什麼是射頻開關?

在你拿著手機打電話或者上網時,你可能不會想到,在手機裡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、高畫質晰度的通訊服務。這個小器件就是射頻開關(RF Switch)。

射頻開關是一種能夠讓手機在不同射頻信號通路之間切換的器件,它就好像是信號的「橋樑」,不斷將信號通路連接或切換。射頻開關應用的範圍也很廣泛,在2G/3G/4G/5G蜂窩通訊系統、Wi-Fi、藍牙、GPS等系統中,均是不可或缺的器件。

和家裡電燈開關一樣,對於射頻開關來說,只有「打開」、「關閉」兩種狀態,功能非常簡約。但這種簡約的功能背後,卻隱藏著複雜而精妙的設計思路,以及不簡單的技術挑戰。

本文將從目前手機中最常用的開關:SOI開關出發,討論「簡約而不簡單」的射頻開關設計。

一、射頻開關:功能簡約

功能簡約

正如其名稱一樣,開關的功能就是「開」和「關」。射頻開關也不例外,射頻開關是工作在射頻頻段的開關,其功能就是控制射頻信號的「通」與「斷」。

目前手機中應用最廣泛的是半導體器件開關,如RF-SOI開關,pHEMT開關等。這些半導體開關的功能與普通的電氣開關相同,符號表示也一致。

圖:(a)電氣開關 (b)開關符號 (c)半導體開關

應用簡約

在射頻系統中,射頻開關扮演著重要的角色。射頻開關的主要功能有:

  • 頻段選擇:使信號在多個不同的射頻通路間切換

  • 收發切換:在TDD(時分雙工)系統中,完成接收與發射的切換

  • 天線切換:在多天線系統中,使信號在不同天線間切換

《除了調匹配,射頻人還要掌握系統知識》中,可以看到,射頻開關器件大量分佈在射頻前端系統中,在天線切換層、頻段開關層及子路徑實現層中需要用到多個射頻開關器件。

圖:射頻開關器件在射頻前端系統中的分佈

圖:射頻開關器件在射頻前端系統中的分佈

評價簡約

開關的評價也非常簡約:開啟的時候能量儘可能多的傳過去;關閉的時候能量儘可能少的漏過來。

開關有兩種工作狀態,分別是「開啟on」和「關閉off」。對於半導體電晶體制作的開關,電晶體在on狀態可近似等效為一個電阻,這個電阻的阻值就被定義為

;電晶體在off狀態時可近似等效為一個電容,這個電容就被定義成

。這就是衡量開關本徵性能的兩個最重要參數:

參數的來源

參數的來源。

圖:(a)on狀態的

圖:(a)on狀態的

;(b)off狀態的

;(b)off狀態的

在on狀態下,由於

在on狀態下,由於

是串接在射頻通路中,所以

是串接在射頻通路中,所以

是串接在射頻通路中,所以

就決定了開關損耗的大小;而在off狀態下,

的存在會造成信號的洩露,所以

的存在會造成信號的洩露,所以

決定了開關隔離的大小

決定了開關隔離的大小。

決定了開關隔離的大小

兩個參數都是越小越好

兩個參數都是越小越好。

在電晶體作為開關的設計中,還有一個非常有意思的特性,即

的乘積是定值。理解起來也比較直觀:當設計中想要用多個電晶體並聯來實現低的串聯電阻時,

會呈倍數的減小,但因為是電晶體的並聯,這時

卻會呈倍數的增加二者的乘積始終不變。

卻會呈倍數的增加。二者的乘積始終不變。

這一特性也使得

這一特性也使得

*

成為衡量開關特性的簡約衡量指標,評價一個工藝作為開關使用的優劣,不論取什麼尺寸的電晶體,只需要將其

相乘,就可以得到其特性參數。如下圖為文章[1]中不同RF-SOI工藝的對比,可以看到,不同工藝的

乘積會有不同,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

圖:不同工藝的

圖:不同工藝的

由於

由於

由於

乘積決定了開關插損與洩露能量的大小,所以在設計低插損、高隔離開關時,應儘量選擇低

乘積的半導體工藝

乘積的半導體工藝。

二、射頻開關:做好不簡單

雖然對於一個射頻來說,功能、應用評價都非常簡約、直觀,但想要將開關做好卻並不容易。主要原因在於射頻系統越來越複雜,對於「架橋鋪路」功能的射頻開關也提出了越來越高的要求:

  1. 發射通路上的開關必須要承載大功率的通過

  2. 切換速度要足夠的快

  3. 複雜系統下,開關的「刀」和「擲」數目激增

這就像是將原來只負責通過40公里時速小車的一分二岔路口,變成大型立交橋,並且還需要保證重型大車以120公里時速的快速通過。這對「立交橋」設計提出了極高的要求。

圖:(a)簡單系統中開關要求(b)複雜系統中開關要求

大功率的處理

根據YOLE的預測[2],至2023年,全球手機市場所用到的開關主要集中於SOI與MEMS兩種工藝,並且SOI會是絕對的主流工藝。

圖:手機開關所使用的工藝

圖:手機開關所使用的工藝

除了MEMS之外,可以用於手機的工藝還有很多,比如半導體工藝中的GaAs pHEMT、GaAs FET等,這些工藝在微波毫米波、衛星通訊等有廣泛應用。另外,普通CMOS工藝也可以用於低頻、高插損的開關設計。SOI之所以能夠從這些工藝中競爭勝出,還是因為其作為開關使用時的重要優勢:

