和非常小的延迟时间ultrareliable机器类型通信,等等5 g的宽带调制带宽射频发射器(即。、最大甚至高于1 GHz)要求高功率效率和严格的线性功率放大器(PA)。此外,众多的相控阵天线系统天线射频前端(复位触发器)需要前所未有的高与低成本集成级别,使5 g PA的设计最具挑战性的任务之一。厘米波(cm-Wave) 5 g系统可能会部署在市场比mm-Wave同行,我们将回顾本文最新发展GHz 15日和28日GHz 5 g cm-Wave不广泛,同时也包括一些关键mm-Wave不是文学。我们的审查将专注于设备技术的可用选项,新颖的电路和系统架构,和效率增强技术在电源关闭后5 g PA的设计。

1。介绍

第五代(5克)在最新的无线移动网络带来革命,使无线下载速度超过10 Gbps eMBB(增强型移动宽带)应用程序,用100 x比4 g无线连接设备mMTC(巨大的机器类型通信),使埃克斯波特学院(Internet-of-Everything),低于延迟女士与你/你即时行动,mMTC (ultrareliable机器类型通信)(1]。这将是极具挑战性达到那些积极的5 g性能指标,因此5 g革命将发生在阶段。prestandard 5 g在2014时代,基准5 Gbps的速度已经达到了在现场无线测试网络从爱立信使用一个创新的新收音机接口概念结合先进的MIMO技术与更广泛的带宽和更短的传输时间间隔15 GHz。更高的频率cm-Wave / mm-Wave 5 g,它可能会开始从固定无线部署,Verizon提议自己的5 g规范如“Verizon 5 g无线技术”或“V5G”。另一方面,2017年3月,3 gpp出版其第一份研究项目报告5 g的新收音机(NR)、下一代5 g移动网络标准,和可能的全球5 g标准新OFDM-based空中接口设计支持的广泛变异5 g设备类型、服务、部署,和光谱。V5G和5 g NR的最大区别是应用专注:V5G仅限于固定无线接入28 GHz,但5 g NR是针对所有无线通讯应用程序对所有频率(固定及移动)。V5G打算部署高密度cm-Wave / mm-Wave小细胞(即。,base stations) that will communicate with commercial box set UEs, such as a wireless MODEM or a cable box. With the billions of wirelessly connected devices available for 5G, it becomes particularly critical that one must minimize the power consumption of individual wireless devices and back station/base station (BST) as well as the overall 5G system power consumption to achieve the critical reduction in energy usage spec by almost 90% over existing 4G networks [2]。而不是只使用增速低于GHz光谱像2 g / 3 g / 4 g蜂窝网络所做的在过去,至少5 g的一些设备和网络也将运行在更高的cm-Wave和mm-Wave受益于更大的可用频谱带宽、频率较小尺寸的大规模分布式天线相控阵天线的三维波束形成(3 dbf)。

众所周知射频功率放大器的性能(RF PA)通常可以主宰整个发射机(TX)性能,作为其power-added (PAE)决定了电力和散热效率对整个TX。增强用户体验和大规模的MIMO天线在cm-Wave / mm-Wave频率,5 g系统将需要更多的不是集成的射频前端模块(《),使5 g PA的设计更重要比4 g。任何成功的商业5 g应用程序,输出功率()、线性度、可靠性、成本和考评的形式因素都是非常重要的。

