基于MEMS技術(shù)的RF開關(guān)在電路中的設(shè)計(jì)

RF開關(guān)用于從多個(gè)可用信號(hào)源中選擇所需信號(hào)，或?qū)⑿盘?hào)路由到所需信道，如分集天線系統(tǒng)，雷達(dá)以及測(cè)試和測(cè)量設(shè)置等應(yīng)用。開關(guān)（有時(shí)稱為繼電器）可以使用類似于非RF開關(guān)的機(jī)電（EM）設(shè)計(jì)構(gòu)建，但現(xiàn)在已經(jīng)被開關(guān)IC取代，除了在IC不足的高功率應(yīng)用中，以及一些非常特殊情況或開關(guān)需要多極（觸點(diǎn)）。

還有基于MEMS技術(shù)的RF開關(guān)復(fù)制機(jī)電設(shè)計(jì)但使用IC制造技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹基于IC的固態(tài)開關(guān)，該開關(guān)采用SPDT（單刀雙擲）布置（圖1），通常采用FET和PIN二極管作為其核心開關(guān)元件。

圖1：SPDT RF開關(guān)在概念上很簡(jiǎn)單，控制信號(hào)指示開關(guān)將輸入路由到兩個(gè)可能的輸出中的任何一個(gè)。 （由Skyworks Solutions提供）

這些是定義RF開關(guān)性能的許多參數(shù)，并且大多數(shù)參數(shù)必須與電源電壓，溫度，頻率，功率電平和其他因素進(jìn)行表征。有些在特定應(yīng)用中尤其重要，而有些則可能不那么重要。請(qǐng)注意，大多數(shù)RF開關(guān)設(shè)計(jì)用于50Ω操作，但有些設(shè)計(jì)用于75Ω標(biāo)準(zhǔn)的有線電視。鑒于這些開關(guān)運(yùn)行的頻率很高，許多供應(yīng)商現(xiàn)在提供S參數(shù)和史密斯圓圖作為其數(shù)據(jù)表規(guī)格的部分（有關(guān)背景，請(qǐng)參閱TechZone文章“史密斯圓圖：一個(gè)‘古代’圖形工具仍然在RF設(shè)計(jì)中仍然至關(guān)重要“），幫助工程師確定整體信號(hào)路徑性能，匹配元件阻抗以實(shí)現(xiàn)最小損耗，以及建模系統(tǒng)性能。

工程師必須檢查的第一個(gè)參數(shù)是開關(guān)的頻率范圍。例如，交換機(jī)的性能可以完全指定為1至5 GHz，或3至10 GHz，或者僅限于2.4 GHz Wi-Fi頻段等有限頻段（盡管交換機(jī)的工作范圍較小，但不保證范圍之外的范圍）。由于潛在的半導(dǎo)體物理特性，基于PIN二極管的RF開關(guān)往往在較低頻率下性能降低，而基于FET的器件可以在極低頻率甚至DC下工作。

功率處理是下一個(gè)關(guān)鍵因素。然而，它不僅僅是交換機(jī)在故障發(fā)生之前能夠處理多少功率，而是它在不同功率水平下的性能。今天的復(fù)雜調(diào)制方案和高平均信號(hào)功率比意味著交換機(jī)必須提供足夠的線性度，相鄰信道泄漏比（ACLR），失真，三階互調(diào)產(chǎn)物（IP3）和帶內(nèi)誤差矢量性能在感興趣的功率水平下的幅度（EVM）。

在某些應(yīng)用中，與頻率范圍無關(guān)的切換速度也很重要。雖然供應(yīng)商的定義各不相同，但最常見的開啟時(shí)間定義是在開關(guān)“位置”發(fā)生變化后，開關(guān)RF輸出達(dá)到其最終值的90％的時(shí)間;關(guān)閉時(shí)間是減少到最終值的10％的時(shí)間。 IC開關(guān)的開啟/關(guān)閉時(shí)間大約為微秒甚至納秒（與EM開關(guān)相比，它們?cè)诤撩敕秶鷥?nèi)）。與開關(guān)速度密切相關(guān)，在許多應(yīng)用中更為重要的是建立時(shí)間，當(dāng)RF輸出穩(wěn)定在最終值的0.1 dB或甚至0.05 dB之內(nèi)時(shí)，因?yàn)殡娐吩谶_(dá)到非常接近之前不能對(duì)信號(hào)起作用在許多應(yīng)用中，它是最終的，正確的閥門插入損耗定義了信號(hào)路徑中的衰減。由于通道間電阻，它們對(duì)負(fù)載阻抗和相關(guān)信號(hào)反射的導(dǎo)通電阻的增加以及通過內(nèi)部電容的泄漏，所有IC開關(guān)都會(huì)導(dǎo)致它們路由信號(hào)的一些損耗。插入損耗通常介于0.5和2 dB之間，供應(yīng)商可以定制內(nèi)部電阻和電容，以最大限度地減少指定工作頻段內(nèi)的損耗，但代價(jià)是降低該頻段外的插入損耗。

隔離規(guī)范定義了傳輸RF信號(hào)到開關(guān)的斷開（或脫離）拋出。開關(guān)設(shè)計(jì)人員可以再次設(shè)計(jì)利用器件物理特性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在不同頻率下實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的折衷。因此，寬帶開關(guān)在較低頻率下可能具有80或甚至90 dB的隔離度，但在較高頻率下僅具有30至40 dB的隔離度。

