基于MEMS技术的RF开关在电路中的设计

RF开关用于从多个可用信号源中选择所需信号，或将信号路由到所需信道，如分集天线系统，雷达以及测试和测量设置等应用。开关（有时称为继电器）可以使用类似于非RF开关的机电（EM）设计构建，但现在已经被开关IC取代，除了在IC不足的高功率应用中，以及一些非常特殊情况或开关需要多极（触点）。

还有基于MEMS技术的RF开关复制机电设计但使用IC制造技术。本文重点介绍基于IC的固态开关，该开关采用SPDT（单刀双掷）布置（图1），通常采用FET和PIN二极管作为其核心开关元件。

图1：SPDT RF开关在概念上很简单，控制信号指示开关将输入路由到两个可能的输出中的任何一个。 （由Skyworks Solutions提供）

这些是定义RF开关性能的许多参数，并且大多数参数必须与电源电压，温度，频率，功率电平和其他因素进行表征。有些在特定应用中尤其重要，而有些则可能不那么重要。请注意，大多数RF开关设计用于50Ω操作，但有些设计用于75Ω标准的有线电视。鉴于这些开关运行的频率很高，许多供应商现在提供S参数和史密斯圆图作为其数据表规格的部分（有关背景，请参阅TechZone文章“史密斯圆图：一个‘古代’图形工具仍然在RF设计中仍然至关重要“），帮助工程师确定整体信号路径性能，匹配元件阻抗以实现最小损耗，以及建模系统性能。

工程师必须检查的第一个参数是开关的频率范围。例如，交换机的性能可以完全指定为1至5 GHz，或3至10 GHz，或者仅限于2.4 GHz Wi-Fi频段等有限频段（尽管交换机的工作范围较小，但不保证范围之外的范围）。由于潜在的半导体物理特性，基于PIN二极管的RF开关往往在较低频率下性能降低，而基于FET的器件可以在极低频率甚至DC下工作。

功率处理是下一个关键因素。然而，它不仅仅是交换机在故障发生之前能够处理多少功率，而是它在不同功率水平下的性能。今天的复杂调制方案和高平均信号功率比意味着交换机必须提供足够的线性度，相邻信道泄漏比（ACLR），失真，三阶互调产物（IP3）和带内误差矢量性能在感兴趣的功率水平下的幅度（EVM）。

在某些应用中，与频率范围无关的切换速度也很重要。虽然供应商的定义各不相同，但最常见的开启时间定义是在开关“位置”发生变化后，开关RF输出达到其最终值的90％的时间;关闭时间是减少到最终值的10％的时间。 IC开关的开启/关闭时间大约为微秒甚至纳秒（与EM开关相比，它们在毫秒范围内）。与开关速度密切相关，在许多应用中更为重要的是建立时间，当RF输出稳定在最终值的0.1 dB或甚至0.05 dB之内时，因为电路在达到非常接近之前不能对信号起作用在许多应用中，它是最终的，正确的阀门插入损耗定义了信号路径中的衰减。由于通道间电阻，它们对负载阻抗和相关信号反射的导通电阻的增加以及通过内部电容的泄漏，所有IC开关都会导致它们路由信号的一些损耗。插入损耗通常介于0.5和2 dB之间，供应商可以定制内部电阻和电容，以最大限度地减少指定工作频段内的损耗，但代价是降低该频段外的插入损耗。

隔离规范定义了传输RF信号到开关的断开（或脱离）抛出。开关设计人员可以再次设计利用器件物理特性的拓扑结构，并在不同频率下实现单独的折衷。因此，宽带开关在较低频率下可能具有80或甚至90 dB的隔离度，但在较高频率下仅具有30至40 dB的隔离度。

视频馈通表征当开关改变信号路径时出现在开关输出端的电压瞬变，甚至如果当时没有信号。在设计具有AGC（自动增益控制）的高增益放大器时非常重要，AGC旨在有意降低其增益以响应信号电平的增加。

