“簡(jiǎn)約而不簡(jiǎn)單”的射頻開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

在你拿著手機(jī)打電話或者上網(wǎng)時(shí)，你可能不會(huì)想到，在手機(jī)里有種小小的射頻器件，在以每秒鐘近千次的速度快速切換，幫助你享受到高速、低延遲、高清晰度的通信服務(wù)。這個(gè)小器件就是射頻開(kāi)關(guān)（RF Switch）。

射頻開(kāi)關(guān)是一種能夠讓手機(jī)在不同射頻信號(hào)通路之間切換的器件，它就好像是信號(hào)的“橋梁”，不斷將信號(hào)通路連接或切換。射頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用的范圍也很廣泛，在2G/3G/4G/5G蜂窩通信系統(tǒng)、Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS等系統(tǒng)中，均是不可或缺的器件。

和家里電燈開(kāi)關(guān)一樣，對(duì)于射頻開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，只有“打開(kāi)”、“關(guān)閉”兩種狀態(tài)，功能非常簡(jiǎn)約。但這種簡(jiǎn)約的功能背后，卻隱藏著復(fù)雜而精妙的設(shè)計(jì)思路，以及不簡(jiǎn)單的技術(shù)挑戰(zhàn)。

本文將從目前手機(jī)中最常用的開(kāi)關(guān)：SOI開(kāi)關(guān)出發(fā)，討論“簡(jiǎn)約而不簡(jiǎn)單”的射頻開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)。

**一、射頻開(kāi)關(guān)：功能簡(jiǎn)約 **

功能簡(jiǎn)約

正如其名稱一樣，開(kāi)關(guān)的功能就是“開(kāi)”和“關(guān)”。射頻開(kāi)關(guān)也不例外，射頻開(kāi)關(guān)是工作在射頻頻段的開(kāi)關(guān)，其功能就是控制射頻信號(hào)的“通”與“斷”。

目前手機(jī)中應(yīng)用最廣泛的是半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)，如RF-SOI開(kāi)關(guān)，pHEMT開(kāi)關(guān)等。這些半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的功能與普通的電氣開(kāi)關(guān)相同，符號(hào)表示也一致。

圖：（a）電氣開(kāi)關(guān) （b）開(kāi)關(guān)符號(hào) （c）半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)

應(yīng)用簡(jiǎn)約

在射頻系統(tǒng)中，射頻開(kāi)關(guān)扮演著重要的角色。射頻開(kāi)關(guān)的主要功能有：

• 頻段選擇：使信號(hào)在多個(gè)不同的射頻通路間切換
• 收發(fā)切換：在TDD（時(shí)分雙工）系統(tǒng)中，完成接收與發(fā)射的切換
• 天線切換：在多天線系統(tǒng)中，使信號(hào)在不同天線間切換

射頻開(kāi)關(guān)器件大量分布在射頻前端系統(tǒng)中，在天線切換層、頻段開(kāi)關(guān)層及子路徑實(shí)現(xiàn)層中需要用到多個(gè)射頻開(kāi)關(guān)器件。

圖：射頻開(kāi)關(guān)器件在射頻前端系統(tǒng)中的分布

評(píng)價(jià)簡(jiǎn)約

開(kāi)關(guān)的評(píng)價(jià)也非常簡(jiǎn)約：開(kāi)啟的時(shí)候能量盡可能多的傳過(guò)去；關(guān)閉的時(shí)候能量盡可能少的漏過(guò)來(lái)。

開(kāi)關(guān)有兩種工作狀態(tài)，分別是“開(kāi)啟on”和“關(guān)閉off”。對(duì)于半導(dǎo)體晶體管制作的開(kāi)關(guān)，晶體管在on狀態(tài)可近似等效為一個(gè)電阻，這個(gè)電阻的阻值就被定義為；晶體管在off狀態(tài)時(shí)可近似等效為一個(gè)電容，這個(gè)電容就被定義成。這就是衡量開(kāi)關(guān)本征性能的兩個(gè)最重要參數(shù)：與參數(shù)的來(lái)源。