图1说明了有吸引力的一个例子5 g有限元IC cm-Wave / mm-Wave阵列设计了相控阵天线。5 g PA,低噪声放大器(LNA), T / R开关、移相器和各种被动者都集成到有限元IC如图1的架构,而不同于3 g / 4 g同行和更高级别的集成电路集成。在某些情况下,天线可能直接打包的有限元在圆片规模集成电路来实现更高的整合与合理的性能3,4]。有限元法的高集成要求集成电路和大规模天线系统可能支持硅基技术5 g移动产品,即使砷化镓和氮化镓《通常比硅同行(有更好的表现3- - - - - -7]。除了高集成要求,随着TX操作频率cm-Wave / mm-Wave频率,这已被公认为一个非常困难的任务设计一个高效的线性PA克服过热问题实现了巨大的成功。注意,我们考虑15 GHz和28个GHz设备操作在综述cm-Wave但不是mm-Wave频率,即使这个行业经常“mis-labels”这些设备“mm-Wave设备”为营销目的。例如,高通的5 g的新收音机(NR)展示了一个令人印象深刻的“5 g mm-Wave”在28 GHz原型手机在公元2017年操作,但它应该是称为cm-Wave原型,因为它从来没有超过30兆赫进行操作。在本文中,我们将重点调查最新的关键开发和设计例子cm-Wave 5 g PA设计(即。,一个t 15 and 28 GHz), since the cm-Wave 5G devices and networks will most likely be deployed earlier than their mm-Wave counterparts. In a particular case, Qualcomm is accelerating mobile deployments for smartphones based on 5G NR Release-15 specification, where the cm-Wave RF front-end design is optimized in a smartphone form factor, with multi-MIMO, adaptive beamforming, and beam tracking, supporting 5G NR interoperability testing and over-the-air trials [8]。其他许多公司投入了大量的资源在实现5 g的革命,我们相信,增速低于GHz乐队和cm-Wave频率将首先利用。注意15 ghz乐队将分配给5 g,但在WRC15不分配作为候选人乐队。

本文的概述如下。部分2论述了设备技术选择5 g不是。部分3和4现在一些最新设计的例子5 g不是15 GHz和28 GHz,分别。部分5提出了一些效率增强技术在电源关闭后cm-Wave和mm-Wave,包括动态调节供应,全数字架构,和宽带Doherty PA与数字调优。

2。设备技术5 g PA的选择

今天,大多数的手机不是仍在III-V半导体器件设计技术由于其优越的频率响应,故障的鲁棒性,比硅和更快的上市时间9,10]。因为今天的基站不需要很高 ,他们主要是设计低成本的硅LDMOS(横向扩散场效应管)子- 3.5 GHz的乐队,在砷化镓或氮化镓在更高的频率,这取决于确切的需求(11,12]。例如,GaN设备有能力操作6 - 8 W的功率密度/ mm门外围的4 g蜂窝乐队和可以提供一个令人印象深刻的功率密度为3.6 W /毫米86 GHz在连续波(CW)操作11]。在一个单独的工作,达到了3.6瓦特在83 GHz在脉冲模式(11),硅PA技术(LDMOS、锗硅CMOS)不能匹配。然而,硅基射频不是有优势提供更高的单片集成电路与添加功能(例如,芯片上的数字控制/选择功率检测、自适应匹配,和数字预失真(DPD)),它可以转化为更低的成本和更小的尺寸对宽带多模多波段5 g手机的吸引力巨大的天线系统,显示在图1。实际上,锗硅不是已经在数十亿射频《WLAN和3 g / 4 g手机今天,尽管III-V基础不是仍然主导手机市场。未来几年的增速低于GHz“5 g-like”LTE-Advanced系统与天线系统将测试第一个为高于6 GHz移动网络。因为高cm-Wave / mm-Wave载波频率和巨大的MIMO技术部署,个体“true-5G”手机或小细胞PA预计将较低需求比目前用于4 g LTE的应用程序。作为一个例子,表1展示了我们的估计要求5 g小细胞和大型应用程序。一个可以看到5 g不是用于家庭基站和微微细胞都有相当低的需求/ PA(即。,< 20 dBm), which means they could be realizable by silicon-based PAs. A 5G macrocell, on the other hand, will probably need to utilize GaN or GaAs PAs due to their larger要求。功率效率、鲁棒性和成本最终会确定一个给定的首选设备技术5 g PA的应用程序。

看到爸爸设备技术可以优化一个5 g对于一个给定的应用程序,我们有了相当多的数据点对应的文献的最新cm-Wave / mm-Wave不是图2对各种技术。我们展示了一些最好的硅基不是,CMOS SOI堆放不与权力相结合并把锗硅堆PA展示了最好的mm-Wave硅不是[5- - - - - -22]。应用程序,需要在15 ~ 3到10瓦以上GHz以上,人物2表明先进的硅与III-V同行竞争不是还有困难,不能够超过几瓦射频输出在cm-Wave / mm-Wave频率而砷化镓/氮化镓不可以。注意大多数报道GaN X / ku波段不是大功率防御或航空航天应用程序,但这里我们预计GaN PA 5 g的也可以是很有吸引力的市场~ 3 - 10瓦的水平。

