白皮书 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 摘要：现代智能手机和平板电脑通常都集成了使用不同 频带（从 FM 无线电到 LTE）的多项无线服务。同时，为 了提高敏感性和避免串音，多天线设计越来越流行。这 两种趋势使微型射频固态开关在智能移动设备的射频前 端设计中扮演越来越重要的角色。本白皮书概述了在常 见移动设备设计中的不同电路位置使用的高掷数和低掷 数射频开关，并探讨了各项性能规格和设计功能对系统 整体性能的影响。此外，本白皮书还对各射频开关模块 进行了深入剖析，并揭示了射频开关核心技术的当前和 未来发展趋势。 简介 当几大主流手机制造商纷纷在小小的手机中集成多项无 线通讯技术，率先引领移动上网风潮之后，以数据为中 心的智能移动设备在全球迅速受到追捧。此后，智能手 机、平板电脑和电子书用户不约而同地追求高速数据传 输和多功能性，进一步推动整个行业朝着两个方向发 展：一方面，更先进的无线标准 / 技术（例如，演进的 高速分组接入 [HSPA+] 和长期演进 [LTE] 技术）正在不断 发展并被大型服务运营商采用；另一方面，更多的无线 服务（例如，GPS、手机电视和 RFID）逐渐集成到各种智 能移动设备中。这两个趋势对移动设备的射频前端设计 产生了相同的影响：即需要更多频带和更强的信号质量 （图 1）。在不久的将来，智能移动设备不仅能够轻松 地在 12 个或更多蜂窝式频带中工作，并且可以提供 WiFi、 WiMAX、GPS、蓝牙、手机 FM/电视、RFID 和其他非蜂窝 式服务。由于需要集成大量的并行路径，射频前端工程 师面临着前所未有的挑战。他们不仅要应付急剧增加的 射频元件数量和功耗，同时还要保持各频带（频率范 围）内的信号质量。 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 • 2011 年 4 月 4 日 1 白皮书 • 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 图 1. 射频前端（蜂窝式）的演进 在所有的多频带前端设计中，开关技术起着关键的作 用。在蜂窝式天线中通常会放置一个高掷射频开关，用 于连接双工器和单边带放大器之间的射频路径。然而， 随着前端设计中需要容纳越来越多的频带，分路开关能 够实现对多模和多频带功率放大器的使用，从而降低设 计的复杂性并减少成本和功耗（图 2）。此外，通过增 加分集式天线和分集式天线开关，不仅能提高数据接收 质量，还能在主天线被语音通信占用的同时下载数据。 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com 2 2011 年 4 月 4 日 • Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 白皮书 • 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 (a) (b) 图 2. WCDMA 前端设计示例：使用单频带 PA (a) 和使用带分路开关的宽频带 PA (b) 即使是非蜂窝模式，诸如 WiFi 和蓝牙等模块同样可依靠 射频开关在传输和接收信号之间切换，但是对这些开关 的功率要求要低于蜂窝模式下使用的同类开关。 在下面的部分中，我们将详细讨论用于各项功能的重要 开关规格，以及在为常见智能移动设备的射频前端设计 选择开关时需要关注的因素。最后，我们将讨论射频开 关行业的一些重要技术趋势。如果您对技术感兴趣，请 查看“附录”，此部分提供了有关固态射频开关技术的 简单教程、常见开关的工作方式以及如何权衡各种开关 规格的说明。“附录”部分的表 2 列出了与射频开关有 关的重要规格的简单定义。 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 • 2011 年 4 月 4 日 3 白皮书 • 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 在智能移动设备中使用的开关 图 3 显示了一个模拟的智能移动设备射频前端架构，其中 包括 6 个 GSM 端口（2 个 Tx 和 4 个 Rx）、4 个 CDMA/WCDMA Tx/Rx 频带、4 个分集式频带，同时支持 WiFi、蓝牙和 GPS。 所有开关均已突出显示，并根据各自的应用标注了相应 型号。 图 3. 