引言

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。

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。

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。

1 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/WCDMATx/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。

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+36dBmGSMTx功率容量，再加上电路损耗和天线失配，其1dB输入增益饱和点（IP1dB）应接近+40dBm（10W）。

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，GSMTx和Rx端口之间的隔离度必须要大于25dB，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GSMTx频带具有出色的谐波抑制度（低于-30dBm）。例如，阻止设备的GSM低频带（LB）信号（850/900MHz）干扰GSM高频带（HB）信号（1800/1900MHz）。GSMTx端的谐波抑制度通常可通过在两个GSMTx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。请见以下示例（图5）：设备正在收发一系列的WCDMA信号，Tx为1.95GHz，Rx为2.14GHz。当附近有人打电话时，设备天线将收到1.76GHz的GSMTx信号。如果天线开关的线性度较差，接收的GSMHBTx信号和本地的WCDMAHBTx信号会在开关中混合，并在2.14GHz的WCDMARx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-100dBm的开关。

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1mA，一般需低于0.5mA。

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+30dBm。这些类型的开关通常尺寸较小（1x1mm）、控制电压较低（1.8V）。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。

2 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+2.8V降至+1.8V。在某些领域，可能会继续降至+1.3V。鉴于这类电压逐渐接近GaAspHEMT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GaAspHEMT技术与SOIMOSFET技术相对优势的比较（表1）。

在低掷数开关中，GaAspHEMT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SOIMOSFET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+1.8V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SOIMOSFET开关在低控制电压和高掷数开关应用中具有一定的优势。

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。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。

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GSMTx端口。声表面波（SAW）滤波器可提供近乎完美的频带选择，目前用于GSMRx端。与SAW滤波器类似，声体波（BAW）滤波器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。

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）。

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。

3 结语

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。GaAspHEMT和SOIMOSFET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。