3所示。5 g PA设计15 GHz在几个设备技术

正如上面提到的,估计要求5 g小细胞(家庭基站和微微细胞)/ PA(即都相当低。,< 20 dBm), meaning that they could be realizable by silicon-based PAs according to Figure2。5 g宏单元,另一方面,可能需要氮化镓和砷化镓不是由于他们的高和PAE需求。成本和集成级别也将是至关重要的因素在决定给定5 g PA的首选技术实现。Nakatani等。最近报道一个令人印象深刻的15个GHz 5×5毫米²有限元IC集成一个三级PA,两级放大器,在0.15 T / R开关m砷化镓5 g宽带技术大规模分布式天线(23]。巴勒斯坦权力机构的最后阶段是设计一种新型Doherty配置使用一个输出寄生电容()补偿方法如图3。多尔蒂拓扑选择减轻PA的效率退化的电源关闭后;然而,很难设计一个Doherty PA PAE /高宽带由于频率相关λ/ 4逆变器所需的输出负载调制。传统Doherty PA,众所周知,主放大器(主要)和辅助放大器(辅助)匹配电路是直接连接的外部参考平面晶体管(包含输出寄生帽)。晶体管的输出阻抗匹配网络变换50Ω,和一个λ/ 4倒传输线(TL)主要连接后,可改变负载取决于内在的节点的水平。传统的多尔蒂PA因此可以实现高PAE退下的窄带信号。然而,对于提出的宽带15 GHz Doherty PA在图3删除,频率相关匹配中和使用并联电感器(通过共振)。谐振器槽后的主放大器如图3,一个λ/ 4倒TL连接负载调制的节点根据其内在 。的特性阻抗在图3的最佳阻抗高吗的性能。模拟表明有效负载调制的带宽高,PAE股权内在节点可以在15 + /−10% GHz。测量数据显示最后阶段Doherty PA和三级PA实现排水效率(DE) 8 dB退下的22%和12%,分别= 4 V 14.5 - -15.0 GHz。

15个GHz射频有限元的照片打包在一个32-lead QFN使用以上强度砷化镓PA如图4,加上原型64个元素数组面板5 g大规模应用MIMO BST /小细胞(23,24]。有限元法包括所有射频活性成分(LNA、PA、移相器、开关等),射频无源元件(天线、过滤器、组合器/分频器,等等),电源管理和控制电路。射频基板是一个多层PCB与射频被动者在其内部层。每个集成电路和外部接口安装在它的表面,而在相应的天线元素之间的距离λ/ 2。

硅基cm-Wave 5 g的私人助理,显示在图2最近的文献显示,CMOS SOI堆放不/没有电源结合和堆叠锗硅PA展示了最好的(15- - - - - -22]。图给出了一个例子5,一个三级4-stack场效应晶体管CMOS 15 GHz 5 g PA报告(25]。PA的设计使用512 multigate-cells 4-stack输出设备有614μm有效门宽度。大功率输出阶段,连同两级共源共栅pre-drivers实现超过30 dB线性增益围绕13.5 GHz。巴勒斯坦权力机构实现> 25.1 dBm和32.4%的峰值,PAE股权在13.5 GHz。的小信号−3 dB带宽2.6 GHz (~ 20%)。饱和的巴勒斯坦权力机构提供了最佳的组合和PAE报道日期15 GHz CMOS不是。

注意大多数报道GaN X / ku波段不是大功率防御或航空航天应用程序,但我们预计GaN PA可以5 g PA市场非常有吸引力~ 3 - 10瓦特/ PA水平。一个高效双级完全集成15 0.25 GHz PA设计一种低成本的μm GaN / SiC过程近日报道,如图6(26]。Postlayout仿真表明PA具有很高的小信号增益24分贝,=−41.2分贝,=−10.0 dB在15个GHz =−12.3 dB。顶峰,PAE股权达到36.6%对连续波输入= 34 dBm。Postlayout模拟还表明,动态从28 V - 10 V电源调制可能小幅提高PA的效率在电源关闭后。当巴勒斯坦权力机构与5/10/20 MHz LTE 16 QAM调制信号,模拟输出光谱和相邻信道泄漏率(ACLR)= 29.6 dBm通过LTE光谱发射面具(SEM)没有任何预失真,和更广泛的调制信号的带宽从5 MHz至20 MHz并不明显恶化在RF PA线性数字cosimulations +。先进的文献调查表明这种高效15 GHz GaN和线性PA 5 g PA应用程序可能很有吸引力~ 1瓦特的水平,随着氮化镓PA最小的模具尺寸(1.78×0.78毫米²),第二高峰,PAE股权(即。,36。6%), and is the only one reported passing the output SEM specs with LTE 16 QAM input (= 15.0%),尽管它是最低的设备而设计的~ 27 GHz。然而,测量数据证实postlayout所需的仿真结果。

