在射頻系統(tǒng)中還有一類有源器件被經(jīng)常使用，它就是射頻開關(guān)（RF SWITCH），它是一種工作在射頻頻段的開關(guān)，其功能就是控制射頻信號(hào)的“通”與“斷”。無論是WIFI系統(tǒng)，還是LTE系統(tǒng)都被廣泛使用。接下來我們就一起看看射頻開關(guān)的相關(guān)知識(shí)。

一、射頻開關(guān)作用

射頻開關(guān)的作用是將多路射頻信號(hào)中的任一路或幾路通過控制邏輯連通，以實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)路徑的切換，包括接收與發(fā)射的切換、不同頻段間的切換等，以達(dá)到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的。具體如下：

如下為WIFI系統(tǒng)中2種常使用的應(yīng)用框圖：

二、射頻開關(guān)分類

2.1、RF MEMS開關(guān)

RF MEMS開關(guān)是具有低功耗的小型微機(jī)械開關(guān)，它可以有多種配置，根據(jù)如下幾個(gè)方面：1.信號(hào)通路（電容或直直接接觸，目前主流的為電容式），2.執(zhí)行機(jī)制（靜電，磁，熱），3.起動(dòng)機(jī)制（彈簧式，有源），4.結(jié)構(gòu)類型（懸臂式，橋式，杠桿臂，旋轉(zhuǎn)式）。RF MEMS具有閉合時(shí)電阻非常低，打開時(shí)電阻非常高。體積小、功率要求低、信號(hào)損耗低、關(guān)斷狀態(tài)隔離度高、電路規(guī)模集成能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于其機(jī)械特性，但同時(shí)也具有相對較慢的開關(guān)時(shí)間和潛在的壽命的缺點(diǎn)。

2.2、機(jī)電式開關(guān)

機(jī)電式開關(guān)的開關(guān)機(jī)制是依賴機(jī)械接觸但又是由電信號(hào)控制.慣用的方法是應(yīng)用TTL晶體管來驅(qū)動(dòng)機(jī)電式開關(guān)。機(jī)電式開關(guān)可以用作波導(dǎo)或同軸開關(guān).缺點(diǎn)是比較笨重且速度慢。

2.3、固態(tài)式射頻開關(guān)之PIN二極管

PIN二極管的結(jié)構(gòu)是在普通的PN結(jié)二極管中間加了一個(gè)本征半導(dǎo)體層，也就是I層。普通二極管是PN結(jié)，而PIN二極管多了一個(gè)本征層。該層有如下特性：

正向偏置（導(dǎo)通狀態(tài)）：載流子（電子和空穴）注入I層，形成低阻抗通路。電阻隨正向電流增大而減?。勺冸娮杼匦裕?，用于信號(hào)衰減或調(diào)制。

反向偏置（截止?fàn)顟B(tài)）：I 層完全耗盡，形成高阻抗區(qū)，結(jié)電容極?。ǖ湫椭担?.1–2 pF）。適用于高頻信號(hào)隔離（如射頻開關(guān)）。

下圖分別為PIN二極管截止與導(dǎo)通時(shí)的等效電路：

接下來我們看看用PIN二極管組成的單刀單擲開關(guān)和單刀雙擲開關(guān)，電路如下圖所示：

上圖顯示了兩種基本類型的PIN二極管系列開關(guān)，一個(gè)SPST和一個(gè)SPDT開關(guān)。在這兩種情況下，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，射頻發(fā)生器和負(fù)載之間呈現(xiàn)低正向電阻RS，它處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)二極管處于零或反向偏置，它在源和負(fù)載之間呈現(xiàn)一個(gè)高阻抗，它處于截止?fàn)顟B(tài)。在串聯(lián)連接開關(guān)中，最大隔離主要取決于PIN二極管的電容，而插入損耗和功耗是二極管電阻的函數(shù)。