視頻饋通表征當(dāng)開關(guān)改變信號(hào)路徑時(shí)出現(xiàn)在開關(guān)輸出端的電壓瞬變，甚至如果當(dāng)時(shí)沒有信號(hào)。在設(shè)計(jì)具有AGC（自動(dòng)增益控制）的高增益放大器時(shí)非常重要，AGC旨在有意降低其增益以響應(yīng)信號(hào)電平的增加。

驅(qū)動(dòng)和功耗表明電子信號(hào)的類型和數(shù)量是多少需要管理交換機(jī)控制線，以及交換機(jī)本身作為有源設(shè)備的功率，與直流交換機(jī)不同，即使在不改變其路由路徑時(shí)也會(huì)消耗。 （請(qǐng)注意，EM開關(guān)在切換時(shí)具有相對(duì)較高的功率需求，但切換時(shí)為零耗散，因?yàn)樗鼈兪菬o源器件。）

所有開關(guān)都存在可靠性問題。作為沒有移動(dòng)部件的設(shè)備，如果在其額定值內(nèi)使用，IC開關(guān)可以“無限期地”（數(shù)億次循環(huán)）運(yùn)行，而EM開關(guān)可以僅指定數(shù)百萬次循環(huán)。然而，升高的溫度和熱循環(huán)會(huì)降低IC開關(guān)的壽命，并且可能因過量的電源或ESD事件而損壞開關(guān)。最后，還有開關(guān)端接配置。 RF開關(guān)設(shè)計(jì)為反射開路或反射短路（有時(shí)稱為吸收）設(shè)備。反射開路開關(guān)在開路連接上沒有到系統(tǒng)地的分路，因此可以最大限度地減少未使用端口的負(fù)載。相比之下，反射 - 短路開關(guān)配置具有50Ω的接地終端路徑（分流器），因此信號(hào)線上沒有反射，因此無論開關(guān)狀態(tài)如何，都具有低VSWR（垂直駐波比）。許多開關(guān)都有兩種格式，但規(guī)格幾乎相同。

不同的IC滿足不同需求

Hittite Microwave Corp.（現(xiàn)為ADI公司的一部分）HCM545是一款基本的GaAs SPDT開關(guān)，（圖2），指定用于DC到3 GHz的操作，針對(duì)蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，無線LAN，汽車設(shè)計(jì)和測(cè)試設(shè)備。它具有0.25 dB的典型損耗和+65 dBm的輸入IP3，并且在“關(guān)閉”時(shí)在其端口上設(shè)計(jì)有反射短路。它由CMOS/TTL信號(hào)（0/+ 3 V至0/+ 8 V）控制，采用小型6引腳SOT26塑料封裝。

圖2：Hittite HCM545使用基本的74C系列CMOS驅(qū)動(dòng)器來操作信號(hào)路徑控制引腳。

對(duì)于更高頻率的覆蓋但沒有DC性能，Skywork Solutions的反射短路SKY13350-385LF GaAs SPDT開關(guān)覆蓋0.01典型插入損耗為0.35 dB，典型隔離度為25 dB，均為3 GHz。它可以處理高達(dá)32 dBm的功率，10/90％的開關(guān)速度為45 ns。與幾乎所有RF組件一樣，性能是電源電壓的函數(shù);圖3顯示了IEEE 802.11a 5.2至5.8 GHz頻段內(nèi)各種電源電壓的EVM與輸出功率。

圖3：幾乎所有有源RF組件對(duì)電源敏感電壓，溫度和功率水平;以下是Skyworks Solutions公司的SKY13350-385LF的EVM與供電電壓和功率水平的變化。

對(duì)于頻率更高的設(shè)計(jì)，M/A-Com MASW-002103-1363 SPDT開關(guān)是從50 MHz至20 GHz，最高可達(dá)26 GHz;功率處理能力為38 dBm。插入損耗（圖4）在該范圍的低端約為0.4 dB，在20 GHz時(shí)增加到1.0 dB，在25 GHz時(shí)增加到1.6 dB。

圖4：開關(guān)的插入損耗隨著頻率的增加而增加;在這里，M/A-Com MASW-002103-1363 SPDT開關(guān)損耗顯示在DC至26 GHz之上。雖然大多數(shù)RF開關(guān)使用GaAs或CMOS技術(shù)，但Peregrine Semiconductor使用專有的UltraCMOS工藝（專利變體）藍(lán)寶石襯底上的絕緣體上硅（SOI）技術(shù)提供了他們所聲稱的GaAs的性能與經(jīng)濟(jì)和傳統(tǒng)CMOS的集成。他們的PE42520MLBA-Z吸收式RF開關(guān)專為測(cè)試/ATE和無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它的頻率范圍為9 kHz至13 GHz，功率處理額定值為36 dBm連續(xù)波（CW），38 dBm瞬時(shí)功率@ 8 GHz，50Ω。插入損耗分別在3，10和13 GHz時(shí)為0.8，0.9和2.0 dB，而在相同頻率點(diǎn)的隔離度為45，31和18 dB。與所有RF開關(guān)一樣，插入損耗也是溫度的函數(shù)（圖5）。

圖5：與大多數(shù)其他開關(guān)參數(shù)一樣，插入損耗也是溫度的函數(shù);對(duì)于Peregrine Semiconductor PE42520MLBA-Z SPDT開關(guān)，它在-40°C至+ 85°C時(shí)增加約0.5 dB。