简约而不简单的射频开关设计.docx

Word PAGE PAGE 1 简约而不简单的射频开关设计  ?在你拿着（手机）打电话或者上网时，你可能不会想到，在手机里有种小小的（射频）器件，在以每秒钟近千次的速度快速切换，帮助你享受到高速、低延迟、高清晰度的（通信）服务。这个小器件就是射频开关（（RF） Switch）。  ? 射频开关是一种能够让手机在不同射频（信号）通路之间切换的器件，它就好像是信号的“桥梁”，不断将信号通路连接或切换。射频开关应用的范围也很广泛，在2G/3G/（4G）/（5G）蜂窝通信系统、（Wi-Fi）、（蓝牙）、GPS等系统中，均是不可或缺的器件。  ? 和家里电灯开关一样，对于射频开关来说，只有“打开”、“关闭”两种状态，功能非常简约。但这种简约的功能背后，却隐藏着复杂而精妙的设计思路，以及不简单的技术挑战。  ? 本文将从目前手机中最常用的开关：SOI开关出发，讨论“简约而不简单”的射频开关设计。  一、射频开关：功能简约?  功能简约  正如其名称一样，开关的功能就是“开”和“关”。射频开关也不例外，射频开关是工作在射频频段的开关，其功能就是控制射频信号的“通”与“断”。  ? 目前手机中应用最广泛的是（半导体）器件开关，如RF-SOI开关，pHEMT开关等。这些半导体开关的功能与普通的（电气）开关相同，符号表示也一致。   图：（a）电气开关（b）开关符号 （c）半导体开关  应用简约  在射频系统中，射频开关扮演着重要的角色。射频开关的主要功能有：  频段选择：使信号在多个不同的射频通路间切换  收发切换：在TDD（时分双工）系统中，完成接收与发射的切换  （天线）切换：在多天线系统中，使信号在不同天线间切换  ? 射频开关器件大量分布在射频前端系统中，在天线切换层、频段开关层及子路径实现层中需要用到多个射频开关器件。  ? ? 图：射频开关器件在射频前端系统中的分布  评价简约  开关的评价也非常简约：开启的时候能量尽可能多的传过去；关闭的时候能量尽可能少的漏过来。  ? 开关有两种工作状态，分别是“开启on”和“关闭off”。对于半导体（晶体管）制作的开关，晶体管在on状态可近似等效为一个电阻，这个电阻的阻值就被定义为；晶体管在off状态时可近似等效为一个（电容），这个电容就被定义成。这就是衡量开关本征性能的两个最重要参数：与参数的来源。 ? ?  图：（a）on状态的；（b）off状态的 ? 在on状态下，由于是串接在射频通路中，所以就决定了开关损耗的大小；而在off状态下，的存在会造成信号的泄露，所以决定了开关隔离的大小。与两个参数都是越小越好。 ? 在晶体管作为开关的设计中，还有一个非常有意思的特性，即与的乘积是定值。理解起来也比较直观：当设计中想要用多个晶体管并联来实现低的串联电阻时，会呈倍数的减小，但因为是晶体管的并联，这时却会呈倍数的增加。二者的乘积始终不变。 ? 这一特性也使得*成为衡量开关特性的简约衡量指标，评价一个工艺作为开关使用的优劣，不论取什么尺寸的晶体管，只需要将其与相乘，就可以得到其特性参数。如下图为文章[1]中不同RF-SOI工艺的对比，可以看到，不同工艺的与乘积会有不同，大致在115fs至165fs之间，但相同工艺下的多种器件得到的乘积基本相同。  图：不同工艺的与 ? 由于与乘积决定了开关插损与泄露能量的大小，所以在设计低插损、高隔离开关时，应尽量选择低与乘积的半导体工艺。 ? 二、射频开关：做好不简单?  虽然对于一个射频来说，功能、应用评价都非常简约、直观，但想要将开关做好却并不容易。主要原因在于射频系统越来越复杂，对于“架桥铺路”功能的射频开关也提出了越来越高的要求：  发射通路上的开关必须要承载大功率的通过  切换速度要足够的快  复杂系统下，开关的“刀”和“掷”数目激增  ? 这就像是将原来只负责通过40公里时速小车的一分二岔路口，变成大型立交桥，并且还需要保证重型大车以120公里时速的快速通过。这对“立交桥”设计提出了极高的要求。   ? 图：（a）简单系统中开关要求（b）复杂系统中开关要求  大功率的处理  根据YOLE的预测[2]，至2023年，全球手机市场所用到的开关主要集中于SOI与（MEMS）两种工艺，并且SOI会是绝对的主流工艺。   ? 图：手机开关所使用的工艺  ? 除了MEMS之外，可以用于手机的工艺还有很多，比如半导体工艺中的GaAs pHEMT、GaA