CN108111185A - 用于毫米波5g mimo通信系统的发射器/接收器模块 - Google Patents

用于毫米波5g mimo通信系统的发射器/接收器模块 Download PDF

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Abstract

本文公开了用于毫米波5G MIMO通信系统的发射器/接收器模块。发射/接收模块包括被配置为在发射和接收模式中操作的集成控制电路。在发射模式中，集成控制电路将数字输入信号转换成多个相移RF发射信号。在接收模式中，集成控制电路将RF接收信号转换成数字输出信号。发射/接收模块还包括连接的多个发射/接收集成电路。每个发射/接收集成电路在发射模式期间使用功率放大器放大RF发射信号之一，并且在接收模式期间使用低噪声放大器放大RF接收信号之一。集成控制电路在发射模式中偏置功率放大器并且校准功率放大器的功率水平。集成控制电路在接收模式期间通过控制低噪声放大器来保护集成控制电路免于破坏。

Description

用于毫米波5G MIMO通信系统的发射器/接收器模块
技术领域
本申请总体上涉及通信系统，并且更具体地涉及5G相控阵发射/接收模块。
背景技术
第五代(5G)无线是指被设置为替代当前第四代(4G)电信标准的所提出的电信标准。5G旨在提供提高的网络能力，包括更快的下载速度、更大的带宽、频谱效率、更低的延迟等。5G标准将使用高频/短波长频谱，例如在20GHz到60GHz的范围内，其对应于在5mm到15mm的范围内的波长。这些短波长关于用于发射和接收RF信号的基站设备而言存在独特的设计挑战。
相控天线阵列通常是指使用多个天线(两个或更多个)和相移来发射和接收RF信号的通信系统。相控天线阵列与单天线系统相比提供了许多优点，诸如高增益、方向可控性和同时通信。目前，没有市售的5G mmW(毫米波长)相控天线阵列系统。关于5G mmW相控天线阵列系统的一个显著的设计挑战是，天线元件之间的间隔必须与RF信号的波长相关，通常为波长的1/2。在5G系统的情况下，这表示天线必须在2mm到7mm的范围内彼此间隔开，这对空间效率是非常重要的。为此，优选的是可以在非常高的频率下操作并且提供小的占地面积的放大器器件。能够在非常高的频率下操作并且具有小的占地面积的一个放大器器件是III-V半导体器件，诸如GaN(砷化镓)基HEMT(高电子迁移率场效应晶体管)放大器器件。III-V半导体器件通常是常开器件。也就是说，这些器件具有在没有任何栅极偏置的情况下存在的自导通沟道。因此，这些常开器件必须由能够生成负电压以关断器件的电路来控制。在5G mmW(毫米波长)相控天线阵列系统的上下文中，GaN基HEMT器件虽然有前途但是引入了关于栅极偏置、动态漏极电流效应的补偿、功率回退等的独特的和目前尚未解决的挑战。
发明内容
公开了一种发射/接收模块。根据实施例，发射/接收模块包括被配置为在发射模式和接收模式中操作的集成控制电路。在发射模式中，集成控制电路被配置为将数字输入信号转换成与相控阵的辐射模式相对应的多个相移RF发射信号。在接收模式中，集成控制电路被配置为将从相控阵接收的RF接收信号转换成数字输出信号。发射/接收模块还包括连接到集成控制电路并且由其控制的多个发射/接收集成电路。每个发射/接收集成电路被配置为在发射模式期间使用功率放大器放大RF发射信号之一，并且在接收模式期间使用低噪声放大器放大RF接收信号之一。集成控制电路被配置为在发射模式中偏置至少一个发射/接收集成电路的功率放大器并且校准至少一个发射/接收放大器集成电路的功率放大器的功率水平。集成控制电路被配置为在接收模式期间通过控制至少一个发射/接收放大器集成电路的低噪声放大器来保护集成控制电路免于破坏。
根据另一实施例，发射/接收模块包括集成控制电路。集成控制电路包括：RFIC输入端子；多对I/O端子，每对I/O端子包括TX输出端子和RX输入端子；具有连接到RFIC输入端子的输入的功率分配器/组合器；连接在功率分配器/组合器的输出与I/O端子之间的多个移相器、以及连接到每个I/O端子的功率传感器。发射/接收模块还包括连接到集成控制电路的多个发射/接收集成电路。每个发射/接收集成电路包括：连接到一对I/O端子的TX输出端子的TX输入端子、连接到来自一对I/O端子的RX输入端子的RX输出端子、天线接口端子、连接到TX输入端子的功率放大器、连接到RX输出端子的低噪声放大器、以及连接在功率放大器、低噪声放大器和天线接口端子之间的开关。发射/接收集成电路的每个功率放大器的最终级的栅极端子和漏极端子独立地连接到集成控制电路并且由集成控制电路可控制。
