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​射频开关，简约不简单

2023-10-30

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

在中，可以看到，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、GaAs FET等，这些工艺在微波毫米波、卫星通信等有广泛应用。另外，普通CMOS工艺也可以用于低频、高插损的开关设计。SOI之所以能够从这些工艺中竞争胜出，还是因为其作为开关使用时的重要优势：
    • 低插入损耗：SOI开关具有低阻抗和低电容，可以减少RF路径中的信号衰减和功耗；
    • 宽带宽：SOI开关可以在很宽的频率范围内工作，从9 kHz到44 GHz甚至更高，这使得它们能够支持多种标准和频段；
    • CMOS兼容的正极控制接口：SOI开关可以与CMOS逻辑电路轻松集成，并由正电压信号控制，这简化了设计并降低了成本；
    • 坚固的ESD保护：SOI开关在所有引脚上设计具有高ESD耐受性电路，这增强了RF系统的可靠性和耐用性。

    与SOI相比，GaAs pHEMT开关虽然具有良好的线性度和隔离度，以及低的通态电阻和截止电容。但它们需要负的栅极电压、有限的集成能力和低的ESD保护，并且GaAs pHEMT工艺价格高，不利于低成本规模应用。这些都使得SOI可以实现射频开关后，迅速将GaAs pHEMT等工艺取代。
    但SOI进军开关市场的路径也并不顺利，SOI需要解决的首要问题就是功率问题。
    对于手机来说，发射通路中的功率一般在1W量级附近，对于50 Ohm系统来说，射频摆幅会到10V以上，考虑到负载变化带来的影响，这个电压甚至可能会超过20V。而SOI中的MOSFET器件击穿电压只有2V左右，功率耐受在最初的时候成为SOI在手机开关应用中的最大问题。
    但这并不是技术不可以解决的问题，一些SOI的先驱厂商的工程师做了聪明的尝试。2015年，Peregrine公司的工程师Dylan Kelly等人成功利用SOS（Silicon on Sapphire，蓝宝石上硅）工艺，采用叠管技术，支持高的耐压摆幅，设计制造出可以满足手机GSM应用的6T射频开关，并且性能与GaAs pHEMT媲美[3] 。由此拉开了SOI设计手机射频开关的序幕。


    图：SOI工艺中，依靠叠管来支撑高的电压摆幅
    采用叠管之后，虽然串联使用时，on状态的电阻会倍数级的增加，但off态的寄生电容会同倍数的减小。所以可以采用增大晶体管面积的方式，使 减小至原来值，这里也增加至原来值。与的乘积依然保持不变，开关的损耗与隔离特性并没有受到影响。耐压增加又不影响射频性能，叠管设计这一方法瞬间在射频开关应用中普及开来。
    下图为Peregrine公司2005年设计的GSM手机开关[3]。开关采用8个叠管的设计，共有6个支路。支路1和2对开关插损有高要求，所以选了较大的晶体管尺寸，而3/4/5/6之路插损和尺寸之间做了折衷，晶体管尺寸比1和2之路小了一半，所以Ron电阻也会增大一倍。


    图：Peregrine 2005年设计的SOS CMOS开关
    需要说明的是，以上分析均是假定开关几个叠管之间可以完美的将功率进行均分，但在实际设计中，想要控制电压均匀分布也不是易事，需要仔细设计偏置电路，并将寄生效应完整考虑进来。否则虽然设计上进行了叠管设计，但很有可能对于应对大功率无济于事。
    如果在大功率方面处理不好，很好可能造成开关烧毁，造成不可恢复的可靠性问题。所以开关的大功率问题，是开关设计不简单的首要注意问题。

    切换速度的处理


    为了实现更优的射频体验，5G引入了很多新特性。比如更灵活的子载波配置、天线轮发系统等，这些功能都对开关的切换时间有了进一步要求。在4G时代，开关切换时间的设计目标一般在2us左右，但在5G系统中，这个设计目标已经降低到0.5us以下。

    图：5G系统中复杂而快速的切换网络
    快速切换给开关设计提出了很高的要求。在开关设计中，切换速度的提升主要通过在偏置电路中的优化实现。比如可以通过以下方式来提升开关切换速度：
  • 优化控制逻辑拓扑，简化控制路径
  • 提升控制电路驱动能力，快速实现控制信号的切换
  • 优化偏置电路，缩短控制信号充放电时间