圖：（a）on狀態(tài)的；（b）off狀態(tài)的

在on狀態(tài)下，由于是串接在射頻通路中，所以就決定了開(kāi)關(guān)損耗的大??；而在off狀態(tài)下，的存在會(huì)造成信號(hào)的泄露，所以決定了開(kāi)關(guān)隔離的大小。與兩個(gè)參數(shù)都是越小越好。

在晶體管作為開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)中，還有一個(gè)非常有意思的特性，即與的乘積是定值。理解起來(lái)也比較直觀：當(dāng)設(shè)計(jì)中想要用多個(gè)晶體管并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)低的串聯(lián)電阻時(shí)，會(huì)呈倍數(shù)的減小，但因?yàn)槭蔷w管的并聯(lián)，這時(shí)卻會(huì)呈倍數(shù)的增加。二者的乘積始終不變。

這一特性也使得*成為衡量開(kāi)關(guān)特性的簡(jiǎn)約衡量指標(biāo)，評(píng)價(jià)一個(gè)工藝作為開(kāi)關(guān)使用的優(yōu)劣，不論取什么尺寸的晶體管，只需要將其與相乘，就可以得到其特性參數(shù)。如下圖為文章[1]中不同RF-SOI工藝的對(duì)比，可以看到，不同工藝的與乘積會(huì)有不同，大致在115fs至165fs之間，但相同工藝下的多種器件得到的乘積基本相同。

圖：不同工藝的與

由于與乘積決定了開(kāi)關(guān)插損與泄露能量的大小，所以在設(shè)計(jì)低插損、高隔離開(kāi)關(guān)時(shí)，應(yīng)盡量選擇低與乘積的半導(dǎo)體工藝。

**二、射頻開(kāi)關(guān)：做好不簡(jiǎn)單 **

雖然對(duì)于一個(gè)射頻來(lái)說(shuō)，功能、應(yīng)用評(píng)價(jià)都非常簡(jiǎn)約、直觀，但想要將開(kāi)關(guān)做好卻并不容易。主要原因在于射頻系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)于“架橋鋪路”功能的射頻開(kāi)關(guān)也提出了越來(lái)越高的要求：

1. 發(fā)射通路上的開(kāi)關(guān)必須要承載大功率的通過(guò)
2. 切換速度要足夠的快
3. 復(fù)雜系統(tǒng)下，開(kāi)關(guān)的“刀”和“擲”數(shù)目激增

這就像是將原來(lái)只負(fù)責(zé)通過(guò)40公里時(shí)速小車的一分二岔路口，變成大型立交橋，并且還需要保證重型大車以120公里時(shí)速的快速通過(guò)。這對(duì)“立交橋”設(shè)計(jì)提出了極高的要求。

圖：（a）簡(jiǎn)單系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)要求（b）復(fù)雜系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)要求

大功率的處理

根據(jù)YOLE的預(yù)測(cè)[2]，至2023年，全球手機(jī)市場(chǎng)所用到的開(kāi)關(guān)主要集中于SOI與MEMS兩種工藝，并且SOI會(huì)是絕對(duì)的主流工藝。

圖：手機(jī)開(kāi)關(guān)所使用的工藝

除了MEMS之外，可以用于手機(jī)的工藝還有很多，比如半導(dǎo)體工藝中的GaAs pHEMT、GaAs FET等，這些工藝在微波毫米波、衛(wèi)星通信等有廣泛應(yīng)用。另外，普通CMOS工藝也可以用于低頻、高插損的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)。SOI之所以能夠從這些工藝中競(jìng)爭(zhēng)勝出，還是因?yàn)槠渥鳛殚_(kāi)關(guān)使用時(shí)的重要優(yōu)勢(shì)：

