射頻開關(guān)及其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉龍飛

摘要：本篇文章主要對射頻開關(guān)的分類進(jìn)行討論以及射頻開關(guān)在通信系統(tǒng)把所有用途做出解釋。總結(jié)了射頻開關(guān)的幾個重要性能指標(biāo)，例如寬帶、隔離度、耗能、耐用性、功率容量等。主要討論機(jī)械開關(guān)，固態(tài)開關(guān)和MEMS開關(guān)的工作機(jī)理。以及技術(shù)指標(biāo)和優(yōu)缺點。最后通過表格比較各種類型的開關(guān)。簡單的敘述其在未來無線通信系統(tǒng)中發(fā)揮的作用。最終只出射頻開關(guān)的動態(tài)以及發(fā)展方向。

一 引言

一般情況下半雙工收發(fā)電路采用開關(guān)切換的技術(shù)用來讓通信系統(tǒng)中的收發(fā)通道只需要一個天線，這樣一來就可以大大的減少通信系統(tǒng)的體積和多余成分，既提高了效率又節(jié)省了材料的使用。在這個過程中射頻開關(guān)所起到的作用就是控制射頻信號的傳輸以及把控產(chǎn)生信號的大小，由此可射頻開關(guān)在無線通信的應(yīng)用中，有著非常重要的作用以及廣泛的用途。伴隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷的提高，人們對無線通信技術(shù)的要求不斷地在增加，所以對射頻開關(guān)的功率、耐用性、功率容量等性能有的比之以往更高的要求。這樣就促使我們對射頻開關(guān)的研究應(yīng)該不斷的加深，所以我們非常有必要去對各種類型的射頻開關(guān)進(jìn)行一個系統(tǒng)的分析。

在設(shè)計一個開關(guān)的時候就得先考慮它的性能以及實用性例如以下幾個因素就是在設(shè)計開關(guān)的時候應(yīng)該考慮到的因素

二 影響因素

帶寬：寬帶不僅僅只影響射頻開關(guān)的最高工作效率，也會對射頻開關(guān)的最低工作效率產(chǎn)生不小的新影響。就比如，要控制直流或者低頻率信號接通和斷開的時候就不能使用PIN管

插入消耗：最理想的開關(guān)是在接通狀態(tài)下信號不會有任何的衰減，也就是說信號的衰減數(shù)值為零。但是，在現(xiàn)實中PIN管的阻抗不可能達(dá)到零，所以對PIN管的一般要求為盡可能接近零。而我們把在接通狀態(tài)下的信號衰減數(shù)值叫做插入消耗。

隔離度：與耗能相反的事在理想的狀態(tài)下，當(dāng)開關(guān)斷開的時候，信號衰減應(yīng)該是無窮大的。然而實際的情況是PIN管在斷開的狀態(tài)下信號的衰減不能達(dá)到理想狀態(tài)的無窮大數(shù)值，只能盡可能的將這個數(shù)字變大。我們吧信號斷開的時侯的衰減稱之為隔離度。

VSWR（電壓駐波比）：傳送電磁波和反射波相互干渉就會形成駐波，系統(tǒng)中連接點的阻抗不匹配就有可能形成駐波或者有時候不同部分的阻抗不匹配也會造成這種干涉形成駐波。無論哪一種元器件在高頻信號通道中就會產(chǎn)生駐波，也會產(chǎn)生也會有插入消耗。

功率容量：射頻開關(guān)在開啟和關(guān)閉的狀態(tài)下所允許的微波信號比較小的那一個決定著，射頻開關(guān)所能承受的最大微波功率，也就是開關(guān)的功率容量。在移動通信的基站中決定功率容量的一個主要因素就是大功率下的IIP3（非線性效應(yīng)）。

耗能和耐用性以及開關(guān)規(guī)格：眾所周知，電能不是無窮無盡的，例如在移動通信中電源就相對比較少。這時候?qū)﹂_關(guān)的要求就是低功耗。MEMS開關(guān)的使用用壽命相對于其他來說比較短，所以在設(shè)計開關(guān)的時候應(yīng)該考慮它的耐用性，就比如使用次數(shù)。此外，在實際生活中安裝開關(guān)的時候都會對開關(guān)的尺寸有所要求，這時候應(yīng)該考慮到開關(guān)的規(guī)格大小。另外，這些產(chǎn)品都服務(wù)于人類所以應(yīng)該考慮道性價比。

速度：在射頻開關(guān)的斷開和接通狀態(tài)切換時的反應(yīng)時間叫做開關(guān)速度，開關(guān)速度在快速器件中是相當(dāng)重要的一個指標(biāo)。想要做到大幅度提高開關(guān)速度一般都會使用I層很薄的PIN管，因為在很薄的PIN管中載流子的數(shù)量非常的少，載流子渡過I層的時間就會大大減少（載流子的壽命不做討論），相應(yīng)的就會大大的提高開關(guān)速度。甚至能夠達(dá)到ns量級。

