AN-2558：任意負載下的射頻開關(guān)性能

射頻 （RF） 開關(guān)是各種應(yīng)用的復(fù)雜前端系統(tǒng)的主要構(gòu)建模塊，包括發(fā)射或接收切換、分集切換、頻段切換和保護切換。圖1顯示了典型RF信號鏈中的開關(guān)使用情況。開關(guān)在系統(tǒng)架構(gòu)中的位置對插入損耗、功率處理、隔離和開關(guān)速度等性能特征提出了很高的要求。ADI公司的RF開關(guān)采用絕緣體上硅（SOI）工藝，提供反射、吸收和不對稱功能，可為無線通信、航空航天或國防提供更高的頻率或功率處理能力，以及 儀器儀表應(yīng)用。

圖1.典型RF信號鏈中的開關(guān)使用

RF開關(guān)通常由一系列開或關(guān)器件以及分流器件組成，滿足插入損耗和隔離要求，如圖2所示。器件上充當電阻器，關(guān)斷器件充當電容器，這決定了開關(guān)的整體性能。

圖2.典型射頻開關(guān)架構(gòu)

盡管RF開關(guān)的設(shè)計和特性是針對理想的50 Ω條件而設(shè)計的，但實際應(yīng)用在所有端口上可能滿足也可能不滿足首選的50 Ω條件。綜合性能參數(shù)， 例如插入損耗和隔離，取決于從RF端口看到的回波損耗幅度和相位，因為開關(guān)端子通過低電阻（<10 Ω）連接。例如，典型的發(fā)射/接收開關(guān)可能暴露于來自天線的 1：2 電壓駐波比 （VSWR） （~10 dB） 和功率放大器或低噪聲放大器的 ~10 dB 回波損耗，因為放大器針對最大功率或最小噪聲進行了調(diào)諧，這可能不同于 50 Ω 端接的高回波損耗。

本應(yīng)用筆記強調(diào)了任意負載條件對插入損耗、隔離和功耗處理的影響，采用基于負載拉動的方法。端到端插入損耗和隔離 由于RF端口上的回波損耗差和任意相位，可能會降低性能。至于功率處理，RF端口上的任意電阻和電抗都可能導(dǎo)致電壓或電流峰值，這可能超出器件限制。因此，討論了可靠運行所需的降額。

回波損耗差時的性能

在典型的RF信號鏈中，RF開關(guān)的輸入和輸出端口很少與理想的回波損耗元件接口。RF元件通常具有標量回波損耗和未知相位，如圖3所示。結(jié)合任意RF走線長度，在恒定的VSWR圓中產(chǎn)生隨機相位。隨著RF端口的回波損耗降低，插入損耗、隔離和功率處理的不確定性也會增加。

圖3.單刀雙擲 （SPDT） RF 開關(guān)的負載阻抗不確定性

失誤

當理想端接呈現(xiàn)給RF開關(guān)的輸入和輸出時，由于沒有信號反射，因此可以最佳地觀察開關(guān)的固有性能。但是，如果采用低回波損耗端接，則會發(fā)生反射，它們加起來就是開關(guān)的固有插入損耗，也稱為失配損耗。如圖4所示，失配損耗隨著端接回波損耗的降低而增加。例如，終端中的10 dB回波損耗會給系統(tǒng)帶來額外的~0.45 dB失配損耗，而20 dB的回波損耗對應(yīng)于~0.05 dB的失配損耗。

圖4.失配損耗與端接回波損耗

為了演示實際器件上的失配損耗現(xiàn)象，對20 W峰值、1 GHz至20 GHz反射開關(guān)ADRF5144進行了實驗。ADRF5144具有高功率處理能力，是高功率應(yīng)用的理想發(fā)射接收開關(guān)。另一方面，ADRF5144的RF端口連接到天線、低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA），這可能會導(dǎo)致潛在的低回波損耗。

圖5.ADRF5144 任意負載阻抗的插入損耗

當5144 Ω的理想端接連接到其端子時，ADRF0在8 GHz時的插入損耗為20.50 dB。圖5顯示了ADRF5144插入損耗與終止回波損耗相關(guān)的失配損耗。對于理想情況，例如30 dB端接回波損耗，任意相位的插入損耗為0.8 dB。對于20 dB回波損耗情況，可能會觀察到額外的0.05 dB失配損耗，對于10 dB回波損耗情況，可以觀察到額外的0.45 dB失配損耗，如圖4所示。

回波損耗差下的隔離

任意負載阻抗不僅會影響插入損耗，還會影響RF開關(guān)未選定臂的泄漏，這稱為隔離。RF開關(guān)的隔離性能對于某些應(yīng)用至關(guān)重要，例如發(fā)送/接收開關(guān)、低噪聲放大器（LNA）等精密電子器件的保護開關(guān)以及濾波器組切換。具有低回波損耗且具有任意相位的端接會導(dǎo)致未選擇的RF臂泄漏更高。