• 低插入損耗：SOI開(kāi)關(guān)具有低阻抗和低電容，可以減少RF路徑中的信號(hào)衰減和功耗；
• 寬帶寬：SOI開(kāi)關(guān)可以在很寬的頻率范圍內(nèi)工作，從9 kHz到44 GHz甚至更高，這使得它們能夠支持多種標(biāo)準(zhǔn)和頻段；
• CMOS兼容的正極控制接口：SOI開(kāi)關(guān)可以與CMOS邏輯電路輕松集成，并由正電壓信號(hào)控制，這簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并降低了成本；
• 堅(jiān)固的ESD保護(hù)：SOI開(kāi)關(guān)在所有引腳上設(shè)計(jì)具有高ESD耐受性電路，這增強(qiáng)了RF系統(tǒng)的可靠性和耐用性。

與SOI相比，GaAs pHEMT開(kāi)關(guān)雖然具有良好的線性度和隔離度，以及低的通態(tài)電阻和截止電容。但它們需要負(fù)的柵極電壓、有限的集成能力和低的ESD保護(hù)，并且GaAs pHEMT工藝價(jià)格高，不利于低成本規(guī)模應(yīng)用。這些都使得SOI可以實(shí)現(xiàn)射頻開(kāi)關(guān)后，迅速將GaAs pHEMT等工藝取代。

但SOI進(jìn)軍開(kāi)關(guān)市場(chǎng)的路徑也并不順利，SOI需要解決的首要問(wèn)題就是功率問(wèn)題。

對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，發(fā)射通路中的功率一般在1W量級(jí)附近，對(duì)于50 Ohm系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，射頻擺幅會(huì)到10V以上，考慮到負(fù)載變化帶來(lái)的影響，這個(gè)電壓甚至可能會(huì)超過(guò)20V。而SOI中的MOSFET器件擊穿電壓只有2V左右，功率耐受在最初的時(shí)候成為SOI在手機(jī)開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的最大問(wèn)題。

但這并不是技術(shù)不可以解決的問(wèn)題，一些SOI的先驅(qū)廠商的工程師做了聰明的嘗試。2015年，Peregrine公司的工程師Dylan Kelly等人成功利用SOS（Silicon on Sapphire，藍(lán)寶石上硅）工藝，采用疊管技術(shù)，支持高的耐壓擺幅，設(shè)計(jì)制造出可以滿足手機(jī)GSM應(yīng)用的6T射頻開(kāi)關(guān)，并且性能與GaAs pHEMT媲美[3] 。由此拉開(kāi)了SOI設(shè)計(jì)手機(jī)射頻開(kāi)關(guān)的序幕。

圖：SOI工藝中，依靠疊管來(lái)支撐高的電壓擺幅

采用疊管之后，雖然串聯(lián)使用時(shí)，on狀態(tài)的電阻會(huì)倍數(shù)級(jí)的增加，但off態(tài)的寄生電容會(huì)同倍數(shù)的減小。所以可以采用增大晶體管面積的方式，使 減小至原來(lái)值，這里也增加至原來(lái)值。與的乘積依然保持不變，開(kāi)關(guān)的損耗與隔離特性并沒(méi)有受到影響。耐壓增加又不影響射頻性能，疊管設(shè)計(jì)這一方法瞬間在射頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用中普及開(kāi)來(lái)。

下圖為Peregrine公司2005年設(shè)計(jì)的GSM手機(jī)開(kāi)關(guān)[3]。開(kāi)關(guān)采用8個(gè)疊管的設(shè)計(jì)，共有6個(gè)支路。支路1和2對(duì)開(kāi)關(guān)插損有高要求，所以選了較大的晶體管尺寸，而3/4/5/6之路插損和尺寸之間做了折衷，晶體管尺寸比1和2之路小了一半，所以Ron電阻也會(huì)增大一倍。

圖：Peregrine 2005年設(shè)計(jì)的SOS CMOS開(kāi)關(guān)

需要說(shuō)明的是，以上分析均是假定開(kāi)關(guān)幾個(gè)疊管之間可以完美的將功率進(jìn)行均分，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，想要控制電壓均勻分布也不是易事，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)偏置電路，并將寄生效應(yīng)完整考慮進(jìn)來(lái)。否則雖然設(shè)計(jì)上進(jìn)行了疊管設(shè)計(jì)，但很有可能對(duì)于應(yīng)對(duì)大功率無(wú)濟(jì)于事。