  • 低插入損耗:SOI開關具有低阻抗和低電容,可以減少RF路徑中的信號衰減和功耗;

  • 寬頻寬:SOI開關可以在很寬的頻率範圍內工作,從9 kHz到44 GHz甚至更高,這使得它們能夠支持多種標準和頻段;

  • CMOS兼容的正極控制接口:SOI開關可以與CMOS邏輯電路輕鬆集成,並由正電壓信號控制,這簡化了設計並降低了成本;

  • 堅固的ESD保護:SOI開關在所有引腳上設計具有高ESD耐受性電路,這增強了RF系統的可靠性和耐用性。

與SOI相比,GaAs pHEMT開關雖然具有良好的線性度和隔離度,以及低的通態電阻和截止電容。但它們需要負的柵極電壓、有限的集成能力和低的ESD保護,並且GaAs pHEMT工藝價格高,不利於低成本規模應用。這些都使得SOI可以實現射頻開關後,迅速將GaAs pHEMT等工藝取代。

但SOI進軍開關市場的路徑也並不順利,SOI需要解決的首要問題就是功率問題。

對於手機來說,發射通路中的功率一般在1W量級附近,對於50 Ohm系統來說,射頻擺幅會到10V以上,考慮到負載變化帶來的影響,這個電壓甚至可能會超過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候成為SOI在手機開關應用中的最大問題。

但這並不是技術不可以解決的問題,一些SOI的先驅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,藍寶石上矽)工藝,採用疊管技術,支持高的耐壓擺幅,設計製造出可以滿足手機GSM應用的6T射頻開關,並且性能與GaAs pHEMT媲美[3] 。由此拉開了SOI設計手機射頻開關的序幕。

圖:SOI工藝中,依靠疊管來支撐高的電壓擺幅

採用疊管之後,雖然串聯使用時,on狀態的電阻

會倍數級的增加,但off態的

會倍數級的增加,但off態的

會倍數級的增加,但off態的

寄生電容會同倍數的減小。所以可以採用增大電晶體面積的方式,使

減小至原來值,這裡

減小至原來值,這裡

也增加至原來值

也增加至原來值。

也增加至原來值

的乘積依然保持不變,開關的損耗與隔離特性並沒有受到影響。耐壓增加又不影響射頻性能,疊管設計這一方法瞬間在射頻開關應用中普及開來。

下圖為Peregrine公司2005年設計的GSM手機開關[3]。開關採用8個疊管的設計,共有6個支路。支路1和2對開關插損有高要求,所以選了較大的電晶體尺寸,而3/4/5/6之路插損和尺寸之間做了折衷,電晶體尺寸比1和2之路小了一半,所以Ron電阻也會增大一倍。

圖:Peregrine 2005年設計的SOS CMOS開關

需要說明的是,以上分析均是假定開關幾個疊管之間可以完美的將功率進行均分,但在實際設計中,想要控制電壓均勻分佈也不是易事,需要仔細設計偏置電路,並將寄生效應完整考慮進來。否則雖然設計上進行了疊管設計,但很有可能對於應對大功率無濟於事。

如果在大功率方面處理不好,很好可能造成開關燒燬,造成不可恢復的可靠性問題。所以開關的大功率問題,是開關設計不簡單的首要注意問題。

切換速度的處理

為了實現更優的射頻體驗,5G引入了很多新特性。比如更靈活的子載波配置、天線輪發系統等,這些功能都對開關的切換時間有了進一步要求。在4G時代,開關切換時間的設計目標一般在2us左右,但在5G系統中,這個設計目標已經降低到0.5us以下。

圖:5G系統中複雜而快速的切換網路

圖:5G系統中複雜而快速的切換網路

快速切換給開關設計提出了很高的要求。在開關設計中,切換速度的提升主要通過在偏置電路中的最佳化實現。比如可以通過以下方式來提升開關切換速度:

  1. 最佳化控制邏輯拓撲,簡化控制路徑

  2. 提升控制電路驅動能力,快速實現控制信號的切換

  3. 最佳化偏置電路,縮短控制信號充放電時間

為了實現更高的切換速度,一些創新的方法也被引入進來。比如文獻中提出,可以在開關切換的過程中,可以將用於隔離射頻與偏置的偏置電阻暫時切除,以達到快速控制切換的目的。在切換完成後,再將偏置電阻補充回來,保證射頻性能不受影響。採用這種方法,文章完成了0.35us切換時間的5G開關設計。