4所示。5 g PA 28 GHz几个技术而设计的

工作(27)是最早的例子之一的行业报告一个完全集成的设计及其测量结果28 GHz有限元集成电路,其目的是在0.15μ砷化镓pHEMT过程(名义 = 65/95 GHz, drain-to-gate击穿电压= 12 V)。模具的有限元IC如图7,其中包括三级PA、三级LNA、和单刀双掷T / R开关。巴勒斯坦权力机构由三个同源性疾病阶段门160年的外围μ米、300μ米,750μm。测量装置数据显示最高功率密度630 mW /毫米,从而输出级门外围计算达到26 dBm死,可以达到30 dBm线性附近(等效全向辐射功率)上行,假设这些有限元ICs使用四个元素数组。司机的门外围阶段选择维持高PAE获得驱动最后阶段有足够的压缩。所有阶段的偏见在AB类模式优化增益/效率的权衡;然而,在这项研究中没有测量线性数据的报道。输出匹配网络设计非线性load-pull模拟优化权力和PAE,而级间匹配网络设计共轭匹配两个设备获取最大利益,使用并联的组合MIM (metal-insulator-metal)电容器并联微带传输线(TLs),和系列微带TLs创建带通滤波器,提高频率稳定度。直流偏置网络还包括一个电阻,多波段拒绝过滤器来帮助稳定PA。

第一次线性散装CMOS PA针对低功耗28 GHz 5 g移动用户设备(UE)集成相控阵收发器应用程序报告(28- - - - - -30.]。巴勒斯坦权力机构的输出阶段首先是优化PAE的期望误差向量幅度(维生素)和范围。接下来,感应源退化在优化输出阶段中使用两级变压器耦合PA如图8。设计故意扩大级间阻抗匹配带宽来帮助减少失真。小14 pH值感应变性选择设计,在降低设备功率增益= 12 dBm从10到8分贝的同时减少了PAE从48%到44%在测量测试设备。可能不必要的损失与14 pH值电阻串联也导致了PAE退化。所选的,然而,不降低PA的显著。作者也最小化地面路径阻抗的测试装置通过使用宽,堆叠为接地装置周围的金属网。模具的照片这28个GHz PA如图9。28 nm散装CMOS PA达到+ 4.2 dBm线性的PAE股权为9%(维生素=−25 dBc)使用一个250 MHz 64 QAM OFDM输入(地表铺面~ 9.6 dB)。巴勒斯坦权力机构也达到35.5% / 10% PAE对连续波输入/ 9.6 dB退下。这些都是最高的测量PAE值K - ka波段CMOS不报道。

接下来,最先进的28个0.13 GHz 32-element相控阵收发器集成电路设计μm锗硅BiCMOS过程( = 200/280 GHz)并发双偏振光束和1.4°光束转向分辨率为5 g通信被苦行僧近日报道等。(31日)(图9)。报道射频识别支持并发和独立的双极化16-element梁(H和V)操作TX或处方模式,可以集成在一个volume-efficient antenna-in-package数组。一个新T / R开关共享天线接口支持高没有太多PAE退化的PA, TL-based移相器实现< 1°均方根误差和< 5°阶段步骤精确波束控制,而且还最大限度地降低电路元件的数量。如图10,每个TX / RX股票天线信号路径,一个被动的移相器和一个被动的合路器/分配器TX和RX在TDD(时分双工)操作使用3 TX / RX开关。没有进入整个相控阵SoC的设计细节,我们只会专注于讨论射频前端T / R SoC集成电路部分的设计,其中包含的PA, vga(可变增益放大器),LNA、移相器、T / R开关。

