通过采用RF开关简化多天线系统的设计

包含多个无线电和多个天线的手机和其他无线系统通常共享一些天线，以减少系统混乱。最新的射频开关为设计人员提供了所需的灵活性，可以最大限度地减少系统中天线的数量，目前这些天线通常可能包括一个或多个蜂窝网络无线电，GPS定位无线电，Wi-Fi接口，蓝牙无线电，FM收音机，还有其他无线电系统。 RF开关允许功率放大器输出为系统所需的频带选择最佳天线，此外，开关可以防止两个无线电同时尝试从同一天线发射。

RF开关可以采用各种技术实现 - 机械结构，如超小型继电器和微机电（MEMS）开关，砷化镓（GaAs）或CMOS FET开关，甚至PIN二极管也可用于开关装置。 RF开关的一些关键规格包括通过频率，电压驻波比（VSWR），隔离，插入损耗，回波损耗，功率处理和开关速度。机械开关倾向于处理最高功率并提供最低的插入损耗和最佳隔离，但由于它们是机械的，因此它们的开关速度最慢，对振动敏感，并且可能由于机械磨损而失效。例如，同轴继电器可以以最小的插入损耗和高功率水平处理高频。 PIN二极管开关速度更快，寿命更长，但只能处理相对较低的功率，并且插入损耗高于机械开关。最后，基于FET的开关具有更高的插入损耗但是更低的视频泄漏，但更容易集成并且可以处理更高的频率。 FET和PIN二极管开关对静电放电（ESD）事件或信号本身引起的过电压也更敏感。同轴继电器对振动敏感，但相对不受ESD的影响。为应用选择最佳开关时需要考虑的其他因素包括视频泄漏，ESD抗扰度，振动/过应力，尺寸和可重复性。所有开关共同的一个问题是需要仔细的电路板布局，以最大限度地减少干扰和串扰问题。精心设计和适当的接地层是优化隔离和最小化插入损耗的必要条件。

虽然没有一种技术可以提供所有类别中的最佳特性，但设计人员可以通过确定其应用的关键规格来做出许多权衡，然后确定哪些剩余特性可以放宽以找到最适合其应用的开关。 RF开关市场中有许多供应商，其中一些包括ADI公司，加州东方实验室（CEL），霍尼韦尔，Maxim，恩智浦，新日本无线电（NJR），Peregrine Semiconductor和Skyworks Solutions。

开关配置遵循一些旧的机械描述 - 单刀/单掷（SPST），双刀/单掷（DPST），单刀/双刀（SPDT），双刀/双掷（DPDT）等。所需的极数/投掷数量将由应用确定，特别是必须在蜂窝电话，卫星，基站或其他RF系统中切换的天线和信号源的数量。

采用GaAs或CMOS制造的FET开关具有比机械开关更高的插入损耗，并且功率处理能力有限。功率限制通常将其用途降低到许多具有几百毫瓦的有限功率输出的便携式应用。

让我们来看看市场上的一些RF开关。 ADI公司的ADG901/902（图1）是采用CMOS实现的宽带SPST开关，在1 GHz时提供40 dB的隔离，插入损耗为0.8 dB（同样在1 GHz），功耗不到1微安。针对无线通信，通用射频开关，双频段通信和数字收发器前端开关等应用，ADG901是一款吸收（匹配）器件，具有50Ω端接分流支路，而ADG902则是反射开关没有内部分流器（图1）。 SPDT版本（如ADG918/919）提供稍高的隔离度--43 dB - 与ADG901/902开关具有相同的功耗和插入损耗。

图1：采用吸收型或反射型，ADI公司的ADG901/902 SPST开关提供40 dB的隔离度和0.8 dB的插入损耗。

针对L波段数字蜂窝系统，无绳电话，蓝牙和无线局域网应用，开发了一系列不同的交换机配置。一种器件，UPG2009TB采用SPDT配置，采用GaAs制造，具有低插入损耗 - 1 GHz时仅为0.25 dB，同时在2 GHz时提供28 dB的隔离级别。该开关可以在1 GHz的频率下处理34 dBm的输入功率。 UPG2155TB能够处理高达4 W的功率，目标是GSM三/四频数字蜂窝系统，插入损耗范围为1 GHz时0.35 dB至2.5 GHz时0.45 dB。对于大型多天线系统，CEL还有一个SP10T RF开关，有五个用于WCDMA的端口，三个用于GSM接收，两个用于GSM发送信道。