公开了一种使用发射/接收模块跨相控阵发射和接收RF信号的方法。发射/接收模块包括集成控制电路和多个发射/接收集成电路，每个发射/接收集成电路包括功率放大器和低噪声放大器。根据实施例，该方法包括在发射模式中操作发射/接收模块。发射模式包括使用集成控制电路将数字输入信号转换成与相控阵的辐射模式相对应的多个相移RF发射信号，以及使用发射/接收集成电路中的功率放大器放大每个相移RF发射信号。放大每个相移RF发射信号包括使用集成控制电路来偏置每个发射/接收集成电路的功率放大器以及校准每个发射/接收放大器集成电路的功率放大器的功率水平。该方法还包括在接收模式中操作发射/接收模块。接收模式包括使用发射/接收集成电路中的低噪声放大器放大从相控阵接收的一个或多个RF接收信号，使用集成控制电路将RF接收信号转换成数字输出信号，以及通过使用集成控制电路偏置至少一个发射/接收集成电路中的低噪声放大器来保护集成控制电路免于破坏RF接收信号的功率水平。
附图说明
附图的元件不一定相对于彼此成比例。相同的附图标记表示相应的相似部分。各种所示实施例的特征可以被组合，除非它们彼此排斥。实施例在附图中示出，并且在下面的说明书中详述。
图1示出了根据实施例的数字/模拟混合5G mmW RF前端。
图2示出了根据实施例的RF发射/接收模块。
图3示出了根据实施例的GaN基发射/接收集成电路的详细示意图。
图4示出了根据实施例的GaN基功率放大器和到集成控制电路的连接的详细示意图。
图5包括图5A和图5B并且示出了根据实施例的低噪声放大器的详细示意图。
图6示出了根据实施例的用于GaN基发射/接收集成电路的发射/接收开关的详细示意图。
图7包括图7A和图7B并且示出了根据实施例的用于GaN基发射/接收集成电路的双刀双掷开关拓扑和单刀双掷开关拓扑的详细示意图。
图8示出了根据实施例的集成控制电路中的发射/接收电路的详细示意图。
图9示出了根据实施例的在发射模式下操作发射/接收模块的方法。
图10示出了根据实施例的GaN基功率放大器的静态漏极电流与时间的曲线。
图11示出了根据实施例的GaN基功率放大器的输入功率与漏极电流的曲线。
图12示出了根据实施例的在接收模式下操作发射/接收模块的方法。
具体实施方式
根据本文中描述的实施例，公开了用于5G mmW相控阵天线系统的发射/接收模块以及操作发射/接收模块的相应方法。发射/接收模块将SiGe BiCMOS集成控制电路与多个GaN基放大器发射/接收集成电路组合，其中GaN基发射/接收集成电路之一与相控阵的每个天线相关联。SiGe BiCMOS集成控制电路上发生信号分配、相移、信号放大、功率感测、功率校准、温度补偿、偏置控制和数字控制。GaN基发射/接收芯片上发生发射/接收切换、高功率信号放大和接收器保护。这种架构提供在常规设计中没有的以下三种益处：(1)使用SiGeBiCMOS控制芯片来偏置GaN功率放大器，(2)使用SiGe BiCMOS控制芯片来校准GaN功率放大器的输出功率的最佳效率和线性度，以及(3)通过控制GaN低噪声放大器来保护SiGeBiCMOS控制芯片上的接收电路。
参考图1，根据实施例，描绘了用于5G mmW系统的RF前端100。这是多输入多输出(MIMO)系统，其中多个RF信号可以取决于数字地应用的权重而指向多个空间位置。RF前端具有混合数字/模拟架构，其使用N(N<<Nx×Nz)个RF链，每个RF链连接到具有模拟相位和幅度权重的Nx×Nz个天线102。这种拓扑将天线阵列分成N个子阵列，每个子阵列使用模拟波束成形。然后使用数字处理来组合N个子阵列并且实现MIMO操作。与模拟架构相比，混合替代架构提供MIMO功能。与数字波束成形相比，混合架构减少了所需要的RF链的数目，并且使得多个数据流能够被发送到不同的空间方向。这样的混合RF前端可以利用砖式相控阵方法来实现。在该示例中，四个模拟相控阵瓦104与数字MIMO收发器组合。每个模拟相控阵瓦104具有八个端射天线102，它们在图1中被实施为平面天线。每个天线102具有由发射器和接收器(T/R)芯片提供的模拟相位和幅度权重、以及相关联的控制电路(GaN和SiGe BiCMOS)。该拓扑形成了4×8混合阵列，其中在仰角上具有模拟波束控制并且在方位角上具有数字波束控制。这是一个示例，并且该拓扑的不同变化可以容易地被实现。