如果在大功率方面處理不好，很好可能造成開(kāi)關(guān)燒毀，造成不可恢復(fù)的可靠性問(wèn)題。所以開(kāi)關(guān)的大功率問(wèn)題，是開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)不簡(jiǎn)單的首要注意問(wèn)題。

切換速度的處理

為了實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的射頻體驗(yàn)，5G引入了很多新特性。比如更靈活的子載波配置、天線輪發(fā)系統(tǒng)等，這些功能都對(duì)開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間有了進(jìn)一步要求。在4G時(shí)代，開(kāi)關(guān)切換時(shí)間的設(shè)計(jì)目標(biāo)一般在2us左右，但在5G系統(tǒng)中，這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)已經(jīng)降低到0.5us以下。

圖：5G系統(tǒng)中復(fù)雜而快速的切換網(wǎng)絡(luò)

快速切換給開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)提出了很高的要求。在開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中，切換速度的提升主要通過(guò)在偏置電路中的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。比如可以通過(guò)以下方式來(lái)提升開(kāi)關(guān)切換速度：

1. 優(yōu)化控制邏輯拓?fù)?，?jiǎn)化控制路徑
2. 提升控制電路驅(qū)動(dòng)能力，快速實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的切換
3. 優(yōu)化偏置電路，縮短控制信號(hào)充放電時(shí)間

為了實(shí)現(xiàn)更高的切換速度，一些創(chuàng)新的方法也被引入進(jìn)來(lái)。比如文獻(xiàn)中提出，可以在開(kāi)關(guān)切換的過(guò)程中，可以將用于隔離射頻與偏置的偏置電阻暫時(shí)切除，以達(dá)到快速控制切換的目的。在切換完成后，再將偏置電阻補(bǔ)充回來(lái)，保證射頻性能不受影響。采用這種方法，文章完成了0.35us切換時(shí)間的5G開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)。

圖：文獻(xiàn)提出的快速開(kāi)關(guān)切換電路

（a）傳統(tǒng)方式（b）切換偏置電阻方式

偏置電路的優(yōu)化需要結(jié)合射頻性能進(jìn)行，速度的提升需要建立在射頻性能盡量不受影響的基礎(chǔ)上。開(kāi)關(guān)速度的處理是開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中另外一個(gè)不簡(jiǎn)單的問(wèn)題。

復(fù)雜架構(gòu)的處理

在從“岔路口”到“立交橋”的演進(jìn)過(guò)程中，開(kāi)關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，由此也帶來(lái)一系列的設(shè)計(jì)問(wèn)題。比如其他支路的寄生處理、多支路之間的耦合、多通道同時(shí)開(kāi)啟的相互影響等。這些問(wèn)題都給5G手機(jī)開(kāi)關(guān)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

開(kāi)關(guān)一般用“刀”和“擲”來(lái)定義架構(gòu)。刀的英文是的英文名稱是Pole，簡(jiǎn)稱P，指開(kāi)關(guān)中的活動(dòng)刀軸；擲的英文名稱是Throw，簡(jiǎn)稱T，指開(kāi)關(guān)的活動(dòng)刀頭可以通向的觸點(diǎn)數(shù)目。

比如，1P2T開(kāi)關(guān)，指的就是開(kāi)關(guān)有1個(gè)活動(dòng)刀軸，可以通向2個(gè)通路；而2P6T，指的就是開(kāi)關(guān)有2個(gè)活動(dòng)刀軸，可以通向6個(gè)通路。在日常開(kāi)關(guān)使用中，“1”也被稱為Single，“2”也被稱為Double，以1P2T與2P6T開(kāi)關(guān)為例子，日常也被稱為SPDT，與DP6T。

圖：SP2T與DP6T開(kāi)關(guān)

在復(fù)雜射頻系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)拓?fù)渲饕獣?huì)被擴(kuò)展為多T、多P與多通三種類型。

圖：復(fù)雜的開(kāi)關(guān)架構(gòu)

多T處理

多T指的就是開(kāi)關(guān)有非常多輸出口。在使用中，同一時(shí)刻只會(huì)有一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，但其他關(guān)閉狀態(tài)的開(kāi)關(guān)都是寄生的電容負(fù)載。