基站包含许多天线以增强接收和传输。 HRF-SW1030是霍尼韦尔的SP6T吸收型RF开关，采用绝缘体上硅CMOS工艺，可提供高隔离度解决方案 - 2 GHz时大于42 dB。该公司声称其SOI CMOS工艺可提供GaAs的性能，同时保持CMOS的经济性和集成能力。

Maxim的MAX12005是一种更复杂的开关解决方案，是一款八输入，四输出矩阵开关，主要用于卫星接收器中的中频（IF）开关和L波段信号分配（图2）。该开关采用高性能硅锗（SiGe）工艺制造，可在950 MHz至2.15 GHz范围内工作，并提供大于30 dB的隔离。芯片中包括用于补偿分路器插入损耗的增益级和带有集成振荡器和四个备用音调/电压解码器的四个DiSEqC 2.0解码器。其中两个芯片也可以级联，将输入通道的数量扩展到16个。

图2：在直接广播卫星接收器或L波段信号分配系统中切换信号，Maxim的MAX12005具有8个输入，4个输出，并包含许多附加功能，以简化卫星接收器系统的设计。

NJR还提供各种SPDT GaAs开关。诸如NJG1506R的交换机针对蜂窝手机接收信道具有大约0.3dB的插入损耗和大约27dB的隔离级别。还提供DPDT和SP4T配置的开关，提供高达42 dB的更高隔离级别和0.3 dB的低插入损耗。 SP4T开关针对双模手机中的天线切换，如GSM/DCS1800应用所需（图3）。

图3：显示来自NJR的SP4T开关的简化应用电路演示了电路如何在双频手机中的频段之间切换。

简单的SPDT开关，SA630是恩智浦提供的开关的一个例子。该开关采用BiCMOS工艺制造，适用于数字RF收发器前端等应用，通常可替代无绳电话中的双工器。该芯片还可用于为数字RF通信系统生成幅度移位键控（ASK），开关键控（OOK）或频移键控（FSK）信号。

提供最广泛的交换机产品的公司，Peregrine Semiconductor，RFMD和Skyworks Solutions，采用截然不同的技术来实施其解决方案。 Peregrine首先采用其专有的UltraCMOS工艺，这是蓝宝石衬底上绝缘体上硅技术的一种变体。这些开关的输入至输出隔离电平在1 GHz时大于35 dB，插入损耗仅为0.3 dB。 PE42551是一款器件，其频率范围为9 kHz至6 GHz，旨在满足测试设备和ATE系统市场的要求。该芯片设法在6 GHz时保持21 dB的隔离度，在6 GHz时保持0.90 dB的插入损耗。

RFMD的设计人员利用GaAs MESFET处理器提供一系列发送/接收开关，在900 MHz时插入损耗为1 dB，处理功率高达20 dBm。 RFMD的两个产品针对宽带通信，测试仪器，光纤系统和军事/航空航天应用 - RFSW2042和2045利用GaAs p沟道高电子迁移率晶体管技术（pHEMT）提供DC至15 GHz SP3T开关和DC至16 GHz SP4T开关。对于RFSW2042，插入损耗在15 GHz时为2.1 dB，隔离度为37 dB，而RFSW2045在16 GHz时的插入损耗为2.4 dB，隔离度为38 dB。

利用GaAs p-HEMT技术制造其RF开关，Skyworks提供了许多SPDT变体和一些更复杂的开关，包括SP5T开关AS195-306，它提供五个对称RF路径，插入损耗约为1 GHz时为0.6 dB。该公司还有一个高功率PIN二极管SPDT开关，主要用于SCDMA，WiMAX和LTE基站。该芯片可以处理50 W的连续功率水平和200 W的峰值功率（图4）。

图4：Skyworks的SPDT PIN开关能够处理50 W的连续功率电平，插入损耗仅为0.4 dB，工作在900 MHz至4 GHz频段。总而言之，多个天线系统用于取代无线电收发器系统中的传统单天线电路，以提高传输能力和可靠性。为避免使用与这些多个天线相关的多个RF链，RF开关是必不可少的。广泛的可用RF开关配置和性能功能为设计人员提供了大量选择，可以从中选择最佳的开关以满足其系统要求。这些开关可以处理从几毫瓦到超过50 W连续功率的功率要求，从而使设计人员能够开发从手机到基站到卫星通信系统的各种产品。