参考图2，根据实施例，描绘了发射/接收模块200。发射/接收模块200可以被包含到参考图1描述的RF前端100中。发射/接收模块200包括集成控制电路202，其可以是SiGe(硅锗)BiCMOS芯片。集成控制电路202包括RFIC输入端子204和四对I/O端子206。每对I/O端子206包括TX输出端子208(图3所示)和RX输入端子210(图3所示)。每对I/O端子206连接到发射/接收集成电路212。根据实施例，发射/接收集成电路212是GaN基集成电路。这些GaN基集成电路可以包括一个或多个HEMT器件。在所示实施例中，集成控制电路202是4通道控制电路。发射/接收集成电路212之一被提供用于每个通道。可替代地，集成控制电路202可以取决于期望的拓扑而具有更多的通道。此外，取决于最终实现，在所示实施例中作为单独芯片提供的四个发射/接收集成电路212可以在两个或一个芯片中组合。
每个发射/接收集成电路212连接到天线元件214。天线元件214共同形成相控阵。发射/接收模块200的总体尺寸和芯片配置由相控阵中的天线元件214之间的间隔限制。对于需要±45°扫描的典型的通信阵列，0.6λ0的元件间间隔是可接受的。
发射/接收模块200被配置为在发射模式和接收模式下操作。在发射模式下，收发器RFIC 216(调制解调器)用于将数字输入信号转换成RF信号，RF信号然后被馈送到集成控制电路202的RFIC输入端子204中。1:4功率分配器/组合器218用于将RF信号分配给4个输出通道。1:4功率分配器/组合器218可以是无源或有源功率分配器/组合器。在每个通道上，单刀双掷(SPDT)开关220用于将发射器与接收器功能分开。多个移相器222连接在功率分配器/组合器218的输出与I/O端子206之间。在发射期间，RF信号通过移相器222。根据各种实施例，移相器222可以是有源相位旋转器、无源开关线路/真实时间延迟、反射移相器、负载线路移相器或高通/低通移相器。相移的RF发射信号通过TX输出端子208被馈送到发射/接收集成电路212。发射/接收集成电路212使用功率放大器224(图3所示)放大相移的RF发射信号，功率放大器224的细节将在下面进一步详细描述。
在接收模式下，一个或多个RF接收信号由相控阵接收并且被馈送到与相应天线元件214相关联的发射/接收集成电路212。发射/接收集成电路212使用低噪声放大器226(图3所示)放大RF接收信号，低噪声放大器226的细节将在下面进一步详细描述。经放大的RF接收信号然后经由RX输入端子210被馈送到集成控制电路202。经放大的RF接收信号然后通过VGA 228(可变增益放大器)和移相器222。经放大的RF接收信号最终被转换成数字输出信号。在发射和接收两者中，VGA 228和移相器222用于在每个通道上提供所需要的模拟相位和幅度权重。SiGe BiCMOS T/R芯片和GaN T/R芯片的所有操作通过SPI(串行外设接口)总线接口230来控制。
参考图3，根据实施例，描绘了发射/接收集成电路212之一。发射/接收集成电路212包括外部连接到集成控制电路202的TX输出端子208之一的TX输入端子232、外部连接到集成控制电路202的RX输入端子210之一的RX输出端子234、和外部连接到相控阵的天线元件214之一的天线接口端子236。发射/接收集成电路212内部包括功率放大器224、低噪声放大器226和发射/接收开关238。功率放大器224连接到TX输入端子232。低噪声放大器226连接到RX输出端子234。发射/接收开关238连接在功率放大器224、低噪声放大器226和天线接口端子236之间。发射/接收开关238用于在发射模式和接收模式之间切换。在发射模式期间，发射/接收开关238将功率放大器224的输出连接到天线接口端子236，并且将低噪声放大器226与天线接口端子236断开。此时，施加到TX输入端子232的RF发射信号由功率放大器224放大并且经由发射/接收开关238被馈送到天线元件214之一。在接收模式期间，发射/接收开关238将天线接口端子236连接到低噪声放大器226的输入并且将功率放大器224与天线接口端子236断开。此时，由天线元件214之一接收的RF接收信号由低噪声放大器226放大并且被馈送到集成控制电路202的RX输入端子，并且然后可以被馈送到集成控制电路202中的低噪声放大器226。
发射/接收开关238需要高的控制电压(例如，在-10V到-15V的范围内)以承受由高达36dBm的所发射的RF功率引起的电压摆动。取决于用于集成控制电路202的特定的SiGeBiCMOS技术，生成这样的负电压可能需要集成到集成控制电路202中的电压移位器网络。