典型的發(fā)射/接收應(yīng)用場景包括 1：2 VSWR 天線、最佳噪聲匹配 LNA 和阻抗為 50 Ω的最佳功率匹配 PA。同樣，在LNA保護應(yīng)用中，除了天線VSWR和LNA回波損耗外，通常使用笨重的50 Ω端接電阻來耗散高功率，而高功率的回波損耗較差。至于濾波器切換應(yīng)用，帶外濾波器響應(yīng)通常是全反射的，需要特別注意。根據(jù)應(yīng)用要求，反射式或吸收式開關(guān)更適合將未知負載狀態(tài)導(dǎo)致的隔離不確定性降至最低。

發(fā)送/接收開關(guān)應(yīng)用示例

放置在天線接口上的開關(guān)通常需要處理高功率，對于所選路徑，插入損耗盡可能低，對于未選擇路徑，以盡可能高隔離度，以提高前端性能。在圖6所示的典型發(fā)射場景中，由于低回波損耗和開關(guān)端口的任意相位，可以觀察到隔離的不確定性因子增加。因此，觀察到更糟糕的隔離。

圖6.典型發(fā)送/接收開關(guān)應(yīng)用

對于典型的PA至LNA泄漏情況，理想情況下，開關(guān)的RFx至RFx隔離僅取決于S32參數(shù)。但是，當端接不理想且回波損耗較低時，反射會導(dǎo)致發(fā)送/接收開關(guān)的總泄漏，如公式1所示。

其中：
PPA_to_LNA是PA到LNA泄漏。
ΓANT是天線反射系數(shù)。
ΓLNA是LNA反射系數(shù)。

圖7顯示了理想發(fā)射/接收開關(guān)的PA至LNA泄漏，RFC至RFx （S31） 和 RFx 到 RFx （S32） 隔離，當天線和 LNA 上存在 10 dB 回波損耗時。

圖7.PA 至 LNA 泄漏理論計算

圖8顯示了前端使用的典型發(fā)送/接收開關(guān)的隔離性能如何隨其端口的任意回波損耗和相位而變化。ADRF5144在49 GHz時具有43 dB RFx至RFx隔離度和20 dB RFC至RFx（使用50 Ω端接時）。如果LNA回波損耗較高，則從低回波損耗天線反射回來會導(dǎo)致從發(fā)射到接收的泄漏不確定性最小。然而，當天線和LNA回波損耗都很低且相位任意時，泄漏不確定性會增加。例如，當天線和LNA都有20 dB回波損耗時，泄漏不確定度為1.5 dB。但是，當天線和LNA都有10 dB的回波損耗和任意相位時，不確定性增加到5 dB。

圖8.發(fā)射以接收ADRF5144在發(fā)射模式下的泄漏不確定性;見表1

液化天然氣保護示例

從事時分復(fù)用（TDD）的無線電系統(tǒng)通常切換LNA和PA相互補充，它們通過環(huán)行器共享同一天線，如圖9所示。因此，接收路徑需要保護某些高功率情況，例如干擾、PA泄漏和天線反射。對于這些場景，LNA前面采用保護開關(guān)，LNA必須具有最小的插入損耗和高功率處理能力。在保護模式下，開關(guān)傳導(dǎo)至外部終端電阻，該電阻通常是一個笨重的 50 Ω電阻。人們期望50 Ω端接具有高回波損耗，但由于其大尺寸和寬印刷電路板（PCB）焊盤，其回波損耗在毫米波頻率下并不高。因此，LNA的泄漏高于預(yù)期。

圖9.典型的LNA保護開關(guān)應(yīng)用

對于典型的環(huán)行器到LNA泄漏場景，理想情況下，開關(guān)的RFC到RFx僅取決于S31參數(shù)。但是，當端接和開關(guān)回波損耗不高時，反射會導(dǎo)致開關(guān)的總泄漏，如公式2所示。

其中：
PCIRC_to_LNA是LNA泄漏的循環(huán)器。
ΓTERM是終止反射系數(shù)。
ΓLNA是LNA反射系數(shù)。

圖10顯示了環(huán)行器至LNA泄漏，作為理想保護開關(guān)相對于RFC至RFx （S31） 和 RFx 到 RFx （S32） 隔離，當終端和 LNA 上存在 15 dB 回波損耗的實際情況時。

圖 10.循環(huán)器到LNA泄漏理論計算

圖11顯示了所選端口端接時ADRF5144的隔離性能。由于高功率處理要求，端接電阻不是 體積小，PCB焊盤笨重。除非使用進一步的阻抗匹配，否則20 GHz的典型高功率終端電阻具有15 dB的回波損耗。端接回波損耗和LNA回波損耗的任意相位在LNA泄漏的公共端口上引入了不確定性。如果任意相位的LNA回波損耗較低，則端接端接處的高50 Ω可能不足以減輕不確定性。然而，電感調(diào)諧端接電阻可改善隔離度，即使LNA輸入回波損耗在任意相位時較低。