圖:文獻提出的快速開關切換電路

圖:文獻提出的快速開關切換電路

(a)傳統方式(b)切換偏置電阻方式

偏置電路的最佳化需要結合射頻性能進行,速度的提升需要建立在射頻性能儘量不受影響的基礎上。開關速度的處理是開關設計中另外一個不簡單的問題。

複雜架構的處理

在從「岔路口」到「立交橋」的演進過程中,開關的拓撲結構越來越複雜,由此也帶來一系列的設計問題。比如其他支路的寄生處理、多支路之間的耦合、多通道同時開啟的相互影響等。這些問題都給5G手機開關帶來挑戰。

開關一般用「刀」和「擲」來定義架構。刀的英文是的英文名稱是Pole,簡稱P,指開關中的活動刀軸;擲的英文名稱是Throw,簡稱T,指開關的活動刀頭可以通向的觸點數目。

比如,1P2T開關,指的就是開關有1個活動刀軸,可以通向2個通路;而2P6T,指的就是開關有2個活動刀軸,可以通向6個通路。在日常開關使用中,「1」也被稱為Single,「2」也被稱為Double,以1P2T與2P6T開關為例子,日常也被稱為SPDT,與DP6T。

圖:SP2T與DP6T開關

圖:SP2T與DP6T開關

在複雜射頻系統中,開關拓撲主要會被擴展為多T、多P與多通三種類型。

圖:複雜的開關架構

圖:複雜的開關架構

多T處理

多T指的就是開關有非常多輸出口。在使用中,同一時刻只會有一個開關開啟,但其他關閉狀態的開關都是寄生的電容負載。

在多T開關的設計中,為了減少過多關斷開關對導通支路電容寄生的影響,同時增加隔離度,可以採用將多T開關分組的方式進行設計。文獻[5]中16T開關分為四組,分別為GSM、LTE1、LTE2與Rx,在減小互相之間影響的同時,可以針對性的對不同需求進行設計。

圖:SP16T開關設計

圖:SP16T開關設計

多P處理

多P指的是開關有多個活動刀軸。和機械開關多放置幾個活動刀頭就可以解決不同,半導體開關必須要通過通路矩陣的方式依靠拓撲來實現。

以DPDT開關為例,文獻[6]中給出了其中一種實現方式。可以看出,與SPDT開關相比,其通路數目增加一倍。如果開關的P數與T數進一步增加,開關設計複雜度也會指數級增加。

圖:DPDT開關的實現

圖:DPDT開關的實現

多通處理

多通(Multi-on)是指開關的兩個或者兩個以上支路可以同時打開。

多通需求的原因是因為手機載波聚合(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射頻通道同時工作,所以就需要開關支持多通功能。

在MTK所發佈的射頻前端規劃中,也提出過對多通開關的需求。例如在MTK提出的支持CA的架構中,就依賴於天線開關的兩通道同時打開[7]。

圖:射頻前端中的多通開關

圖:射頻前端中的多通開關

開關的雙通道打開也對開關提出了新的需求,首先需要開關可以處理好兩個頻段之間的干擾問題,同時還需要使兩頻段間的工作狀態儘量少的相互影響。

以上框圖為互相獨立的兩個射頻通路間同時打開,在5G的系統架構中,有時還需要將同一個開關口同時連接到不同的輸出口,這對開關設計提出了新的要求。

以上開關的複雜架構演進,也讓開關設計不再簡單。

總 結

在射頻前端的四大件中,和PA、LNA、濾波器比起來,射頻開關看起來是最簡約、最常見的器件,也經常被人們認為是最簡單的射頻器件。

但射頻開關也是應用場景最為複雜的器件,不管是在複雜射頻系統構建、還是在射頻通路切換中,都可以看到射頻開關的身影。不同系統需求下,對開關的要求也是千差萬別。要應對好不同場景下的需求,開關設計並不簡單。

隨著5G的到來,射頻前端系統越來越複雜,射頻開關也在5G系統構建中大顯身手。隨著對射頻性能要求的提升,以及未來6G的到來,開關應用會更加廣泛。

在開關設計中,了解開關的應用場景,有的放矢,才可以選擇合適的開關設計。歡迎留言討論,設計好「簡約不簡單」的射頻開關。我們將為留言粉絲隨機送出小禮品一份(慧智微筆記本)。

參考文獻

參考文獻:

[1].M. Jaffe et al. , 「Improvements in SOI technology for RF switches,」 2015 IEEE 15th Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF), San Diego, CA, USA, 2015, pp. 1-3

[2].YOLE,5G’s impact on RF front-end industry, 2017

[3].D. Kelly et al., 「The state-of-the-art of silicon-on-sapphire CMOS RF switches」, IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, 2005. CSIC ’05.

[4].W. Seo et al., 「High-Powered RF SOI Switch With Fast Switching Time for TDD Mobile Applications」, IEEE Access, Volume: 11, 2023

[5].Jie. Cui et al., 「Monolithic Single-Pole Sixteen-Throw T/R Switch for Next-Generation Front-End Module」, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 24, No. 5, 2014

[6].Bo. Yu et al., 「DC 30-GHz DPDT Switch Matrix Design in High Resistivity Trap-Rich SOI」, IEEE Transactions on Electron Devices, 2017

[7].MediaTek, 「LTE RF Front-End Architecture for Mass Market」, MediaTek White Paper, 2014

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