AN-2558：任意负载下的射频开关性能

射频 （RF） 开关是各种应用的复杂前端系统的主要构建模块，包括发射或接收切换、分集切换、频段切换和保护切换。图1显示了典型RF信号链中的开关使用情况。开关在系统架构中的位置对插入损耗、功率处理、隔离和开关速度等性能特征提出了很高的要求。ADI公司的RF开关采用绝缘体上硅（SOI）工艺，提供反射、吸收和不对称功能，可为无线通信、航空航天或国防提供更高的频率或功率处理能力，以及 仪器仪表应用。

图1.典型RF信号链中的开关使用

RF开关通常由一系列开或关器件以及分流器件组成，满足插入损耗和隔离要求，如图2所示。器件上充当电阻器，关断器件充当电容器，这决定了开关的整体性能。

图2.典型射频开关架构

尽管RF开关的设计和特性是针对理想的50 Ω条件而设计的，但实际应用在所有端口上可能满足也可能不满足首选的50 Ω条件。综合性能参数， 例如插入损耗和隔离，取决于从RF端口看到的回波损耗幅度和相位，因为开关端子通过低电阻（<10 Ω）连接。例如，典型的发射/接收开关可能暴露于来自天线的 1：2 电压驻波比 （VSWR） （~10 dB） 和功率放大器或低噪声放大器的 ~10 dB 回波损耗，因为放大器针对最大功率或最小噪声进行了调谐，这可能不同于 50 Ω 端接的高回波损耗。

本应用笔记强调了任意负载条件对插入损耗、隔离和功耗处理的影响，采用基于负载拉动的方法。端到端插入损耗和隔离 由于RF端口上的回波损耗差和任意相位，可能会降低性能。至于功率处理，RF端口上的任意电阻和电抗都可能导致电压或电流峰值，这可能超出器件限制。因此，讨论了可靠运行所需的降额。

回波损耗差时的性能

在典型的RF信号链中，RF开关的输入和输出端口很少与理想的回波损耗元件接口。RF元件通常具有标量回波损耗和未知相位，如图3所示。结合任意RF走线长度，在恒定的VSWR圆中产生随机相位。随着RF端口的回波损耗降低，插入损耗、隔离和功率处理的不确定性也会增加。

图3.单刀双掷 （SPDT） RF 开关的负载阻抗不确定性

失误

当理想端接呈现给RF开关的输入和输出时，由于没有信号反射，因此可以最佳地观察开关的固有性能。但是，如果采用低回波损耗端接，则会发生反射，它们加起来就是开关的固有插入损耗，也称为失配损耗。如图4所示，失配损耗随着端接回波损耗的降低而增加。例如，终端中的10 dB回波损耗会给系统带来额外的~0.45 dB失配损耗，而20 dB的回波损耗对应于~0.05 dB的失配损耗。

图4.失配损耗与端接回波损耗

为了演示实际器件上的失配损耗现象，对20 W峰值、1 GHz至20 GHz反射开关ADRF5144进行了实验。ADRF5144具有高功率处理能力，是高功率应用的理想发射接收开关。另一方面，ADRF5144的RF端口连接到天线、低噪声放大器（LNA）和功率放大器（PA），这可能会导致潜在的低回波损耗。

图5.ADRF5144 任意负载阻抗的插入损耗

当5144 Ω的理想端接连接到其端子时，ADRF0在8 GHz时的插入损耗为20.50 dB。图5显示了ADRF5144插入损耗与终止回波损耗相关的失配损耗。对于理想情况，例如30 dB端接回波损耗，任意相位的插入损耗为0.8 dB。对于20 dB回波损耗情况，可能会观察到额外的0.05 dB失配损耗，对于10 dB回波损耗情况，可以观察到额外的0.45 dB失配损耗，如图4所示。

回波损耗差下的隔离

任意负载阻抗不仅会影响插入损耗，还会影响RF开关未选定臂的泄漏，这称为隔离。RF开关的隔离性能对于某些应用至关重要，例如发送/接收开关、低噪声放大器（LNA）等精密电子器件的保护开关以及滤波器组切换。具有低回波损耗且具有任意相位的端接会导致未选择的RF臂泄漏更高。