智能移动设备前端 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com 4 2011 年 4 月 4 日 • Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 白皮书 • 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 单刀 10 掷 (SP10T) 主天线开关的尺寸最大，复杂性最高， 功率容量也最强。主天线开关应至少具备 +36 dBm GSM Tx 功率容量，再加上电路损耗和天线失配，其 1 dB 输入增 益饱和点 (IP1dB) 应接近 +40 dBm (10 W)。 除了高功率容量之外，在考虑主天线开关时，低插入损 耗也是一个重要的规格。降低接收端口的损耗将减少后 续低噪声放大器 (LNA) 的负载，从而增加接收器的灵敏 度。此外，GSM Tx 和 Rx 端口之间的隔离度必须要大于 25 dB，以避免高功率的 Tx 信号泄露到 Rx 路径中并因此 对接收器造成损坏。 为了消除干扰，主天线开关还需要在 GSM Tx 频带具有出 色的谐波抑制度（低于 -30 dBm）。例如，阻止设备的 GSM 低频带 (LB) 信号 (850/900 MHz) 干扰 GSM 高频带 (HB) 信号 (1800/1900 MHz)。GSM Tx 端的谐波抑制度通常可通 过在两个 GSM Tx 端口（LB 和 HB）分别集成两个低通滤波 器 (LPF) 来实现。对于因外部环境导致的天线匹配不佳， 主天线开关应能在天线失配的情况下保持出色的谐波性 能，即使天线端口的电压驻波比 (VSWR) 高达 5:1（图 4）。 除了确保 GSM 端的谐波性能之外，它还需要在 CDMA/ WCDMA 频带中提供出色的线性度。这一规格可通过频带 外阻隔测试以互调失真 (IMD) 的形式进行测量。[3] 请见以 下示例（图 5)：设备正在收发一系列的 WCDMA 信号，Tx 为 1.95 GHz，Rx 为 2.14 GHz。当附近有人打电话时，设备 天线将收到 1.76 GHz 的 GSM Tx 信号。如果天线开关的 线性度较差，接收的 GSM HB Tx 信号和本地的 WCDMA HB Tx 信号会在开关中混合，并在 2.14 GHz 的 WCDMA Rx 频 带产生 3 阶互调峰值。为了避免在 WCDMA 接收器端发生 任何干扰，互调峰值必须要低于系统的最低灵敏度。因 此在这类应用中，最好使用在整个相位范围内 IMD 低于 -100 dBm 的开关。 (a) GSM Tx 低频带 (b) GSM Tx 高频带 图 4. 主天线开关 (SKY13362) 谐波与相位的关系（5:1 失配） Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 • 2011 年 4 月 4 日 5 白皮书 • 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 (a) IMD 机制的解释 [3] (b) IMD 测试设置 图 5. WCDMA 频带中的互调失真 (IMD) Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com 6 2011 年 4 月 4 日 • Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 白皮书 • 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 在 DC 端，无论是通话、下载网页，还是待机和接听来 电，主天线开关将始终处于活动状态，因此会不断消耗 电池中的电流。减小开关控制器消耗的电流则可降低电 池消耗，从而延长电池的使用时间。通常而言，该供电 电流不应超过 1 mA，一般需低于 0.5 mA。 CDMA/WCDMA 分路开关和分集开关均为中等功率容量的 低掷数和中掷数开关，可提供 CDMA/WCDMA 信号峰值功 率（低于 GSM 的信号峰值功率）。由于在多频带平台中 添加或混合多个频带，前置 PA 和后置 PA 均使用了分路 开关以不同路径传送信号。分集开关则用来连接分集式 天线，它在数据卡应用中非常普遍，并且越来越多地应 用于智能移动设备。分集接收技术可提高数据速率，因 此用在接收器端的分集开关通常具有较低的功率容量。 除了无需高功率容量之外，CDMA/WCDMA 应用同样需要 非常出色的 IMD 性能。 用于 WiFi/蓝牙的低掷数开关属于低功率开关，P1dB 约为 +30 dBm。这些类型的开关通常尺寸较小 (1x1 mm) 、控制 电压较低 (1.8 V)。由于嵌入式 WiFi/蓝牙收发器模块已经 高度标准化，标准的误差矢量幅度 (EVM) 与输入功率测 试是 WiFi/蓝牙开关的常见性能指标（图 6），它能同时 测量被测开关的功率和线性度性能。