在多T開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)中，為了減少過(guò)多關(guān)斷開(kāi)關(guān)對(duì)導(dǎo)通支路電容寄生的影響，同時(shí)增加隔離度，可以采用將多T開(kāi)關(guān)分組的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[5]中16T開(kāi)關(guān)分為四組，分別為GSM、LTE1、LTE2與Rx，在減小互相之間影響的同時(shí)，可以針對(duì)性的對(duì)不同需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖：SP16T開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

多P處理

多P指的是開(kāi)關(guān)有多個(gè)活動(dòng)刀軸。和機(jī)械開(kāi)關(guān)多放置幾個(gè)活動(dòng)刀頭就可以解決不同，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)必須要通過(guò)通路矩陣的方式依靠拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)。

以DPDT開(kāi)關(guān)為例，文獻(xiàn)[6]中給出了其中一種實(shí)現(xiàn)方式。可以看出，與SPDT開(kāi)關(guān)相比，其通路數(shù)目增加一倍。如果開(kāi)關(guān)的P數(shù)與T數(shù)進(jìn)一步增加，開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)復(fù)雜度也會(huì)指數(shù)級(jí)增加。

圖：DPDT開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)

多通處理

多通（Multi-on）是指開(kāi)關(guān)的兩個(gè)或者兩個(gè)以上支路可以同時(shí)打開(kāi)。

多通需求的原因是因?yàn)槭謾C(jī)載波聚合（Carrier Aggregation，CA）以及4G/5G雙連接（LTE/NR-Dual Connection，EN-DC）的需求。這些需求中需要兩個(gè)射頻通道同時(shí)工作，所以就需要開(kāi)關(guān)支持多通功能。

在MTK所發(fā)布的射頻前端規(guī)劃中，也提出過(guò)對(duì)多通開(kāi)關(guān)的需求。例如在MTK提出的支持CA的架構(gòu)中，就依賴于天線開(kāi)關(guān)的兩通道同時(shí)打開(kāi)[7]。

圖：射頻前端中的多通開(kāi)關(guān)

開(kāi)關(guān)的雙通道打開(kāi)也對(duì)開(kāi)關(guān)提出了新的需求，首先需要開(kāi)關(guān)可以處理好兩個(gè)頻段之間的干擾問(wèn)題，同時(shí)還需要使兩頻段間的工作狀態(tài)盡量少的相互影響。

以上框圖為互相獨(dú)立的兩個(gè)射頻通路間同時(shí)打開(kāi)，在5G的系統(tǒng)架構(gòu)中，有時(shí)還需要將同一個(gè)開(kāi)關(guān)口同時(shí)連接到不同的輸出口，這對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)提出了新的要求。

以上開(kāi)關(guān)的復(fù)雜架構(gòu)演進(jìn)，也讓開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)不再簡(jiǎn)單。

** 總 結(jié) **

在射頻前端的四大件中，和PA、LNA、濾波器比起來(lái)，射頻開(kāi)關(guān)看起來(lái)是最簡(jiǎn)約、最常見(jiàn)的器件，也經(jīng)常被人們認(rèn)為是最簡(jiǎn)單的射頻器件。

但射頻開(kāi)關(guān)也是應(yīng)用場(chǎng)景最為復(fù)雜的器件，不管是在復(fù)雜射頻系統(tǒng)構(gòu)建、還是在射頻通路切換中，都可以看到射頻開(kāi)關(guān)的身影。不同系統(tǒng)需求下，對(duì)開(kāi)關(guān)的要求也是千差萬(wàn)別。要應(yīng)對(duì)好不同場(chǎng)景下的需求，開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)并不簡(jiǎn)單。

隨著5G的到來(lái)，射頻前端系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，射頻開(kāi)關(guān)也在5G系統(tǒng)構(gòu)建中大顯身手。隨著對(duì)射頻性能要求的提升，以及未來(lái)6G的到來(lái)，開(kāi)關(guān)應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

在開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中，了解開(kāi)關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景，有的放矢，才可以選擇合適的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)。