典型的发射/接收应用场景包括 1：2 VSWR 天线、最佳噪声匹配 LNA 和阻抗为 50 Ω的最佳功率匹配 PA。同样，在LNA保护应用中，除了天线VSWR和LNA回波损耗外，通常使用笨重的50 Ω端接电阻来耗散高功率，而高功率的回波损耗较差。至于滤波器切换应用，带外滤波器响应通常是全反射的，需要特别注意。根据应用要求，反射式或吸收式开关更适合将未知负载状态导致的隔离不确定性降至最低。

发送/接收开关应用示例

放置在天线接口上的开关通常需要处理高功率，对于所选路径，插入损耗尽可能低，对于未选择路径，以尽可能高隔离度，以提高前端性能。在图6所示的典型发射场景中，由于低回波损耗和开关端口的任意相位，可以观察到隔离的不确定性因子增加。因此，观察到更糟糕的隔离。

图6.典型发送/接收开关应用

对于典型的PA至LNA泄漏情况，理想情况下，开关的RFx至RFx隔离仅取决于S32参数。但是，当端接不理想且回波损耗较低时，反射会导致发送/接收开关的总泄漏，如公式1所示。

其中：
PPA_to_LNA是PA到LNA泄漏。
ΓANT是天线反射系数。
ΓLNA是LNA反射系数。

图7显示了理想发射/接收开关的PA至LNA泄漏，RFC至RFx （S31） 和 RFx 到 RFx （S32） 隔离，当天线和 LNA 上存在 10 dB 回波损耗时。

图7.PA 至 LNA 泄漏理论计算

图8显示了前端使用的典型发送/接收开关的隔离性能如何随其端口的任意回波损耗和相位而变化。ADRF5144在49 GHz时具有43 dB RFx至RFx隔离度和20 dB RFC至RFx（使用50 Ω端接时）。如果LNA回波损耗较高，则从低回波损耗天线反射回来会导致从发射到接收的泄漏不确定性最小。然而，当天线和LNA回波损耗都很低且相位任意时，泄漏不确定性会增加。例如，当天线和LNA都有20 dB回波损耗时，泄漏不确定度为1.5 dB。但是，当天线和LNA都有10 dB的回波损耗和任意相位时，不确定性增加到5 dB。

图8.发射以接收ADRF5144在发射模式下的泄漏不确定性;见表1

 

端口名称	回波损耗扫描
	大小	阶段
20 dB LNA输入回波损耗（参见 图8）	20分贝	0° 至 360°
10 dB LNA输入回波损耗（参见 图8）	10分贝	0° 至 360°
天线	5 dB 至 30 dB	0° 至 360°

 

液化天然气保护示例

从事时分复用（TDD）的无线电系统通常切换LNA和PA相互补充，它们通过环行器共享同一天线，如图9所示。因此，接收路径需要保护某些高功率情况，例如干扰、PA泄漏和天线反射。对于这些场景，LNA前面采用保护开关，LNA必须具有最小的插入损耗和高功率处理能力。在保护模式下，开关传导至外部终端电阻，该电阻通常是一个笨重的 50 Ω电阻。人们期望50 Ω端接具有高回波损耗，但由于其大尺寸和宽印刷电路板（PCB）焊盘，其回波损耗在毫米波频率下并不高。因此，LNA的泄漏高于预期。

图9.典型的LNA保护开关应用

对于典型的环行器到LNA泄漏场景，理想情况下，开关的RFC到RFx仅取决于S31参数。但是，当端接和开关回波损耗不高时，反射会导致开关的总泄漏，如公式2所示。

其中：
PCIRC_to_LNA是LNA泄漏的循环器。
ΓTERM是终止反射系数。
ΓLNA是LNA反射系数。

图10显示了环行器至LNA泄漏，作为理想保护开关相对于RFC至RFx （S31） 和 RFx 到 RFx （S32） 隔离，当终端和 LNA 上存在 15 dB 回波损耗的实际情况时。

图 10.循环器到LNA泄漏理论计算

图11显示了所选端口端接时ADRF5144的隔离性能。由于高功率处理要求，端接电阻不是 体积小，PCB焊盘笨重。除非使用进一步的阻抗匹配，否则20 GHz的典型高功率终端电阻具有15 dB的回波损耗。端接回波损耗和LNA回波损耗的任意相位在LNA泄漏的公共端口上引入了不确定性。如果任意相位的LNA回波损耗较低，则端接端接处的高50 Ω可能不足以减轻不确定性。然而，电感调谐端接电阻可改善隔离度，即使LNA输入回波损耗在任意相位时较低。