对于 WiMAX 操作， 射频开关的功率容量和线性度必须高于 WiFi 版本，才能 避免信号失真。 开关技术趋势 由于基频 CMOS 芯片的应用越来越广泛，而总功耗持续降 低，基频控制器的控制电压逐渐从 +2.8 V 降至 +1.8 V。在 某些领域，可能会继续降至 +1.3 V。鉴于这类电压逐渐 接近 GaAs pHEMT 的阈值电压，必须使用集成的 CMOS 电荷泵才能满足不断提升的开关线性度和电源要求，这 引发了人们对 GaAs pHEMT 技术与 SOI MOSFET 技术相对优 势的比较（表 1）。 表 1. GaAs pHEMT 与 SOI MOSFET GaAs pHEMT 参数 SOI MOSFET 制造工艺 GaAs 工艺 标准硅 CMOS 工艺 通道传导性 单 FET 功率密度 高 中 中 低 典型偏置电压 正（E 模式）或 负（D 模式） 较小 低（仅限 E/D 模式） 中 正和负（需要集成 驱动器部分） 较大 标准 低 芯片面积 逻辑集成支持 每晶片面积的制造 成本 在低掷数开关中，GaAs pHEMT 技术提供良好的功率和线 性度性能，同时占用较少的芯片面积，这意味着封装尺 寸更小。而对于 SOI MOSFET 开关，由于集成正负电压 发生器的要求以及较低的功率容量和较高的 FET 损耗， 因此通常会占用较大的芯片面积。但是，由于能够在低 于 +1.8 V 的电压下工作，并且能够灵活地在芯片上集成 CMOS 逻辑电路，使得 SOI MOSFET 开关在低控制电压和 高掷数开关应用中具有一定的优势。 图 6. 高功率 WLAN 开关在 2.45 GHz 时的 误差矢量幅度 (EVM) 结果 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 • 2011 年 4 月 4 日 7 白皮书 • 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 除了控制电压之外，控制信号协议也在不断演进（图 7）。 通常，开关是通过一种比较宽泛的并行模式：通用输入 / 输出 (GPIO) 来控制的，它包括一组已预定义“高”和 “低”逻辑的并行控制引脚。越来越多的设计从这种并 行控制过渡到串行控制，例如串行外围接口 (SPI)。SPI 协议可能需要时钟引脚、串行控制输入引脚以及锁存引 脚，后者可根据存储的串行控制位触发开关操作。2003 年，几家主要的移动芯片组公司组建了移动行业处理器 接口 (MIPI) 联盟，旨在利用结构化的串行命令来规范移 动设备中所有主要元件之间的通信。[4] 如今，越来越多 的公司采用 MIPI，并要求在其移动设备中使用的射频开 关兼容 MIPI。 图 8. 双天线多输入多输出 (MIMO) 最后，采用固态开关技术的主动天线调谐也受到许多制造 商的青睐（图 9）。此项技术能够改进宽频范围中单天 线的阻抗匹配，因此可降低发射器上的功率要求，并提 高接收器的灵敏度。然而，高功率能力和超低损耗（高 Q 系数）等要求对此类设备的发展提出了挑战。 图 7. 开关控制接口的演进 另一方面，由于 FET 的基本物理限制，导致射频开关的 线性度要求愈加难以实现，因此，开关封装中越来越多 地采用大量的滤波器技术。以原生 GaAs 或 SiO2 晶片为 基材制造的集成无源器件 (IPD) 滤波器可提供良好的谐波 抑制度和高功率容量，常常用于 GSM Tx 端口。声表面波 (SAW) 滤波器 [5] 可提供近乎完美的频带选择，目前用于 GSM Rx 端。与 SAW 滤波器类似，声体波 (BAW) 滤波器 [6] 能够在提供相同滤波特性的同时更加稳定，因此近期逐 渐获得广泛认可。 图 9. 使用并联切换电容器组的数字天线调谐器示例 此外，4G 长期演进 (LTE) 标准提出了使用两个天线来实 现多输入多输出 (MIMO) 操作，该技术可使用双刀双掷 (DPDT) 双天线开关，让基带处理器能够动态选择较强的 接收信号，或者同时将两个独立的数据流与基站进行通 信（图 8）。 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com 8 2011 年 4 月 4 日 • Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 白皮书 • 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 总结 由于移动设备行业不断追求更快的数据速率、更多的无 线服务和更低的功耗，固态射频开关在射频前端设计中 变得至关重要。