三 開關(guān)的分類和比較

射頻開關(guān)的分類方法不止一種，一般上都會根據(jù)采用的器件分類、按照開關(guān)元件安裝方式分類、按照電路形式分類和按照開關(guān)的功能分類。按照開關(guān)采用的器件分類可分為機(jī)械式開關(guān)、鐵氧體開關(guān)、PIN管開關(guān)、FET開關(guān)和MEMS開關(guān);按照元件安裝的形式可以將其分為并聯(lián)開關(guān)、串聯(lián)開關(guān)和混合型開關(guān);按電路的形式分為微帶開關(guān)、波導(dǎo)開關(guān)和同軸線開關(guān);按功能分為通斷開關(guān)和選擇開關(guān)。以下主要討論按照采用器件分類。

機(jī)械開關(guān)和鐵氧體開關(guān)：他們兩個的優(yōu)點是功率容量相對于其他種類的開關(guān)較大。但是相對的他們兩個的體積也比較大，在于MMIC電路組合的時會有組合苦難、組合速度慢等缺點，主要應(yīng)用在一些對體積速度要求相對低的地方。例如大功率多波束天線系統(tǒng)。以下不做詳細(xì)介紹。

固態(tài)開關(guān)：固態(tài)開關(guān)包括PIN二極管和FET管，PIN管是二端口的器件，F(xiàn)ET是三端口的器件，在FET中不需要去隔離電容和設(shè)置T型分支射頻信號以及隔離偏置。在設(shè)置PIN管的開關(guān)偏置網(wǎng)絡(luò)的時候，往往會需要1/4波長的短截線，但是這樣就會對款待產(chǎn)生一定的限制作用。需要開關(guān)達(dá)到更好的性能，就得需要采用特殊結(jié)構(gòu)的器件。例如當(dāng)采用垂直結(jié)構(gòu)的PIN管時在94GHz的頻率條件下，是能夠達(dá)到大于30dB的隔離度并且能夠小于1dB的插入消耗。但是不一樣的需求就需要不一樣的開關(guān)，下面通過對PIN管和FET做出比較。

品質(zhì)：與FET相比PIN管在帶寬上有非常明顯的優(yōu)勢（在大多數(shù)情況下）。關(guān)閉狀態(tài)的電容可以很小，所以其上限工作頻率就非常高。PIN管在關(guān)閉狀態(tài)下的電容甚至可以高達(dá)50Ff，在開關(guān)打開阻止為20MA的狀態(tài)下是1.7olm，所以在20MA的阻止條件下品質(zhì)因素為85Fs。而在相同條件下FET的品質(zhì)因素為480Fs。因此在品質(zhì)上PIN管對帶寬的增益是FET的5倍還多。這主要是由于當(dāng)FET斷開的條件下電容太高，直接影響到其高頻特性，但是將FET的電容電路并聯(lián)調(diào)整，把把在打開狀態(tài)的FET當(dāng)做電阻來看就會產(chǎn)生不一樣的效果。由此可以看出品質(zhì)因素不能是帶寬的決定因素。

功率容量：一個并聯(lián)開關(guān)的擊穿電壓可以直接得出開關(guān)本身的功率容量。這就是PIN管的另一個優(yōu)點RF的功率容量比FET要高。垂直結(jié)構(gòu)的PIN管擊穿電壓能夠超過30伏特，PHEMT管的擊穿電壓也能夠達(dá)到10伏特。并且正偏時候的功率容量可以通過將兩個元件串聯(lián)的方式提高。將電壓品均分配給兩個元器件，再由于功率的比值和電壓的比值是平方的關(guān)系，所以PIN管數(shù)目的平方就是功率容量的提高倍數(shù)。如果處于反偏狀態(tài)下，要增加功率容量就得設(shè)計大功率脈沖泄放電路。因為反偏狀態(tài)下的功率容量不僅與飽和電流有關(guān)系而且與外圍電路的關(guān)系也非常巨大。

其他方面：其他方面包括設(shè)計難度、插入消耗。在設(shè)計高速電路的問題上FET射頻開關(guān)相對于PIN開關(guān)的設(shè)計難度要小很多。并且在插入消耗方面不需要直流電流，只需要一個電壓來控制開關(guān)的開啟和關(guān)閉，所以它具有零直流功率消耗的特性。

