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喜歡射頻的朋友們應該都知道，射頻開關是一種能夠讓手機在不同射頻信號通路之間切換的器件,它就好像是信號的“橋梁”,不斷將信號通路連接或切換。在你拿著手機打電話或者上網時，你可能不會想到，在手機里有種小小的射頻器件，在以每秒鐘近千次的速度快速切換，幫助你享受到高速、低延遲、高清晰度的通信服務。這個小器件就是射頻開關（RF?Switch）。
射頻開關是一種能夠讓手機在不同射頻信號通路之間切換的器件，它就好像是信號的“橋梁”，不斷將信號通路連接或切換。射頻開關應用的范圍也很廣泛，在2G/3G/4G/5G蜂窩通信系統、Wi-Fi、藍牙、GPS等系統中，均是不可或缺的器件。
和家里電燈開關一樣，對于射頻開關來說，只有“打開”、“關閉”兩種狀態，功能非常簡約。但這種簡約的功能背后，卻隱藏著復雜而精妙的設計思路，以及不簡單的技術挑戰。
本文將從目前手機中最常用的開關：SOI開關出發，討論“簡約而不簡單”的射頻開關設計。
一、射頻開關：功能簡約?
功能簡約
正如其名稱一樣，開關的功能就是“開”和“關”。射頻開關也不例外，射頻開關是工作在射頻頻段的開關，其功能就是控制射頻信號的“通”與“斷”。
目前手機中應用最廣泛的是半導體器件開關，如RF-SOI開關，pHEMT開關等。這些半導體開關的功能與普通的電氣開關相同，符號表示也一致。
應用簡約
在射頻系統中，射頻開關扮演著重要的角色。射頻開關的主要功能有：
頻段選擇：使信號在多個不同的射頻通路間切換
收發切換：在TDD（時分雙工）系統中，完成接收與發射的切換
天線切換：在多天線系統中，使信號在不同天線間切換
我們都知道，射頻開關器件大量分布在射頻前端系統中，在天線切換層、頻段開關層及子路徑實現層中需要用到多個射頻開關器件。
評價簡約
開關的評價也非常簡約：開啟的時候能量盡可能多的傳過去；關閉的時候能量盡可能少的漏過來。
開關有兩種工作狀態，分別是“開啟on”和“關閉off”。對于半導體晶體管制作的開關，晶體管在on狀態可近似等效為一個電阻，這個電阻的阻值就被定義為Ron；晶體管在off狀態時可近似等效為一個電容，這個電容就被定義成Coff。這就是衡量開關本征性能的兩個最重要參數：Ron與Coff參數的來源。
在on狀態下，由于Ron是串接在射頻通路中，所以Ron就決定了開關損耗的大小；而在off狀態下，Coff的存在會造成信號的泄露，所以Coff決定了開關隔離的大小。Ron與Coff兩個參數都是越小越好。
在晶體管作為開關的設計中，還有一個非常有意思的特性，即Ron與Coff的乘積是定值。理解起來也比較直觀：當設計中想要用多個晶體管并聯來實現低的串聯電阻時，Ron會呈倍數的減小，但因為是晶體管的并聯，這時Coff卻會呈倍數的增加。二者的乘積始終不變。
這一特性也使得Ron*Coff成為衡量開關特性的簡約衡量指標，評價一個工藝作為開關使用的優劣，不論取什么尺寸的晶體管，只需要將其Ron與Coff相乘，就可以得到其特性參數。
由于Ron與Coff乘積決定了開關插損與泄露能量的大小，所以在設計低插損、高隔離開關時，應盡量選擇低Ron與Coff乘積的半導體工藝。
二、射頻開關：做好不簡單?
雖然對于一個射頻來說，功能、應用評價都非常簡約、直觀，但想要將開關做好卻并不容易。主要原因在于射頻系統越來越復雜，對于“架橋鋪路”功能的射頻開關也提出了越來越高的要求：
1. 發射通路上的開關必須要承載大功率的通過
2. 切換速度要足夠的快
3. 復雜系統下，開關的“刀”和“擲”數目激增
這就像是將原來只負責通過40公里時速小車的一分二岔路口，變成大型立交橋，并且還需要保證重型大車以120公里時速的快速通過。這對“立交橋”設計提出了極高的要求。
大功率的處理
根據YOLE的預測，至2023年，全球手機市場所用到的開關主要集中于SOI與MEMS兩種工藝，并且SOI會是絕對的主流工藝。
除了MEMS之外，可以用于手機的工藝還有很多，比如半導體工藝中的GaAs pHEMT、GaAs FET等，這些工藝在微波毫米波、衛星通信等有廣泛應用。另外，普通CMOS工藝也可以用于低頻、高插損的開關設計。SOI之所以能夠從這些工藝中競爭勝出，還是因為其作為開關使用時的重要優勢：
低插入損耗：SOI開關具有低阻抗和低電容，可以減少RF路徑中的信號衰減和功耗；
寬帶寬：SOI開關可以在很寬的頻率范圍內工作，從9 kHz到44 GHz甚至更高，這使得它們能夠支持多種標準和頻段；
CMOS兼容的正極控制接口：SOI開關可以與CMOS邏輯電路輕松集成，并由正電壓信號控制，這簡化了設計并降低了成本；
堅固的ESD保護：SOI開關在所有引腳上設計具有高ESD耐受性電路，這增強了RF系統的可靠性和耐用性。