驱动和功耗表明电子信号的类型和数量是多少需要管理交换机控制线，以及交换机本身作为有源设备的功率，与直流交换机不同，即使在不改变其路由路径时也会消耗。 （请注意，EM开关在切换时具有相对较高的功率需求，但切换时为零耗散，因为它们是无源器件。）

所有开关都存在可靠性问题。作为没有移动部件的设备，如果在其额定值内使用，IC开关可以“无限期地”（数亿次循环）运行，而EM开关可以仅指定数百万次循环。然而，升高的温度和热循环会降低IC开关的寿命，并且可能因过量的电源或ESD事件而损坏开关。最后，还有开关端接配置。 RF开关设计为反射开路或反射短路（有时称为吸收）设备。反射开路开关在开路连接上没有到系统地的分路，因此可以最大限度地减少未使用端口的负载。相比之下，反射 - 短路开关配置具有50Ω的接地终端路径（分流器），因此信号线上没有反射，因此无论开关状态如何，都具有低VSWR（垂直驻波比）。许多开关都有两种格式，但规格几乎相同。

不同的IC满足不同需求

Hittite Microwave Corp.（现为ADI公司的一部分）HCM545是一款基本的GaAs SPDT开关，（图2），指定用于DC到3 GHz的操作，针对蜂窝基础设施，无线LAN，汽车设计和测试设备。它具有0.25 dB的典型损耗和+65 dBm的输入IP3，并且在“关闭”时在其端口上设计有反射短路。它由CMOS/TTL信号（0/+ 3 V至0/+ 8 V）控制，采用小型6引脚SOT26塑料封装。

图2：Hittite HCM545使用基本的74C系列CMOS驱动器来操作信号路径控制引脚。

对于更高频率的覆盖但没有DC性能，Skywork Solutions的反射短路SKY13350-385LF GaAs SPDT开关覆盖0.01典型插入损耗为0.35 dB，典型隔离度为25 dB，均为3 GHz。它可以处理高达32 dBm的功率，10/90％的开关速度为45 ns。与几乎所有RF组件一样，性能是电源电压的函数;图3显示了IEEE 802.11a 5.2至5.8 GHz频段内各种电源电压的EVM与输出功率。

图3：几乎所有有源RF组件对电源敏感电压，温度和功率水平;以下是Skyworks Solutions公司的SKY13350-385LF的EVM与供电电压和功率水平的变化。

对于频率更高的设计，M/A-Com MASW-002103-1363 SPDT开关是从50 MHz至20 GHz，最高可达26 GHz;功率处理能力为38 dBm。插入损耗（图4）在该范围的低端约为0.4 dB，在20 GHz时增加到1.0 dB，在25 GHz时增加到1.6 dB。

图4：开关的插入损耗随着频率的增加而增加;在这里，M/A-Com MASW-002103-1363 SPDT开关损耗显示在DC至26 GHz之上。虽然大多数RF开关使用GaAs或CMOS技术，但Peregrine Semiconductor使用专有的UltraCMOS工艺（专利变体）蓝宝石衬底上的绝缘体上硅（SOI）技术提供了他们所声称的GaAs的性能与经济和传统CMOS的集成。他们的PE42520MLBA-Z吸收式RF开关专为测试/ATE和无线应用而设计。它的频率范围为9 kHz至13 GHz，功率处理额定值为36 dBm连续波（CW），38 dBm瞬时功率@ 8 GHz，50Ω。插入损耗分别在3，10和13 GHz时为0.8，0.9和2.0 dB，而在相同频率点的隔离度为45，31和18 dB。与所有RF开关一样，插入损耗也是温度的函数（图5）。

图5：与大多数其他开关参数一样，插入损耗也是温度的函数;对于Peregrine Semiconductor PE42520MLBA-Z SPDT开关，它在-40°C至+ 85°C时增加约0.5 dB。