GaAs pHEMT 和 SOI MOSFET 技术带来了各 种具有出色功率和线性度性能的射频开关，它们为当前 和下一代智能移动设备的通用架构提供理想选择。 附录：固态射频开关的简要教程 制造尺寸小于几平方毫米的常规射频开关时，适合采用 以下三种技术：p-i-n 二极管、微电子机械系统 (MEMS) 和固态场效应晶体管 (FET)。P-i-n 二极管通常用于高功 率应用中，但此技术需要较大的偏置电流并且切换速度 相对较低，使其不适合移动设备的应用。尽管多年来 MEMS 的前景始终被看好，但只有为数不多的 MEMS 设 备面市，包括微型陀螺仪和加速计。MEMS 射频开关具 有超低的插入损耗和高隔离度，因此十分具有吸引力。 但另一方面，高促动电压要求、特殊封装和可靠性问题 是研究人员必须投入多年努力才能解决的问题。而固态 FET 包括多种基于不同材料的不同的结构，但所有这些 结构都具有高速、可靠、可高度集成和功耗低等重要特 点，因此该技术非常适合制造微型射频开关。 FET 技术在几十年前就已经问世，并且在几乎所有知名的 半导体材料系统中得到改进。[2] 在射频开关行业中使用最 广泛的两种 FET 是砷化镓 (GaAs) 假晶高电子迁移率晶体管 (pHEMT) 和硅绝缘 (SOI) 金属氧化物场效应晶体管 (MOSFET)。 GaAs pHEMT 和 SOI MOSFET 以及其它 FET 具有相同的基本 结构：两个电极（“漏级”和“源极”）之间形成平面 “通道”，通道上方放置一个金属“门级”。当偏置电 压引起门级电位发生变化时，通道中的自由电荷进进出 出，导致漏极和源极之间的电阻发生变化。在极端情况 下，FET 可能偏置为完全关断（无限 / 最大电阻）或完全 导通（最小电阻），从而形成一个简单的开关（图 10）。 (a) 通用 FET 结构 (b) 导通状态（相当于电阻器） (c) 关断状态（相当于电容器） 图 10. GaAs pHEMT 和 SOI MOSFET 结构 对于仅包含一个串联 FET 的射频开关，当开关导通时， FET 相当于串联电阻器。当射频信号通过时，在其上发生 的任何损耗被称为“插入损耗”，该损耗定义为输出和 输入射频功率之比。因此，开关的导通状态也称为“插 入损耗状态”。另一方面，当开关关断时，由于 FET 的 门级、漏极和源极之间存在寄生电容，使其相当于串联 电容器。在高频率时，一些射频信号仍然能够通过这一 电容性从输入耦合到输出。开关关断时的输出和输入射 频功率之比被称为“隔离度”，开关的关断状态也称 为“隔离状态”（表 2）。 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 • 2011 年 4 月 4 日 9 白皮书 • 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 当增大串联 FET 的尺寸时，会降低电阻，从而改善插入 损耗，但是隔离度会成比例降低；当连接多个串联 FET 时，隔离度会改善，但插入损耗会成比例增加。在很多 时候，仅串联的 FET 开关设计可能无法满足对插入损耗 和隔离度的要求，尤其是在高频率时，因此添加了并 联 FET，这类 FET 在开关处于隔离状态时通常是导通状 态。如图 11 中所示，在高频率范围时添加并联 FET 将大 大提高隔离度，代价是增加了一些插入损耗。图 12 还显 示了真实的 SPDT 开关设计，串联和并联 FET 均已标注。 图 12. 带串联和并联 FET 的常见 SPDT 开关 另一方面，在大信号条件下，当射频信号的峰至峰幅度 与施加到门级上的偏置电压相当时，将处于导通状态的 单 FET 近似成串联电阻器并不完全准确。在此条件下， FET 的非线性度可能造成第二和第三谐波的产生，而射 频功率过高将导致开关饱和，并且使插入损耗和隔离度 指标快速下降。尽管可以通过测量射频开关的 1 dB 功率 压缩点 (P1dB) 来有效地定义其功率容量，但我们还可以 可以通过其他方法测量开关的线性度，具体取决于应用 和所需的关注点。这些方法包括测量第 2 和第 3 谐波 (H2, H3)、第 2 和第 3 阶输入截取点 (IIP2, IIP3)、第 2 和第 3 互 调失真 (IMD2, IMD3) 以及误差矢量幅度 (EVM)（表 2）。 (a) (b) 图 11. 仅串联（虚线）和仅并联（实线）开关架构 之间的性能比较 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com 10 2011 年 4 月 4 日 • Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 白皮书 • 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 表 2. 