每个RFFE IC如图10包括一个T / R开关的插入损耗最小化TX模式。在传统的T / R开关,每个λ/ 4 TL-based开关串联与PA或LNA、导致类似的插入损失TX和RX模式。在此提出的设计,λ/ 4开关输出的共源共栅PA消除避免TX-mode插入损耗,改善其PAE(图11)。此外,在处方模式,输出导纳的断开的爸爸提出了一个低电导实部与高电纳归纳部分。然而,这个提议设计利用两个切换电容器共振感应部分,实现真正的TX输入阻抗高RX信号流向LNA最大化。模拟TX 2比特的阻抗不同状态切换电容器比较传统开关阻抗史密斯圆图如图11。的删除λ/ 4开关在这个TX设计改善和1.2分贝,而它只降低了RX NF 0.6 dB(噪声图)。这些测量数据显示> 16 dBm /信号通路和PA +开关最高效率> 20%,同时仍然保持6 dB NF LNA +开关部件。作者计算出一个额外的1.2 dB TX损失/路径的传统方法会消耗2.35 W T / R开关(或23%)更大的权力在菲比提出了集成电路设计实现是一样的 。

到目前为止,我们已经讨论了各种电路架构5 g cm-Wave不是在不同的集成水平、氮化镓、砷化镓、锗硅BiCMOS CMOS,技术都使用。预计要求,以及成本和5 g有限元法的鲁棒性,将所有重要的决定最优设备技术和RFFE集成电路架构对于一个给定的5 g cm-Wave / mm-Wave PA的设计。因为它是平均PAE但不是高峰PAE的PA,决定了电力和散热效率增强技术在电源关闭后应讨论下。

5。5 g PA效率增强技术在电源关闭后

5.1。与动态电源调制

5 g波形高地表铺面,类似于4 g / WLAN,这些波形将不可避免地降低PA的效率在电源关闭后,大大恶化的平均PAE。因此,Doherty PA和supply-modulated PA被认为非常有吸引力的效率提高5 g PA的设计。我们将专注于电源调制技术在这一节中,讨论一些宽带Doherty 5 g PA技术在下一节的结论。

图12显示了一个简化发射机使用包膜跟踪框图(ET)技术在电源关闭后电源调制来改善PAE [32]。设计使用linear-assisted信封调制器(EM,也称为信封放大器),在射频输入信号进入PA包含AM(调幅)和点(相位调制)组件。李等。提出了详细的设计实例应用等技术实现了学界完全单片单片机硅ET-PA高效和宽带性能,包括几个细胞频带(33]。一个envelope-tracked锗硅共源共栅PA与调制器集成CMOS信封3 GPP LTE发射机如图13对于这个工作。整个单片机ET-PA交付线性与整个系统输出功率24.3 dBm PAE 42%至2.4 GHz的3 GPP LTE 16 QAM调制。此外,它表现出一种高效的宽带多波段应用程序的特征。相比固定的供应共源共栅PA,单片机ET-cascode PA与LTE光谱面具和错误矢量大小(维生素)在接近其规范没有预失真压缩。锗硅PA和CMOS信封调制器都是台积电0.35设计和制造的μm锗硅BiCMOS过程相同的模具。这个工作代表一个基本集成一步实现完全独立ET-PA对于宽带无线应用程序,为一个潜在的单片机5 g cm-Wave铺平了道路而不是在未来。注意,除了DPD,可以应用envelope-shaping如直流转移和/或交流滤波实现最优高效ET-PA设计宽带无线应用程序(38]。

另一个例子来说明supply-modulated PA可以改善其效率cm-Wave 5 g PA应用程序如图14,一个高效和线性两级完全集成GaN PA操作15 GHz(相同的设计如图6)是用来说明这一点;然而为了简便起见,我们将不包括在这里持续优化整个ET-PA系统设计工作,需要他们的合作设计cm-Wave GaN PA。香料模拟显示,这2段PA达到输出1 dB压缩= 32.2 dBm 28.2 dB的增益和30.0% PAE CW手术15 GHz。PAE股权达到38.7%= 34.0 dBm增益为22.0 dB。Postlayout香料模拟还表明,动态电源调制从28 V V如图1014可以显著提高PA的效率在电源关闭后,PAE改进6 dB退下的10%左右。当巴勒斯坦权力机构与5/10/20 MHz LTE 16 QAM调制信号,更广泛的调制信号的带宽从5 MHz至20 MHz不恶化PA线性大大根据射频/模拟/数字cosimulations(数据未显示)26]。注意的EM ET-PA将消耗大量电力尤其是对高带宽输入信号满足PA的线性要求,实际PAE增强这个GaN ET-PA需要对照的线性规范对于一个给定的5 g波形在未来的增强取决于地表铺面和信号带宽。