    • 为了实现更高的切换速度，一些创新的方法也被引入进来。比如文献中提出，可以在开关切换的过程中，可以将用于隔离射频与偏置的偏置电阻暂时切除，以达到快速控制切换的目的。在切换完成后，再将偏置电阻补充回来，保证射频性能不受影响。采用这种方法，文章完成了0.35us切换时间的5G开关设计。

    图：文献提出的快速开关切换电路

    （a）传统方式（b）切换偏置电阻方式


    偏置电路的优化需要结合射频性能进行，速度的提升需要建立在射频性能尽量不受影响的基础上。开关速度的处理是开关设计中另外一个不简单的问题。

    复杂架构的处理


    在从“岔路口”到“立交桥”的演进过程中，开关的拓扑结构越来越复杂，由此也带来一系列的设计问题。比如其他支路的寄生处理、多支路之间的耦合、多通道同时开启的相互影响等。这些问题都给5G手机开关带来挑战。
    开关一般用“刀”和“掷”来定义架构。刀的英文是的英文名称是Pole，简称P，指开关中的活动刀轴；掷的英文名称是Throw，简称T，指开关的活动刀头可以通向的触点数目。
    比如，1P2T开关，指的就是开关有1个活动刀轴，可以通向2个通路；而2P6T，指的就是开关有2个活动刀轴，可以通向6个通路。在日常开关使用中，“1”也被称为Single，“2”也被称为Double，以1P2T与2P6T开关为例子，日常也被称为SPDT，与DP6T。

    图：SP2T与DP6T开关


    在复杂射频系统中，开关拓扑主要会被扩展为多T、多P与多通三种类型。

    图：复杂的开关架构

    多T处理


    多T指的就是开关有非常多输出口。在使用中，同一时刻只会有一个开关开启，但其他关闭状态的开关都是寄生的电容负载。
    在多T开关的设计中，为了减少过多关断开关对导通支路电容寄生的影响，同时增加隔离度，可以采用将多T开关分组的方式进行设计。文献[5]中16T开关分为四组，分别为GSM、LTE1、LTE2与Rx，在减小互相之间影响的同时，可以针对性的对不同需求进行设计。

    图：SP16T开关设计

    多P处理


    多P指的是开关有多个活动刀轴。和机械开关多放置几个活动刀头就可以解决不同，半导体开关必须要通过通路矩阵的方式依靠拓扑来实现。
    以DPDT开关为例，文献[6]中给出了其中一种实现方式。可以看出，与SPDT开关相比，其通路数目增加一倍。如果开关的P数与T数进一步增加，开关设计复杂度也会指数级增加。


    图：DPDT开关的实现

    多通处理


    多通（Multi-on）是指开关的两个或者两个以上支路可以同时打开。
    多通需求的原因是因为手机载波聚合（Carrier Aggregation，CA）以及4G/5G双连接（LTE/NR-Dual Connection，EN-DC）的需求。这些需求中需要两个射频通道同时工作，所以就需要开关支持多通功能。
    在MTK所发布的射频前端规划中，也提出过对多通开关的需求。例如在MTK提出的支持CA的架构中，就依赖于天线开关的两通道同时打开[7]。

    图：射频前端中的多通开关
    开关的双通道打开也对开关提出了新的需求，首先需要开关可以处理好两个频段之间的干扰问题，同时还需要使两频段间的工作状态尽量少的相互影响。
    以上框图为互相独立的两个射频通路间同时打开，在5G的系统架构中，有时还需要将同一个开关口同时连接到不同的输出口，这对开关设计提出了新的要求。
    以上开关的复杂架构演进，也让开关设计不再简单。

       总  结   

     

    在射频前端的四大件中，和PA、LNA、滤波器比起来，射频开关看起来是最简约、最常见的器件，也经常被人们认为是最简单的射频器件。


    但射频开关也是应用场景最为复杂的器件，不管是在复杂射频系统构建、还是在射频通路切换中，都可以看到射频开关的身影。不同系统需求下，对开关的要求也是千差万别。要应对好不同场景下的需求，开关设计并不简单。
    随着5G的到来，射频前端系统越来越复杂，射频开关也在5G系统构建中大显身手。随着对射频性能要求的提升，以及未来6G的到来，开关应用会更加广泛。
    源于慧智微电子，作者彭

    赵工

    13488683602

    zhaojh@kw.beijing.gov.cn

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