與SOI相比，GaAs pHEMT開關雖然具有良好的線性度和隔離度，以及低的通態電阻和截止電容。但它們需要負的柵極電壓、有限的集成能力和低的ESD保護，并且GaAs pHEMT工藝價格高，不利于低成本規模應用。這些都使得SOI可以實現射頻開關后，迅速將GaAs pHEMT等工藝取代。
但SOI進軍開關市場的路徑也并不順利，SOI需要解決的首要問題就是功率問題。
對于手機來說，發射通路中的功率一般在1W量級附近，對于50 Ohm系統來說，射頻擺幅會到10V以上，考慮到負載變化帶來的影響，這個電壓甚至可能會超過20V。而SOI中的MOSFET器件擊穿電壓只有2V左右，功率耐受在最初的時候成為SOI在手機開關應用中的最大問題。
但這并不是技術不可以解決的問題，一些SOI的先驅廠商的工程師做了聰明的嘗試
需要說明的是，以上分析均是假定開關幾個疊管之間可以完美的將功率進行均分，但在實際設計中，想要控制電壓均勻分布也不是易事，需要仔細設計偏置電路，并將寄生效應完整考慮進來。否則雖然設計上進行了疊管設計，但很有可能對于應對大功率無濟于事。
如果在大功率方面處理不好，很好可能造成開關燒毀，造成不可恢復的可靠性問題。所以開關的大功率問題，是開關設計不簡單的首要注意問題。
切換速度的處理
為了實現更優的射頻體驗，5G引入了很多新特性。比如更靈活的子載波配置、天線輪發系統等，這些功能都對開關的切換時間有了進一步要求。在4G時代，開關切換時間的設計目標一般在2us左右，但在5G系統中，這個設計目標已經降低到0.5us以下。
快速切換給開關設計提出了很高的要求。在開關設計中，切換速度的提升主要通過在偏置電路中的優化實現。比如可以通過以下方式來提升開關切換速度：
1. 優化控制邏輯拓撲，簡化控制路徑
2. 提升控制電路驅動能力，快速實現控制信號的切換
3. 優化偏置電路，縮短控制信號充放電時間
為了實現更高的切換速度，一些創新的方法也被引入進來。比如文獻中提出，可以在開關切換的過程中，可以將用于隔離射頻與偏置的偏置電阻暫時切除，以達到快速控制切換的目的。在切換完成后，再將偏置電阻補充回來，保證射頻性能不受影響。
偏置電路的優化需要結合射頻性能進行，速度的提升需要建立在射頻性能盡量不受影響的基礎上。開關速度的處理是開關設計中另外一個不簡單的問題。
復雜架構的處理
在從“岔路口”到“立交橋”的演進過程中，開關的拓撲結構越來越復雜，由此也帶來一系列的設計問題。比如其他支路的寄生處理、多支路之間的耦合、多通道同時開啟的相互影響等。這些問題都給5G手機開關帶來挑戰。
開關一般用“刀”和“擲”來定義架構。刀的英文是的英文名稱是Pole，簡稱P，指開關中的活動刀軸；擲的英文名稱是Throw，簡稱T，指開關的活動刀頭可以通向的觸點數目。
比如，1P2T開關，指的就是開關有1個活動刀軸，可以通向2個通路；而2P6T，指的就是開關有2個活動刀軸，可以通向6個通路。在日常開關使用中，“1”也被稱為Single，“2”也被稱為Double，以1P2T與2P6T開關為例子，日常也被稱為SPDT，與DP6T。
在復雜射頻系統中，開關拓撲主要會被擴展為多T、多P與多通三種類型，接下來我們主要講一下多通處理。
多通處理
多通（Multi-on）是指開關的兩個或者兩個以上支路可以同時打開。
多通需求的原因是因為手機載波聚合（Carrier Aggregation，CA）以及4G/5G雙連接（LTE/NR-Dual Connection，EN-DC）的需求。這些需求中需要兩個射頻通道同時工作，所以就需要開關支持多通功能。
開關的雙通道打開也對開關提出了新的需求，首先需要開關可以處理好兩個頻段之間的干擾問題，同時還需要使兩頻段間的工作狀態盡量少的相互影響。
以上框圖為互相獨立的兩個射頻通路間同時打開，在5G的系統架構中，有時還需要將同一個開關口同時連接到不同的輸出口，這對開關設計提出了新的要求。
以上開關的復雜架構演進，也讓開關設計不再簡單。
總結? ?
在射頻前端的四大件中，和PA、LNA、濾波器比起來，射頻開關看起來是最簡約、最常見的器件，也經常被人們認為是最簡單的射頻器件。
但射頻開關也是應用場景最為復雜的器件，不管是在復雜射頻系統構建、還是在射頻通路切換中，都可以看到射頻開關的身影。不同系統需求下，對開關的要求也是千差萬別。要應對好不同場景下的需求，開關設計并不簡單。
隨著5G的到來，射頻前端系統越來越復雜，射頻開關也在5G系統構建中大顯身手。隨著對射頻性能要求的提升，以及未來6G的到來，開關應用會更加廣泛。
在開關設計中，了解開關的應用場景，有的放矢，才可以選擇合適的開關設計。
編輯：黃飛
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工商網監
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