不仅可以GaN设备提供了最高的cm-Wave PA设计作为显示在图2,他们还可以经常提供的最高峰,PAE股权相比,砷化镓和硅设备。为了提高的包膜跟踪带宽ET-PA 100 - 500 MHz以上至少两次(注意信封带宽大于由于非线性射频信号带宽- - - - - -极性转换(32,33,38]),我们也可以利用宽带快GaN设备供应调制器的设计。例如,最近的一项研究报告,巴克转换器(即。,一个“switcher”) can be integrated with gate drivers in a Qorvo 0.15 m RF GaN-on碳化硅(SiC)技术,它展示了超过90%的最高效率高达200 MHz的开关频率和供应15瓦特峰值功率(39]。此外,显示所需的潜在ET-PA集成一些5 g PA应用程序中,氮化镓MMIC,集成一个快速动态供应和RF PA如图15,10 W PA操作10 GHz结合在同一模与一个100 MHz巴克转换器驱动电路以及超高频共源共栅PA。这个ET-PA打包所有输入和控制信号连接器,唯一的片外组件是一个过滤器,它决定了巴克和共源共栅电路带宽划分(34]。

另一个电源调制技术比等简单平均功率跟踪(APT),只供应调制器的响应在每个平均包络的峰值的水平。在报道40多波段LTE手机锗硅PA),与最优波形APT-PA工程仍然可以实现类似的效率而不是没有DPD的一些。事实上,在今天的商业市场的大部分低收入/中间层手机使用APT虽然high-tier手机使用全面等动态跟踪瞬时供电电压(39]。PARs信号和带宽继续增加5克,如何实现高效ET-PA挑战仍然存在,作为其供应调制器降解效率明显较宽的带宽。另一方面,APT-PA可能变得更加现实的为5克提供节能应用。

一个有趣的方法来改善供应调制器的包膜跟踪速度并行使用多个转换器,与它们之间的时间偏移量。通过协调的输入转换器、输出带宽理想情况下可以增加的一个因素 。例如,弗洛里安等。报道等发射机架构的基础上,结合小说3-bit供应调制器和数字预失真(DPD) [35]。该电源转换器图所示16基于直接数模转换(DAC)体系结构,实现了二进制编码的和孤立的直流电压,使输出包络波形的合成电压水平的二进制发行版。这个设计提供了一个更好的电压分辨率对典型多级switched-sources拓扑,有8的水平,使剩余离散误差的校正等发射机用DPD的射频信号。这个设计已经证明可以成功地消除低效线性放大器如图13 (b),有可能显著改善ET-PA的整体效率。拟议中的ET-PA测试了一个l波段30 W lateral-diffused MOS射频大功率放大器(RF HPA) 1.4和10 MHz LTE信号,EM效率达到92%和83%,分别和发射机系统的整体效率分别为38.3%和23.9%,平均的5.5和1.9 W射频输出功率,分别。图16 (b)显示了测量归一化时域信号的振幅包络在下丘脑的输入和输出等操作,没有DPD;可以看到,为了保持忠诚的包络波形跟踪,DPD是高度期望,这将消耗更多电力基带,基于开发power-DAC ET-PA添加更多的开销。注意该电源转换器设计使用快速离散GaN-based功率开关有着积极紧凑的电路布局,以减少损失在高频率操作,和建议直接power-DAC使用二进制不对称级联多电平结构对巴勒斯坦权力机构执行等具有相当高的电源电压48 V(加上一个直流偏置电压6 V)。因此,该技术在图16可能相当有用的国防/航空航天和5 g基站的应用程序,但还不清楚是否会对5 g的吸引力的手机应用程序。