图4描绘了发射/接收集成电路212之一的功率放大器224的详细框图。在该实施例中，功率放大器224被配置为三级功率放大器224。可替代地，取决于目标输出功率和来自集成控制电路202的可用输入功率，可以选择不同数目的级。第三级可以包括如图4A所示的一个有源单元，或者可替代地可以包括如图4B所示的两个分离的有源单元。图4B的分离单元拓扑占据稍微更多的芯片面积，但是提供改进的热管理(相同输出功率下的相同源漏间隔的热通量降低约40％)，这导致改进的功率附加效率(PAE)。按照标准功率设计技术，取决于最终的系统要求(例如，饱和状态中的PAE和Pout，在1dB压缩或在回退)，功率放大器224的驱动比可以由设备尺寸决定。
包括图5A和图5B的图5描绘了设置在发射/接收集成电路212中的低噪声放大器226的详细框图。图5A描绘了两级低噪声放大器226，图5B描绘了一级低噪声放大器226。除了改善接收之外，低噪声放大器226通常还需要针对以36dBm或以上的功率水平来发射RF信号的任何发射/接收系统提供保护。在信号发射期间，这些高功率水平信号存在于发射/接收开关238的输入。虽然发射/接收开关238通常将该高功率信号与发射/接收集成电路212的接收路径隔离，发射/接收开关通常在20dB的范围内提供隔离。因此，在发射/接收集成电路212的接收路径中可能存在16dBm或以上的RF信号。该RF信号可能潜在地破坏集成控制电路202的接收电路。一级或两级低噪声放大器226通过将集成控制电路202的接收电路与这些潜在的破坏信号隔离来提供附加保护。第一级针对最小噪声系数和RF生存能力而被优化。第二级(如果有的话)可以用于提供附加增益并且用作VGA/限幅器以用于进一步保护集成控制电路202。
图6描绘了设置在发射/接收集成电路212中的发射/接收开关238的详细示意图。在该实施例中，发射/接收开关238具有不对称拓扑，其允许发射器路径针对线性度和功率处理而被优化，同时接收器路径针对低损耗而被优化。此外，不对称拓扑需要仅一个偏置控制电压，从而简化了开关的控制。发射/接收开关238中的开关器件242可以是GaN基FET器件，例如HEMT器件。如前所述，如果系统需要处理高RF功率(例如，发射36dBm或更大的信号)，则需要高的负的控制电压(例如，-10V到-15V)来控制这些开关器件242。如果用于集成控制电路202的SiGe BiCMOS技术不能产生这些非常高的负电压，则可以使用外部电压移位器网络244。可以使用串联电感器246(例如，窄的微带线)来调出FET的电容并且将开关的响应(例如，插入损耗和隔离)集中于正确的操作频率。以更高的插入损耗为代价的附加隔离可以通过在串联/分流拓扑(图中未示出)中在开关上添加更多的部分来实现。
包括图7A和图7B的图7描绘了被配置用于双极化天线系统的发射/接收集成电路212的详细框图。图7A描绘了具有双刀双掷(DPDT)开关248而不是图6所示的发射/接收开关238拓扑的第一拓扑。DPDT开关通常具有比发射/接收开关更高的损耗，但是提供两个输出。这两个输出连接到双极化天线的两个馈入。因此，图7的拓扑可以用于双极化分集系统，其中T/R模块可以在交替极化中发射和接收。图7B描绘了利用两个RX链和两个单刀双掷(SPDT)开关250的替代拓扑。该拓扑提供了在一个极化中发射并且在另一极化中同时接收的选项。可替代地，另一拓扑(未示出)可以具有两个RX链和两个TX链，其具有双刀四掷(DP4T)开关。该拓扑可以在两个极化中提供同时发射和接收。
图8描绘了集成控制电路202与发射/接收集成电路212之间的接口的详细示意图。该示意图描绘了集成控制电路202的发射通道，其经由TX输出端子208与TX输入端子232之间的连接来将RF发射信号馈送到功率放大器224的第一级中，并且集成控制电路202的接收通道经由RX输出端子234与RX输入端子210之间的连接来将来自低噪声放大器226的RF发射信号馈送到集成控制电路202。单刀双掷(SPDT)开关252用于将发射器与接收器功能分开。
根据实施例，集成控制电路202包括TX耦合器254，TX耦合器254连接到TX输出端子208并且因此被配置为测量由集成控制电路202馈送到发射/接收集成电路212的RF发射信号的RF功率水平。RF功率(PTX)在功率检测器270处被测量。此外，集成控制电路202包括RX耦合器256，RX耦合器256连接到RX输入端子并且因此被配置为测量由发射/接收集成电路212馈送到集成控制电路202的RF接收信号的RF功率水平。RF功率(PRX)在功率检测器270处被测量。检测器开关252用于将功率检测器270连接到通过Tx耦合器254或Rx耦合器256耦合的信号。