2.4、固態(tài)式射頻開關(guān)之FET管

FET場效應(yīng)管開關(guān)具有穩(wěn)定，高可靠性，高速，低插入損耗的優(yōu)勢.FET場效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)可以通過在其控制端加入控制電壓來實(shí)現(xiàn)。在導(dǎo)通狀態(tài)下，射頻信號(hào)可以通過晶體管傳輸；在截止?fàn)顟B(tài)下，射頻信號(hào)被隔離或切斷。與PIN二極管類似FET管在導(dǎo)通狀態(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Ron；晶體管在截止狀態(tài)時(shí)可近似等效為一個(gè)電容，這個(gè)電容就被定義成Coff.目前我們大多數(shù)系統(tǒng)中使用的集成開關(guān)都是這類。

三、射頻開關(guān)的參數(shù)

我們以一份WIFI應(yīng)用中的單刀雙擲開關(guān)為例來說明，首先來看一份規(guī)格書，如下截圖所示：

從上面的規(guī)格書可以看出，射頻開關(guān)的參數(shù)規(guī)格與前面講到的頻器件規(guī)格參數(shù)是差不多的，比如前面文章有講到的S11,IIP3。本文就不再贅述，我們重點(diǎn)看看如下幾個(gè)參數(shù)：

3.1 、Insertion loss(插損)

RF開關(guān)輸入和輸出端口之間的功率損耗或信號(hào)衰減。射頻開關(guān)插入損耗越小越好。如上圖，2.4G頻段插損典型值為0.7dB,5G 頻段插損典型值為1.15dB.

3.2、Isolation(隔離度)

高度隔離可以防止信號(hào)泄漏，避免將不想要的信號(hào)泄露到所需信號(hào)的通道上。高隔離度意味著該路徑中的具有較高衰減。如上規(guī)格書隔離度是指，通路RFC到RF1，與通路RFC到RF2,兩條射頻路徑下同頻率的下的隔離度。隔離度值越大越好。

3.3、Switching speed(開關(guān)速度)

RF開關(guān)由關(guān)到開或由開到關(guān)狀態(tài)切換的速度。這也是RF開關(guān)從一個(gè)輸出端口切換到另一輸出端口的速度。這也是開關(guān)器件獨(dú)有的特性參數(shù)。射頻開關(guān)的速度與器件半導(dǎo)體工藝，電路設(shè)計(jì)息息相關(guān)。不同應(yīng)用系統(tǒng)對開關(guān)切換快慢要求也不一樣，比如蜂窩系統(tǒng)中，4G系統(tǒng)開關(guān)切換時(shí)間的要求一般在2us左右，但在5G系統(tǒng)中，這個(gè)要求已經(jīng)降低到0.5us以下。對任何一個(gè)確定的系統(tǒng)而言，理論上我們希望開關(guān)速度越快越好。

3.4、IP1dB(輸入1dB壓縮點(diǎn))

關(guān)于輸入1dB壓縮點(diǎn)的概念，前面關(guān)于PA基礎(chǔ)知識(shí)文章有說明，本文就在贅述。在WIFI系統(tǒng)中射頻開關(guān)是連接在射頻PA之后的，此時(shí)的輸出功率是比較大的，所以我們在選擇射頻開關(guān)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注該參數(shù)。避免輸入功率超過該值。

3.5、抗ESD

關(guān)于抗ESD，一般的射頻開關(guān)規(guī)格書不會(huì)有關(guān)于此參數(shù)的介紹，我為什么要提這個(gè)參數(shù)呢，因?yàn)樯漕l開關(guān)是直接連接到射頻連接器的，射頻連接器是直接對外的接口，如果射頻鏈路沒有加防護(hù)器件，這個(gè)射頻開關(guān)是直接受到ESD影響的第一個(gè)器件，所以我們在選型時(shí)，也需要關(guān)注下器件本身的抗ESD能力。

以上就是關(guān)于射頻開關(guān)的相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，我常常使用的還是固態(tài)式射頻開關(guān)，你呢？歡迎留言討論！

參考文獻(xiàn)：《微波工程》