MEMS開關(guān)：MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）最早的使用可以追到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時在美國的貝爾實驗室中研究人員開發(fā)出了微型硅壓力傳感器， 20世紀(jì)70年代人們又研究出硅片色譜儀、微型繼電器這一系列的產(chǎn)品。在20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)80年代人們利用微機(jī)械技術(shù)制作出多種微小尺寸的機(jī)械元件，這些就是MEMS開關(guān)的前身。在20世紀(jì)80年代末期一個名為UC-Muller的小組開發(fā)出了硅靜電馬達(dá)，在1989年的時候NSF召開學(xué)術(shù)研討會，在會議上正式提出了“微電子技術(shù)應(yīng)用于電（子）機(jī)系統(tǒng)”。

MEMS開關(guān)具有以下的特點在使用的時候大大減小了歐姆接觸中的接觸電阻和擴(kuò)散電阻，對于歐姆損耗有著十分明顯的降低技術(shù)，不僅僅如此，而且高電導(dǎo)率金屬膜在傳輸微波信號的時候損耗變得非常低，十分有效的消除了由于半導(dǎo)體結(jié)引起的I-V非線性，MEMS開關(guān)相比于其他射頻開關(guān)在減小開關(guān)諧波分量和互調(diào)分量有著非常明顯的作用，并且在一定程度上提高了開關(guān)的能量處理能力。

例如在頻率達(dá)到40～100GHz頻段的時候，F(xiàn)ET 開關(guān)在電路中基本已經(jīng)失去了功效，PIN開關(guān)在高頻率下也會有著同樣的使用缺陷。但是MEMS開關(guān)就不會產(chǎn)生類似的問題。這是由于MEMS開關(guān)雖然有實質(zhì)性的狹縫以及金屬接點但是MEMS開關(guān)能在好頻率的狀態(tài)下繼續(xù)發(fā)揮它本身的作用。正是因為MEMS開關(guān)的優(yōu)秀特性，所以機(jī)械式開關(guān)才能在高頻通信技術(shù)中復(fù)活，并且人們對機(jī)械開關(guān)給予了非常高的期望。不但如此，而且在隨著這狹縫的距離不斷加大，其絕緣性能還可以變得更高

MEMS開關(guān)的實際應(yīng)用：

對很多MEMS設(shè)計者來說，手機(jī)市場是巨大的誘惑。2005年的時候，無線市場已經(jīng)在當(dāng)時高達(dá)五千五百五十億元。而且在當(dāng)時就有專家預(yù)估過，在2010年時，貴迅速漲到7000億美元以上。在當(dāng)時的背景下，能夠把集成進(jìn)手機(jī)中的公司來說，就意味著能夠占據(jù)相當(dāng)一部分手機(jī)市場。如果能夠通過使用ems，開關(guān)，電感等一系列電子軟件，手機(jī)的性能將會被大大的提升。在那種條件下，能夠完成，現(xiàn)在做不到甚至想不到的功能。就比如將不會有未接來電。但是當(dāng)時用固體電子學(xué)來完成這些東西，不可避免的會出現(xiàn)很多限制性的功能。

四 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)

在不久的將來，無線電通信系統(tǒng)中可能會廣泛應(yīng)用陣列天線。就好比智能天線，他也是陣列天線的一個種類，不久以前，陣列天線在軍事中起到了很大的作用并且開始在軍事中廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在已經(jīng)能夠逐漸可以民用，不久的以后，陣列天線將會在民用中廣泛應(yīng)用。陣列天線的本質(zhì)就是將很多個天線單元組合起來用來提升他的工作質(zhì)量，從而達(dá)到人們高質(zhì)量的需求。但是會出現(xiàn)一種體積大占用太多空間等問題，尤其是在軍用方面，由于軍艦、軍用飛機(jī)等設(shè)備上面空間較小，這就對是使用造成了極大的不便利。對于民用也一樣過多的體積也會造成極大的不便利。這些要求不斷地在促使著開關(guān)技術(shù)以及無線通信技術(shù)不斷地進(jìn)行革新，相信在不久的將來，上述問題都會被輕松的解決。

五 總結(jié)

隨著認(rèn)了科技的不斷進(jìn)步，無線通信在生活中的使用也越來越廣泛技術(shù)也在不斷的革新，無線通信里面最重要的元件中，射頻開關(guān)就位列其中，所以為了滿足人們的需求，射頻開關(guān)也會不斷地進(jìn)步，除去最基本的高隔離度、低插入消耗、開關(guān)速度以及功率容量等最基礎(chǔ)的要求之外，還會有開關(guān)線性度、IIP3、集成制造以及功耗方面的要求。從這些要求出發(fā)，可以看出MEMS開關(guān)就是一個很好的開關(guān)，原因是因為由于MEMS開關(guān)，重量輕、體積小，適合大批量的生產(chǎn)的特點，非常適合與實際中電路的結(jié)合應(yīng)用，對于廣泛使用來說很方便。

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