除了多对I/O端子206之间的连接路径之外，集成控制电路202包括能够对发射/接收集成电路212中的放大器器件进行偏置控制的独立电连接。该偏置控制允许集成控制电路202(1)设置功率放大器224的适当的栅极偏置，(2)为了最佳效率而校准放大器224的功率水平，以及(3)在接收模式中保护集成控制电路202免于破坏信号。这些过程的细节将在下面进一步详细描述。如图8所示，功率放大器224的前两级具有绑定在一起的栅极偏置端子258和漏极偏置端子260，因为这些级将都在线性模式中操作。另一方面，功率放大器224的第三级240需要在功率回退时以及更具体地在1dB压缩点处在饱和状态中操作。因此，功率放大器224的第三(最终)级240的栅极偏置端子262和漏极偏置端子264与集成控制电路202之间的独立连接被提供。低噪声放大器226使用自偏置拓扑，其通过使用从器件的源极连接到接地的适当电阻器来设置栅极电压。因此，仅需要由集成控制电路202与低噪声放大器226之间的漏极连接266提供的漏极电压来打开和关闭器件。
对于施加到发射/接收集成电路212的每个DC偏置电压，在集成控制电路202中设置有旁路电容器网络268。旁路电容器网络268可以包括具有逐渐增大的电容器(例如从100pF开始直到1μF)和分流到接地的电阻器的多级网络。该旁路电容器网络抑制dc和低频振荡。
参考图9，根据实施例，描绘了在发射模式中操作本文中描述的发射/接收模块200的方法900。方法900包括功率放大器224栅极偏置(导通)技术902、功率放大器224校准和操作技术904。
功率放大器224栅极偏置(导通)技术902以关闭904(即，禁用)从集成控制电路202到发射/接收集成电路212的任何RF信号的传输来开始。随后，使用集成控制电路202将负的栅极电压(VG)施加904到功率放大器224的栅极。栅极电压足以关断功率放大器224的栅极(例如，VG＝-5V或更小)。随后，将漏极电压(VD)施加908到功率放大器224的漏极。随后，调节910栅极电压(VG)直到功率放大器224呈现预定的静态漏极电流Idq。随后，将RF发射信号施加到功率放大器224。总之，发射/接收集成电路212的偏置控制需要集成控制电路202提供初始负的夹断栅极电压和正的漏极电压，监测静态漏极电流Idq，以及调节负的栅极电压，使得正确的静态电流被保持。
参考图10，描绘了在GaN基器件中发生的静态漏极电流Idq的漂移效应。该图描绘了用于GaN基晶体管的操作的静态漏极电流912Idq与时间。在操作的最初几分钟，静态漏极电流912Idq在最初的几分钟/小时内迅速下降，以及在连续操作多小时之后最终稳定。通过在器件的整个操作过程中重复执行上述栅极偏置技术，集成控制电路202可以重新偏置器件(例如，移位Vg稍微更正)，以始终满足适当的静态漏极电流912Idq值。
参考图11，描绘了单级17-19GHz GaN基放大器的模拟性能的示例。该GaN基放大器可以是本文中描述的发射/接收集成电路212的功率放大器224的最终级。从漏极电流与输入功率的曲线914可以看出，当功率放大器224处于线性模式时，漏极电流保持等于或低于50mA的静态漏极电流Idq。在1dB压缩点(Pin＝8dBm)处，漏极电流为58mA(比Idq高15％)，在最大功率附加效率(Pin＝22dBm)处，漏极电流为160mA(3.2×Idq)，并且在Psat(饱和)处，漏极电流为167mA(3.3×Idq)。此外，随着放大器接近Psat，漏极电流相对输入功率的变化非常小(针对每dB的增加输入功率为5％)。这些关系表明，可以通过跟踪功率放大器224的输入功率Pin和漏极电流来监测GaN基放大器的Pout和线性度(压缩水平)。在该示例中，当Id～1.15×Idq时发生1dB压缩，以及一旦Id超过3×Idq并且Id相对于Pin的变化率<5％每1dB增加输入功率，则达到Psat。这些精确值是指特定的GaN器件，但是这些关系可以被外推用于其他mmWGaN技术。
通过利用所存储的漏极电流相对输入功率的曲线914，集成控制电路202可以执行功率放大器224校准技术。再次参考图9，功率放大器224校准技术904可以在功率放大器224栅极偏置技术902之后执行。一旦功率放大器224被偏置，开关252通过TX耦合器254将功率传感器270连接到Tx功率，并且RF发射信号的发射功率被测量。RF信号被馈送到功率放大器224，并且在918，在功率放大器224的漏极电流通过使用集成控制电路202的独立连接来被监测时PTX(发射功率)缓慢地斜坡上升。在920，集成控制电路202记录PTX，其导致比Idq高出X％的Id。在参考图10描述的示例中，X＝15％。