重要的射频开关规格参数 规格 插入损耗 符号 定义 IL 在传输线路中由于插入开关（导通状态）而导致的 信号功率损失。 dB dB 隔离度 ISO 与插入损耗相同，但处于关断状态。 1dB 功率压缩点 P1dB 插入损耗增加 1 dB 时的输入功率水平。 第 2 和第 3 谐波 H2, H3 图示 在 2 倍和 3 倍基波信号频率时的信号功率水平， 常用单位 dBm dBm, dBc 这些谐波是由于开关的非线性所产生 第 2 和第 3 阶输入 功率截取点 第 2 和第 3 阶互调 失真 误差矢量幅度 IIP2, IIP3 由于开关的非线性，两个相似的信号可能会混合， 并生成接近基波信号及其第二谐波的第二和第三个 互调分量。当外推第二和第三互调分量功率等于基 波信号功率时，IIP2 和 IIP3 用于确定输入功率的外 推截取点。 IMD2, IMD3 类似 IIP2 和 IIP3，但可针对非对称信号。 EVM 它用于测量解调器性能，包括开关和其他元件。将 测量符号的位置与参考符号的位置相比较，所得到 的误差矢量距离用于计算 EVM。 dBm dBm %, dB Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 • 2011 年 4 月 4 日 11 白皮书 • 为智能移动设备应用选择正确的射频开关 版权所有 © 2011，Skyworks Solutions, Inc.。保留所有权利。 本文档中的信息与 Skyworks Solutions, Inc.（“Skyworks”）产品或服务有关。Skyworks 将这些材料，包括此处所包含的信息，作为一项服务提供给其客户，仅供客户参考。 Skyworks 对这些材料或此处所包含的信息中的错误或遗漏之处概不负责。Skyworks 可能会随时更改其文档、产品、服务、规格和产品介绍，恕不另行通知。Skyworks 对更 新材料或信息不作任何承诺，对因以后的更改引起的冲突、不兼容或其它问题概不负责。 本文档不会授予对任何知识产权的任何明示或暗示的许可，无论是通过禁止还是其它方式。除非在 Skyworks 销售条款和条件中规定，Skyworks 对此处提供的任何材料、 产品或信息 — 包括销售、分销、复制或使用 Skyworks 产品、信息或材料的行为 — 概不负责。 所有材料、产品和信息均“按原样”提供，不附带任何类型的明示、暗示、法定或其它形式的担保，包括特定用途或使用的适用性、适销性、性能、质量或对任何知识 产权的侵权；所有此类担保在此均以明示方式免责。SKYWORKS 也不保证这些材料中包含的信息、文字、图形或其它内容的准确性或完整性。SKYWORKS 不应对任何损害 承担责任，包括但不限于任何特殊的、间接的、偶发的、法定的或随发的损害，包括但不限于由于使用这些材料或信息导致的收入损失或利润损失，不论材料接收人是 否已被告知发生此类损害的可能性。 Skyworks 产品不适用于医疗、救护或生命维持方面的应用，或 Skyworks 产品故障可能导致人身伤害、死亡、机械损坏或环境破坏的其它设备。使用或销售 Skyworks 产品 的客户如果在此类应用中使用 Skywork 产品，相关风险应自行承担，并且同意对于任何因此类不当的使用或销售造成的损失，Skyworks 完全免责。 设计缺陷、错误或产品操作超出发布参数或设计规格范围可导致 Skyworks 产品偏离其发布规格，客户应对其这类使用 Skyworks 产品的产品和应用负责。客户应采取设计和 操作保障措施，以降低这类风险以及其它风险。Skyworks 对应用辅助、客户产品设计或由于超出发布规格或参数使用 Skyworks 产品导致的损害概不负责。 Skyworks、Skyworks 符号和“Breakthrough Simplicity”是 Skyworks Solutions, Inc. 在美国和其它国家 / 地区的商标或注册商标。第三方品牌和名称仅用于标识用途，归各自所有者 所有。www.skyworksinc.com 上张贴的附加信息，包括相关条款和条件，均通过引用的形式提供。 Skyworks Solutions, Inc. • 电话 [781] 376-3000 • 传真 [781] 376-3100 • [email protected] • www.skyworksinc.com Skyworks 专有信息 • 产品和产品信息如有更改，恕不另行通知。 • 2011 年 4 月 4 日 13