5.2。属于与数字信息集中型设计方法

5.2.1。数控Power-DAC架构:数字PA (DPA)与权力结合

属于数字化辅助和数字信息集中型射频TX可以受益于快速nm-CMOS / BiCMOS设备提供功能灵活性高集成和权力结合和调优进行数字化,使他们非常有吸引力的多模宽带应用程序与芯片上的数字预失真(DPD) [41,42]。增速低于GHz乐队应用,最近全数字射频发射器使用CMOS数字PA (DPA)和直接正交架构能满足细胞和WLAN规格已报告(36]。的/数字比特流直接喂DPA没有CORDIC转换的输入;词根2 d DPD查找表(LUT)是发达国家在数字前端(DFE)来提高线性度。对基带信号upsampled约800 MHz之前到达DPA抑制走在时代前端的噪声。采样时钟的价值直接来自射频载波频率通过一个可配置的分频器,而不是使用一个锁相环(锁相环),和一个DIV-2电路用于生成/LO信号。DPA的关键构件,如图17。其射频输出被结合的电流pa和爸爸,每个/pa分为多个细胞,可控制的基带信号BB细胞选择适当的数量的权力。由于射频输出包含量化基带信息,德通社不仅仅是一个PA,其输出将调制和数模转换(DAC)。电流型类d拓扑用于切换对这种设计,在transformer-compatible匹配网络是用来近似问世至今开关(ZVS)。DPD的应用训练序列作为DPA输入描述其准静态配置文件,和一个2 d-lut可以使用梯度迭代组合通过回环路径搜索。在正常传输模式下,32×32 2 d-lut用于地图基带/输入分区/控制位。2 d-dpd可以正确的非线性,/不匹配,载波泄漏。整个TX IC只有0.7毫米²QFN包,24.7 dBm和峰值DPA流失37%的效率。为802.11 g 54 Mb / s信号,最大与−18.8 dBm TX IC 25 dB维生素和17% DPA排水效率。测量杂散发射133−dBc /赫兹在WCDMA乐队1 2.17 GHz,没有外部过滤。当测试256 - qam OFDM输入80 MHz,全数字TX集成电路实现−15.7 dBm的33分贝维生素,显示了宽带无线标准的巨大希望,如LTE和IEEE 802.11交流电,并可能cm-Wave / mm-Wave 5 g的应用程序。

属于验证这种数字信息集中型DPA / power-DAC设计方法也可以在mm-Wave工作频率,小说高度线性直接digital-to-mm-Wave dac PA体系结构,能够同时实现高(通过大规模芯片上的权力相结合),良好的线性化(通过动态负载调制),退下效率提高(通过supply-switching和负载调制)最近报道(19]。supply-switched,这种数字控制和负载调制开关PA架构如图18使用多个开关mm-Wave PA预成型件,可以单独开启或关闭数字控制。这些不是power-combined使用nonisolating力量组合器做一个整体线性mm-Wave DAC退下效率高,通过合路器的负载调制和关闭一些不是。一个集总λ/ 4合路器,使八路力量结合高测量效率75% 45 GHz使用集总特性阻抗较高的螺旋电感设计让一步,低损耗,八路权力结合。使用电源合路器合作设计与堆叠45纳米SOI CMOS不是导致八路结合PA数组= 27 dBm和宽带1 dB带宽来自33个46 GHz。

另一个45纳米SOI CMOS PA原型,42.5 GHz 3-bit数字mm-Wave PA数组使用上述线性化架构实现在42.5 GHz = 23日3 dBm,高度线性数字控制字(起重集团)输出振幅剖面(微分非线性(黑暗)= 0.5 LSB;INL 1 LSB使用端点)和低AM-PM失真(19]。它也能够大大提高PA的PAE 6 dB退下,达成优秀的比例/= 67.7%。