然而，这是一个示例，并且X的精确值可以利用针对每个功率放大器224的实验数据来确定。该过程允许集成控制电路202估计用以在1dB压缩点处操作的必要的栅极和漏极电流，并且将输入功率回退到取决于调制和编码方案(MCS)的必要值。可选地，在922，PTX可以被进一步增加，直到Id>z*Idq，并且Id关于PTX的增长率降低(例如，<y％每dB增加输入功率)。在上述示例中，针对1dB的PTX的增加，z＝3.3并且y＝5％的Idq增加。z和y％的精确值可以通过任何功率放大器224器件的实验数据来确定。在924，可以根据需要周期性地重复该校准过程，以考虑对功率放大器224的任何漂移和温度影响。一旦PA被校准，发射器可以以在每个分组的前导码上规定的每个MCS的可能的最大功率来开始发送分组。
参考图12，根据实施例，描绘了在接收模式中操作本文中描述的发射/接收模块200的方法1200。该方法包括接收模式初始化过程1202和RX功率保护过程1204。根据接收模式初始化过程1202，在进入接收模式之前，当功率放大器224导通时，去除1206VD(到低噪声放大器226的漏极电压)。随后，发射/接收开关238被切换到接收模式1208，使得天线元件连接到低噪声放大器226。随后，施加1208VD，并且发射/接收集成电路212现在在接收模式中操作。
在接收模式期间，低噪声放大器226的发射/接收开关238接通并且正在转发RF接收信号，集成控制电路202暴露于潜在的破坏的高功率信号。这些高功率信号可以由相邻的发射器生成，或者通过在发射之后的某个随机的时间间隔处回送到天线中的发射信号的多径反射来生成。在任何情况下，这些信号都有可能破坏集成控制电路202的接收电路。根据本文中公开的RX功率保护过程1204，当发射/接收开关238被设置为接收时，检测开关252被设置为功率检测器270通过RX耦合器256连接到RX功率。随后，跟踪RF接收信号(PRX)的功率水平。如果PRX高于预定义的极限(由所使用的BiCMOS技术的功率处理能力来定义)，则通过减小Vd来减小1212低噪声放大器226的增益。可替代地，低噪声放大器226可以被关断1212。由于本文中描述的低噪声放大器226使用自偏置拓扑，栅极偏置由Vd自动设置并且因此Vd仅需要被调节以控制低噪声放大器226。
本文中描述的发射/接收模块200和相应的技术有利地使用被并入集成控制电路202中的功率传感器来执行本文中描述的栅极偏置和功率校准技术。传统的GaN基功率放大器设计利用被并入GaN芯片本身的功率传感器。虽然该配置允许基于绝对发射功率的校准，但是对于在来自输出的回退水平下操作的mmW通信系统，其使用有限。在这种情况下，回退取决于使用哪种调制和编码方案(MCS)来被预先确定。本文中描述的Pin相对Id的测量允许集成控制电路202标识1dB压缩点和Psat，并且然后取决于所使用的MCS来从该点回退功率放大器224中的输入功率。该校准将允许发射器以满足所选择的MCS的频谱遮罩和误差矢量幅度(EVM)要求的最高功率来操作。此外，可以针对每个发射的分组潜在地监测输出功率，并且取决于被包括在前导码短训练字段中的MCS信息来对其进行调节。
使用被并入GaN芯片中的功率传感器的传统的GaN基功率放大器设计的另一缺点是，功率传感器利用GaN芯片上的有价值的空间。通常，功率检测器使用耦合器，耦合器分接输出端口并且耦合Pout的在检测器和二极管检测器中的一小部分。例如，耦合器以耦合器发射线、薄膜电阻器和通孔至接地结构的形式占据GaN芯片上的空间。检测器二极管可以单片集成在GaN芯片上(作为二极管连接的FET)，或者可以在不同的芯片上。在第一种情况下，二极管占据GaN芯片的空间(FET，通孔至接地)。在第二种情况下，二极管需要专门用于功率检测电路的额外的输入/输出焊盘，这也占用芯片上的额外空间。在需要非常紧凑的尺寸以适应天线元件的间隔要求的5G mmW相控天线阵列系统的情况下，这种尺寸增加是特别有问题的。
如本说明书中所使用的，术语“耦合”和/或“电耦合”并不意味着元件必须直接耦合在一起，可以在“耦合”或“电耦合”的元件之间设置中间元件。术语“电连接”旨在描述电连接在一起的元件之间的低欧姆电连接，例如经由金属和/或高掺杂半导体的连接。
如本文中使用的，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是表示所述要素或特征的存在的开放术语，但是不排除附加要素或特征。冠词“一个”、“一”和“该”旨在包括复数和单数，除非上下文另有明确说明。
