5G通信基站大功率射頻開關設計

朱 艷

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

大功率射頻開關體積小且成本低，被廣泛應用于射頻毫米波通信系統(tǒng)，以控制信號的導通和斷開。隨著5G技術在全球范圍內(nèi)受到關注，將5G技術推廣到射頻通信領域是目前的研究熱點[1]。毫米波通信和波束成形等都是5G通信中的關鍵技術，而天線是這些技術應用中的關鍵器件，射頻開關則是天線的重要電子元器件之一，可以快速控制信號通斷。有開關存在的天線能使得可重構的多波段相控陣實現(xiàn)幾微秒的動態(tài)重構，可以用于對工作頻率差別要求較大的情況。傳統(tǒng)的PIN開關無法滿足工作過程中驅(qū)動電壓的控制要求，因此本文設計一種5G通信基站大功率射頻開關來彌補傳統(tǒng)開關性能不足的問題。

1 基站大功率射頻開關設計

1.1 開關整體電路結構

本文的目標是設計一種應用在5G通信基站中的大功率射頻開關，能夠很好的平衡各項性能指標，為了保證開關的質(zhì)量，需要在0.13 μm部分耗盡絕緣襯底上硅工藝下實現(xiàn)，并期望SPDT射頻開關單元在0.9 GHz時，插入損耗小于0.5 dB，在1.9 GHz的情況下，測試度的隔離結果能夠大于20 dB[2]。根據(jù)上述要求，設計的開關整體結構如圖1所示。

圖1虛線框中是模擬模塊，其作用為產(chǎn)生射頻開關工作過程中需要的正壓或負壓，通過帶隙提供電壓，通過電平轉(zhuǎn)換LS實現(xiàn)-2～+2.5 V電壓的轉(zhuǎn)換。圖中的LDO屬于模塊外圍電路的輔助，16selectl邏輯選擇單元用于實現(xiàn)16選1的功能，并設計電荷泵、低壓差線性穩(wěn)壓器、外圍輔助電路帶隙基準源、振蕩器以及上電復位在開關整體電路中的位置與結構。

1.2 電極結構設計

射頻開關的電極分為上電極和下電極。上電極的形狀和大小直接影響開關的驅(qū)動電壓與插入損耗等性能.本文設計的上電極形狀為一端固定，而另一端是自由懸空的不規(guī)則球拍型，通過驅(qū)動懸臂梁做垂直運動控制金屬與觸點之間的信號通斷[3]。這種結構與單端的懸臂梁結構相比，其彈性系數(shù)更小，且兩端可以分擔驅(qū)動電壓，使單端電壓降低且接觸電阻減小，因此產(chǎn)生的插入損耗也隨之降低。本文設計的上電極中存在整齊分布的方形釋放孔，可以減少上電極極板在運動過程中受到的空氣阻力，使空氣從極板的兩側(cè)以及方形釋放孔流出，減少開關的時間和阻力，有利于上電極懸空結構的犧牲層充分釋放[4]。梁的彈性系數(shù)主要由梁的剛度和平均殘余應力決定，其中梁材料的楊氏模量和轉(zhuǎn)動慣量會影響梁的剛度，而殘余應力則會影響兩端固定支梁的彈性系數(shù)，因此在開關設計過程中將驅(qū)動電極的位置設置在懸臂梁的正下方。開關下電極是信號傳輸?shù)闹匾糠郑饕ㄓ|點在內(nèi)的共面波導信號線。其表面有兩個觸點，位于上電極的下方。傳統(tǒng)下電極板觸點所在位置會存在直角，使微波信號發(fā)生突變，增加開關插入損耗。本文將這種極板直角進行優(yōu)化，得到漸變型結構，在提升微波性能的同時，降低開關插入損耗。

電極觸點材料通常會選擇金、銀、銅、鉑或鋁等材質(zhì)，但是一些容易被氧化的金屬會使觸點失效，影響射頻開關的可靠性。此外，在大功率射頻開關的微加工工藝中會使用到氧等離子體去膠機完成去膠和犧牲層釋放等工藝，這些工藝會使金屬受到嚴重的氧化，因此在選擇觸點材料時可以利用雙金屬接觸或合金與金屬接觸的方式來解決這類問題[5]。本文選擇的電極接觸材料是Au-Au，電阻率為2.44 μΩ·cm，接觸電阻較小，可以達到1.17 Ω，且制作工藝簡單，在加工過程中不容易被氧化，至此完成大功率射頻開關的設計研究。

2 對比實驗

為了驗證本文設計的5G通信基站大功率射頻開關具有良好的電學性能，設計實驗進行驗證，開關性能測試結構如圖2所示。

圖2直流驅(qū)動板的主要作用是提供驅(qū)動電壓，以此來控制開關的導通，開關測試板與相關測試設備連接用來測試開關的性能。由于設計的大功率射頻開關在工作過程中需要較大的驅(qū)動電壓，但是標準器件的工作電壓一般都保持在5 V以下，因此為了解決這個問題，需要額外的升壓電路。本文開關性能測試采用以LT3482為主控芯片的直流升壓電路，通過滑動變阻器實現(xiàn)5 V以上電壓的控制，滿足實驗要求。實驗過程中，先進行儀器預置，電壓源以0.1 V步進升壓直至電壓表鳴叫，記錄此時電壓值為開啟電壓；隨后電壓源以0.1 V步進降壓直至電壓表停止鳴叫，記錄當前電壓值為保持電壓，這樣測試10次后停止，統(tǒng)計實驗結果并進行分析。

3 實驗結果與分析

在上述實驗條件下，得到本文設計開關與傳統(tǒng)開關的驅(qū)動電壓測試結果如圖3所示。

圖3 驅(qū)動電壓測試結果

由圖3可知，在相同實驗條件下本文設計的開關在驅(qū)動電壓方面與期望曲線的擬合度更高，說明其具有更高的可靠性。

4 結 論

大功率射頻開關作為5G通信基站無線連接功能中的一個模塊，需要與其他部分共同組成一個完整的信號收發(fā)系統(tǒng)，才能實現(xiàn)在通信基站中對信號的無線收發(fā)。本文在設計過程中先確定了整體的電路結構，并對主要的電極組成部分進行了優(yōu)化設計。對設計的大功率射頻開關進行了電學性能測試，實驗結果表明，在相同的實驗條件和環(huán)境下，本文設計的開關對驅(qū)動電壓的控制效果更好，與期望曲線更加接近，在工作過程中的可靠性更高。