5.2.2。5 g宽带Doherty PA使用数字调优

就像前面提到的3早些时候,Doherty PA是一个非常有前途的设计拓扑结构提高5 g PA PAE在电源关闭后,即使它已经主要用作窄带PA效率增强技术在过去。然而,由于其相对设计简单和良好的性能,现在大多数蜂窝基站使用Doherty PA架构而不是稍有优越ET-PA架构,除了PA输出功率的情况下,必须改变在一个大动态范围(> 10分贝),Doherty PA通常不能处理以及ET-PA [39]。现有硅mm-wave Doherty不是在文献中大多是非常有限,PAE股权增强在电源关闭后,主要是由于有损Doherty力量组合器,和/或可行主要/辅助PA设计操作(37,43]。节中描述3,(19]报道一个有效15 GHz PA操作在宽带频率Doherty配置使用一个寄生输出电容中和技术最后阶段。此外,胡等。(37)最近公布一个完全集成28/37/39 GHz多波段Doherty PA了5 g大规模应用。的PAE5 g的多尔蒂PA在电源关闭后水平提高,比起及其带宽也扩大了低损耗的基于变压器Doherty并行组合器。比起这种新型的基于变压器组合器是基于概念报告(34),三λ/ 4线是用来提供最佳阻抗被设备输出的基本频率的宽频率范围+ /−23%至2.2 GHz。在胡的设计等,然而,他们把它到下一个级别的集成通过使用两个变形金刚吸收这三个λ/ 4线实现紧凑和真正的多尔蒂负载调制。特别有趣的是什么,属于设计采用数字信息集中型调优方案,在power-dependent uneven-feeding方案用于自适应提供最佳主/辅PA操作如图19。在输入,比起一个片内集成的基于变压器微分求积混合使用,而nine-section varactor-loaded输电线路部署为最主要的和辅助的路径。与传统的多尔蒂PA,依赖于一个自适应偏置电路的辅助峰值放大器打开更高水平,输入电导的c类辅助PA可以通过调优提高显著更高 ,在AB类的主要PA仍然几乎相同。此外,一个还执行动态调制的辅助驱动负载实现时更大的功率增益增加。因此,这些调优的快速增长使辅助PA输出电流来获得一个最佳Doherty操作限制调制率。0.13原型实现μ锗硅BiCMOS m,它实现+ 16.8 / + 17.1 / + 17 dBm峰值 ,20.3 / 22.6 / 21.4%峰值PAE 28/37/39 GHz。它也放大3 Gb / s 64 - qam与高效、合理的线性输入所有这三个5克乐队(图19)。

5 g系统,使用宽的带宽(> 100 MHz)和大规模分布式天线关键技术。因此,我们预计,Doherty PA的效率增强技术设计可能属于具有良好适应性的数字信息集中型PA宽的带宽和大规模的再分配。

最后,我们想要提到它并不完全清楚5 g的不是手机需要去28 GHz cm-Wave范围在未来几年标准仍然在发展。作为一个例子,一个5 g启动PHAZR称为四倍的开发了一种解决方案,其技术使用mm-Wave频率(24-40 GHz)下行和增速低于GHz频率(3.5 GHz和5 GHz)上行,该公司和他们的合作者们相信这项技术能“独特使高性能、符合成本效益,以及功耗5 g系统”(44]。此外,一些最新的5 g调制方法,如先进的非正交的多路访问(NOMA)方案,服务多个用户在同一时间/频率/代码但不同功率水平,将使MIMO 5 g PA优化设计实现了整体效率最高的发射功率在不同输出功率水平和用户聚类场景(45]。

6。结论

在本文中,我们简要调查了最近的一些先进的和有前途的设计趋势cm-Wave mm-Wave 5 g不是。这些不是在各种设备技术设计:砷化镓、氮化镓、锗硅,散装CMOS和CMOS SOI。我们覆盖宽带Doherty PA在砷化镓和锗硅;在SOI CMOS堆叠PA;微分散装CMOS PA中和帽和变形金刚;CMOS分区;完全单片GaN PA;高度集成RFFE LNA、PA,移相器,交换机对相控阵天线系统,等等。这些PA设计提出了可能的解决方案成功5 g cm-Wave前端集成电路设计,前所未有的高PAE两峰和需要电源关闭后具有良好的线性,而宽带操作和密集的低成本集成适合大规模分布式天线也采用的关键市场。对于手机和小细胞/ BST最大的地方要求很低,通常不同~ 4 dBm ~ 36 dBm,硅属于可以高度集成解决方案的吸引力不是数字信息集中型业务。应用程序要求更高 ,另一方面,砷化镓和氮化镓技术可能仍然是主要用来实现更高的效率。我们还讨论了一些技术专门为退下效率提高,也就是说,使用动态调节供应,全数字PA架构和Doherty PA与数字调优。我们相信这些技术将继续探索5 g部署广泛铺平了道路。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者希望承认国防部的资金支持(国防部),包括美国国防部高级研究计划局微尺度将电力转换程序和TTU陆Keh-Shew董事会主席养老。他们也感谢女士d . Wang博士n . Cahoon a .约瑟夫博士和d Harame GlobalFoundries IC制造。最后,他们感谢c .郭教授和J.-Y先生。赖国家顾问工程大学(变),台湾,甘的支持集成电路设计工具和制造。

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