考虑到上述范围的变化和应用，应当理解，本发明不受以上描述的限制，也不受附图的限制。相反，本发明仅由所附权利要求及其合法等同物限制。

Claims (20)

1.一种发射/接收模块，包括：
集成控制电路，被配置为在发射模式和接收模式中操作，其中在所述发射模式中，所述集成控制电路被配置为将数字输入信号转换成与相控阵的辐射模式相对应的多个相移RF发射信号，并且其中在所述接收模式中，所述集成控制电路被配置为将从相控阵接收的RF接收信号转换成数字输出信号；以及
多个发射/接收集成电路，连接到所述集成控制电路并且由所述集成控制电路控制，其中所述发射/接收集成电路中的每个发射/接收集成电路被配置为在所述发射模式期间使用功率放大器放大所述RF发射信号之一，并且在所述接收模式期间使用低噪声放大器放大所述RF接收信号之一，
其中所述集成控制电路被配置为在所述发射模式中偏置每个发射/接收集成电路的所述功率放大器并且校准每个发射/接收放大器集成电路的所述功率放大器的功率水平，以及
其中所述集成控制电路被配置为在所述接收模式中通过偏置每个发射/接收放大器集成电路的所述低噪声放大器来保护所述集成控制电路免于破坏所述RF接收信号的功率水平。
2.根据权利要求1所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路包括多对I/O端子，每对I/O端子包括TX输出端子和RX输入端子，其中所述集成控制电路被配置为向所述TX输出端子施加所述多个相移RF发射信号，并且其中所述集成控制电路被配置为在所述RX输入端子处接收所述RF接收信号。
3.根据权利要求2所述的发射/接收模块，其中每个发射/接收集成电路包括TX输入端子、RX输出端子、天线接口端子和开关，其中所述功率放大器连接到所述TX输入端子，其中所述低噪声放大器连接到所述RX输出端子，其中每个发射/接收集成电路的所述TX输入端子连接到所述集成控制电路的所述TX输出端子之一，其中每个发射/接收集成电路的所述RX输出端子连接到所述集成控制电路的所述RX输入端子之一，其中所述开关被配置为在所述发射模式期间将所述功率放大器的输出连接到所述天线接口端子并且将所述低噪声放大器与所述天线接口端子断开，并且其中所述开关被配置为在所述接收模式期间将所述天线接口端子连接到所述低噪声放大器的输入并且将所述功率放大器与所述天线接口端子断开。
4.根据权利要求3所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路包括连接到每个TX输出端子的TX功率传感器，并且其中所述集成控制电路包括连接到每个RX输入端子的RX功率传感器。
5.根据权利要求4所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路被配置为通过使用所述RX功率传感器监测每个RX输出端子处的所述RF接收信号的功率水平以及通过减小与超过预定义的功率水平的RF接收信号相关联的所述低噪声放大器功率的输入偏置来保护所述集成控制电路免于破坏所述RF接收信号的功率水平。
6.根据权利要求5所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路被配置为在所述RF接收信号超过所述预定义的功率水平的情况下关断与所述RF接收信号相关联的所述低噪声放大器功率。
7.根据权利要求3所述的发射/接收模块，其中每个发射/接收集成电路的所述功率放大器的最终输出级包括栅极端子和漏极端子，并且其中每个栅极端子和漏极端子独立地连接到所述集成控制电路。
8.根据权利要求7所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路被配置为通过将所述RF发射信号的测量的功率值和所述功率放大器的所述最终输出级的观察的漏极电流与内部地存储在所述集成控制电路中的功率对电流的曲线相比较来在所述发射模式中校准每个发射/接收放大器集成电路的所述功率放大器的功率水平。
9.根据权利要求8所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路被配置为通过使用存储的所述曲线在1dB压缩点处操作所述功率放大器来校准所述功率放大器的功率水平。
10.根据权利要求5所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路被配置为通过基于每个发射/接收集成电路的所述功率放大器的所述最终输出级的漏极电流的测量而控制每个发射/接收集成电路的所述功率放大器的所述最终输出级的栅极偏置来偏置每个发射/接收集成电路的所述功率放大器。