图 11.ADRF5144终端的隔离不确定度;见表2

 

端口名称	回波损耗扫描
	大小	阶段
15 dB/任意相位端接（参见 图11）	15分贝	0° 至 360°
30 dB/任意相位端接（参见 图11）	30分贝	0° 至 360°
15 dB/感性相位端接（参见 图11）	15分贝	135°
液化天然气	5 dB 至 30 dB	0° 至 360°

 

滤波器组切换示例

滤波器切换应用通常使用宽带背靠背开关实现，其中窄带带通滤波器的输入和切换输出如图12所示。因此，泄漏到未选择的通道很重要。滤波器情况被忽视的情况是，它们在带外完全反射，回波损耗非常低，这需要特别注意以评估最坏情况的信号泄漏。

图 12.典型的滤波器组切换应用

ADRF5046是一款反射式SP4T，ADRF5042是一款吸收式SP4T。如图13所示，反射开关的隔离衰减不确定度为~10 dB，回波损耗低，但吸收式开关的衰减仅为~3 dB。在功率处理允许的情况下，吸收式开关提供更高的固有隔离度，并且其隔离性能更能耐受高无功低回波损耗。

图 13.反射式 SP4T 开关和吸收式 SP4T 开关的隔离比较

回波损耗差下的功率处理能力

RF开关的额定功率通常受到器件沿开关内部不同路径的热击穿或电压击穿的限制，如图14所示。热限制通常与RF场效应晶体管（FET）的导通电阻有关，而电压限制通常与RF FET的击穿有关，尤其是在关断状态下。对于端接开关，内部 50 Ω 功率处理是另一个限制因素，它与热或电压有关，具体取决于架构。

图 14.典型RF开关的电压和热限制

在理想的 50 Ω端接条件下，热和电压计算非常简单。然而，需要进一步关注具有无功元件的RF端子上的显著回波损耗。什么时候 RF开关采用低回波损耗端接，任意阻抗和相位可能导致电压或电流峰值，最终导致电压引起的击穿或电流引起的热故障。

图 15.ADRF5144 ADRF5144在44 GHz时10 dBm时的恒定电压和电流轮廓

对于高于5144 dB回波损耗的端接，ADRF44的额定峰值功率高达20 dBm，这是标准实验室设置和评估板配置的典型限值。例如，当 ADRF5144以20 dB的回波损耗端接，在44 GHz时以10 dBm驱动，则可能会出现57 V峰值电压或1.1 A峰值电流，具体取决于终止回波损耗相位。如果开关的回波损耗负载较低，则即使电源具有相同的RF功率，电压峰值或电流峰值也会更高。图15中的负载拉动图显示了当向开关提供不同负载时的恒压等值线和恒流图。给定负载阻抗的任意幅度和相位，开关上出现的电压在30 V至80 V之间变化，而可靠峰值电压限值低于57 V。 同样，电流可能在0.6 A和1.6 A之间缩放，其中可靠峰值电流限值低于1.1 A。

图 16.ADRF5144 44 GHz时10 dBm输入功率和任意端接回波损耗/相位时的电压不确定性

图16显示了在不施加降额的情况下，相对于任意端接回波损耗和相位可能出现的电压峰值。正如预期的那样，尽管输入功率恒定为44 dBm，但相对于较低的回波损耗，电压峰值会更高。为了将电压峰值保持在允许的水平，需要降额。表3总结了最坏情况下可能的电压峰值电平如何调整回波损耗，以及建议ADRF5144的额定功率。更广义的降额 方法是遵循图17，其中归一化降额值与终止回波损耗作为基准。

 

回波损耗（分贝）	输入功率（分贝）	电压 （V）	降额（分贝）
20 12 8 5	44 44 44 44	57 63 70 76	0 1 2 3

 

任何RF开关上使用的更通用的方法是遵循图17中推荐的降额值。

图 17.推荐的归一化降额与终止回波损耗的关系

总结

低回波损耗下的RF开关行为需要进一步关注，因为端到端插入损耗、隔离和功率处理规格可能因RF端口的回波损耗而异。ADI公司最新推出的ADRF5144或ADRF5141等高功率高频开关的应用电路针对不同的前端场景进行了优化，以最大限度地降低不良回波损耗影响。访问技术支持页面以获取更多建议。

审核编辑：郭婷