圖 11.ADRF5144終端的隔離不確定度;見表2

濾波器組切換示例

濾波器切換應(yīng)用通常使用寬帶背靠背開關(guān)實現(xiàn)，其中窄帶帶通濾波器的輸入和切換輸出如圖12所示。因此，泄漏到未選擇的通道很重要。濾波器情況被忽視的情況是，它們在帶外完全反射，回波損耗非常低，這需要特別注意以評估最壞情況的信號泄漏。

圖 12.典型的濾波器組切換應(yīng)用

ADRF5046是一款反射式SP4T，ADRF5042是一款吸收式SP4T。如圖13所示，反射開關(guān)的隔離衰減不確定度為~10 dB，回波損耗低，但吸收式開關(guān)的衰減僅為~3 dB。在功率處理允許的情況下，吸收式開關(guān)提供更高的固有隔離度，并且其隔離性能更能耐受高無功低回波損耗。

圖 13.反射式 SP4T 開關(guān)和吸收式 SP4T 開關(guān)的隔離比較

回波損耗差下的功率處理能力

RF開關(guān)的額定功率通常受到器件沿開關(guān)內(nèi)部不同路徑的熱擊穿或電壓擊穿的限制，如圖14所示。熱限制通常與RF場效應(yīng)晶體管（FET）的導(dǎo)通電阻有關(guān)，而電壓限制通常與RF FET的擊穿有關(guān)，尤其是在關(guān)斷狀態(tài)下。對于端接開關(guān)，內(nèi)部 50 Ω 功率處理是另一個限制因素，它與熱或電壓有關(guān)，具體取決于架構(gòu)。

圖 14.典型RF開關(guān)的電壓和熱限制

在理想的 50 Ω端接條件下，熱和電壓計算非常簡單。然而，需要進一步關(guān)注具有無功元件的RF端子上的顯著回波損耗。什么時候 RF開關(guān)采用低回波損耗端接，任意阻抗和相位可能導(dǎo)致電壓或電流峰值，最終導(dǎo)致電壓引起的擊穿或電流引起的熱故障。

圖 15.ADRF5144 ADRF5144在44 GHz時10 dBm時的恒定電壓和電流輪廓

對于高于5144 dB回波損耗的端接，ADRF44的額定峰值功率高達20 dBm，這是標準實驗室設(shè)置和評估板配置的典型限值。例如，當 ADRF5144以20 dB的回波損耗端接，在44 GHz時以10 dBm驅(qū)動，則可能會出現(xiàn)57 V峰值電壓或1.1 A峰值電流，具體取決于終止回波損耗相位。如果開關(guān)的回波損耗負載較低，則即使電源具有相同的RF功率，電壓峰值或電流峰值也會更高。圖15中的負載拉動圖顯示了當向開關(guān)提供不同負載時的恒壓等值線和恒流圖。給定負載阻抗的任意幅度和相位，開關(guān)上出現(xiàn)的電壓在30 V至80 V之間變化，而可靠峰值電壓限值低于57 V。 同樣，電流可能在0.6 A和1.6 A之間縮放，其中可靠峰值電流限值低于1.1 A。

圖 16.ADRF5144 44 GHz時10 dBm輸入功率和任意端接回波損耗/相位時的電壓不確定性

圖16顯示了在不施加降額的情況下，相對于任意端接回波損耗和相位可能出現(xiàn)的電壓峰值。正如預(yù)期的那樣，盡管輸入功率恒定為44 dBm，但相對于較低的回波損耗，電壓峰值會更高。為了將電壓峰值保持在允許的水平，需要降額。表3總結(jié)了最壞情況下可能的電壓峰值電平如何調(diào)整回波損耗，以及建議ADRF5144的額定功率。更廣義的降額 方法是遵循圖17，其中歸一化降額值與終止回波損耗作為基準。

任何RF開關(guān)上使用的更通用的方法是遵循圖17中推薦的降額值。

圖 17.推薦的歸一化降額與終止回波損耗的關(guān)系

總結(jié)

低回波損耗下的RF開關(guān)行為需要進一步關(guān)注，因為端到端插入損耗、隔離和功率處理規(guī)格可能因RF端口的回波損耗而異。ADI公司最新推出的ADRF5144或ADRF5141等高功率高頻開關(guān)的應(yīng)用電路針對不同的前端場景進行了優(yōu)化，以最大限度地降低不良回波損耗影響。訪問技術(shù)支持頁面以獲取更多建議。

審核編輯：郭婷