11.一种发射/接收模块，包括：
集成控制电路，包括：RFIC输入端子；多对I/O端子，每对I/O端子包括TX输出端子和RX输入端子；具有与所述RFIC输入端子连接的输入的功率分配器/组合器；以及连接在所述功率分配器/组合器的输出与所述I/O端子之间的多个移相器，功率传感器连接到所述I/O端子中的每个I/O端子；
多个发射/接收集成电路，连接到所述集成控制电路，所述发射/接收集成电路中的每个发射/接收集成电路包括：与所述多对I/O端子中的一对I/O端子的所述TX输出端子连接的TX输入端子；与来自所述多对I/O端子中的一对I/O端子的所述RX输入端子连接的RX输出端子；天线接口端子；连接到所述TX输入端子的功率放大器；连接到所述RX输出端子的低噪声放大器；以及连接在所述功率放大器、所述低噪声放大器和所述天线接口端子之间的开关，
其中所述发射/接收集成电路的每个功率放大器的最终级的栅极端子和漏极端子独立地连接到所述集成控制电路并且由所述集成控制电路可控制。
12.根据权利要求11所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路是SiGe BiCMOS集成电路，并且其中所述发射/接收集成电路中的每个发射/接收集成电路是GaN基集成电路。
13.根据权利要求11所述的发射/接收模块，其中每个集成控制电路的所述开关是双刀双掷开关。
14.根据权利要求11所述的发射/接收模块，其中每个集成控制电路的所述开关是单刀双掷开关。
15.一种使用发射/接收模块跨相控阵发射和接收RF信号的方法，所述发射/接收模块包括集成控制电路和多个发射/接收集成电路，所述发射/接收集成电路中的每个发射/接收集成电路包括功率放大器和低噪声放大器，所述方法包括：
在发射模式中操作所述发射/接收模块，所述发射模式包括：
使用所述集成控制电路将数字输入信号转换成与相控阵的辐射模式相对应的多个相移RF发射信号；
使用所述发射/接收集成电路中的所述功率放大器放大所述相移RF发射信号中的每个相移RF发射信号，其中放大所述相移RF发射信号中的每个相移RF发射信号包括使用所述集成控制电路来偏置每个发射/接收集成电路的所述功率放大器以及校准每个发射/接收放大器集成电路的所述功率放大器的功率水平；在接收模式中操作所述发射/接收模块，所述接收模式包括：
使用所述发射/接收集成电路中的所述低噪声放大器放大从相控阵接收的多个相移RF接收信号；
使用所述集成控制电路将所述相移RF接收信号转换成数字输出信号；以及
通过使用所述集成控制电路偏置所述发射/接收集成电路中的所述低噪声放大器来保护所述集成控制电路免于破坏所述RF接收信号的功率水平。
16.根据权利要求15所述的方法，其中保护所述集成控制电路免于破坏功率水平包括：
使用所述集成控制电路中的功率传感器来测量所述RF接收信号的功率水平；以及
基于所述RF接收信号的测量的功率水平来调节所述低噪声放大器的输入偏置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中保护所述集成控制电路免于破坏功率水平包括关断与超过预定义的功率水平的RF接收信号相关联的所述低噪声放大器。
18.根据权利要求15所述的方法，其中校准每个发射/接收放大器集成电路的所述功率放大器的功率水平包括：
使用所述集成控制电路中的功率传感器来测量向所述功率放大器的输入提供的所述相移RF发射信号的功率水平；
使用所述集成控制电路与所述功率放大器的最终输出级之间的独立连接来测量所述功率放大器的所述最终输出级的漏极电流；
将测量的功率水平和测量的漏极电流与存储的输入功率对漏极电流的曲线进行比较；以及
基于所述比较来调节所述功率放大器的所述最终输出级的栅极电压。
19.根据权利要求18所述的方法，其中校准所述功率放大器的功率水平包括使用存储的所述曲线来调节所述栅极电压使得所述功率放大器在1dB压缩点处操作。
20.根据权利要求18所述的方法，其中偏置每个发射/接收集成电路的所述功率放大器包括功率放大器导通过程，所述功率放大器导通过程包括：
向所述功率放大器的最终输出级施加关断所述最终输出级的栅极电压；
向所述功率放大器的最终输出级施加漏极电压；
向所述功率放大器的最终输出级施加导通所述最终输出级的栅极电压；
在所述最终输出级导通时测量所述最终输出级的静态漏极电流；以及
在所述最终输出级导通时控制向所述最终输出级施加的所述栅极电压以实现所述静态漏极电流的预先选择的值。
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