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RF開關技術的應用設計方案介紹

電子設計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設計 ? 2019-01-28 08:27 ? 次閱讀

標準機械開關與RF不兼容。在高頻時,信號耦合可能發生在機械接觸間隙之間,這可能像高通濾波器中的電容器一樣。較長的間隙會減少耦合,但會產生尺寸問題。

半導體射頻開關是一類在激活時通過所需頻段的IC,在非激活時會嚴重衰減。互斥級聯開關允許RF信號路徑多路復用,這反過來允許現代設備共享天線或將RF路由到不同級。

此外,使用板載PCB天線或外部天線的能力需要在同一板上切換兩者。 RF開關增加了一塊板支持兩者的靈活性。

本文介紹了可用于從事多功能RF設計(如藍牙Wi-Fi)的工程師的RF開關技術和部件。

Pin二極管開關

用于RF低功率應用的半導體開關被廣泛使用并且是一種眾所周知的技術。重要的是要注意低功率警告,因為高功率開關將使用特殊材料。例如,較老的火腿無線電仍然使用水銀開關,當然不是最環保的材料,但在正常使用時非常有效地切換高功率和完全安全。

對于絕大多數設計,功率水平在微瓦到瓦特的范圍內,這意味著半導體技術在這里可以很容易地運行 - 而且確實如此。用于RF切換的兩種主要技術是PIN二極管和基于晶體管的RF開關。

PIN二極管開關利用高摻雜P和N型半導體結之間的“近內”(輕摻雜)半導體層(圖1)。高摻雜保留了低歐姆電阻,因為它們是開關的接觸點。圖1:PIN二極管由于高電平注入而起到開關的作用。這會使n和p區域泛濫,直到電荷載流子密度超過閾值水平,從而使其導通。

作為二極管,它通常處于關斷狀態且不導電。當P和N區充電時(電位差足夠高)并且發生高電平注入時,PIN二極管正向偏置。這是二極管被電子和空穴“淹沒”的情況,直到它充當近乎完美的線性電阻器。結果,正向偏置的PIN二極管起到可變電阻器的作用,這就是它如何用作開關。已顯示可實現的范圍從.1歐姆到10 K歐姆,但可用范圍更小,我們將很快看到。

PIN二極管類型的RF開關的一個好處是,如果您需要專業或非標準化的特性,您可以自己制作。超過6家供應商提供分立的PIN二極管,電壓高達250 V,電流高達1.5 A.Digi-Key參數索引擎是一種有用的工具,可以準確找到您的需求。

典型的例子是恩智浦BAP65-02,115,采用SOD-523或SC-79封裝的30 V,100 mA器件。恩智浦關于射頻小信號設備的多部分培訓教程可在Digi-Key網站上獲得。

通用集成PIN二極管開關器件也有很好的規格。例如,像Skywork的SKY12207-306LF SPDT RF開關這樣的通用部件不僅處理900 MHz至4 GHz,插入損耗為0.4 dB,還采用小型4 x 4 mm QFN封裝開關,可處理連續50瓦的峰值浪涌高達200瓦。

該器件非常適用于半雙工類型的設計,其中需要保護敏感接收級免受共用同一天線的高功率發射器的影響(圖2)。正電源允許偏置RX級進行接收模式,但在發射器接管時保持隔離。

RF開關技術的應用設計方案介紹

圖2:PIN二極管導通允許天線共享和高功率發射信號的切換,同時保護敏感的接收器電路。

恩智浦還生產一種基于PIN二極管的通用射頻開關,專為低至1 GHz的低損耗射頻開關而設計,但它們采用混合方式將其與FET結合使用。恩智浦BF1118W,115是一種基本的SPST架構(圖3),它使用二極管作為串聯源極跟隨器開關的偏置機制。這允許耗盡型MOSFET的柵極與地隔離,從而導致低損耗。柵極 - 源極和柵極 - 漏極二極管之間的集成也可以防止輸入電壓浪涌。

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圖3:混合開關結合了PIN二極管和MOSFET,將柵極與地隔離。這有助于降低噪音并降低損耗。

手持式無線設備

到目前為止,RF開關的最大設計活動集中在手持式低功耗無線設備上。這就是大批量生產的地方,這就是芯片制造商所關注的,提供最具競爭力和創新的解決方案。

由于空間是手持無線系統的一個問題,因此高度集成的RF開關比分立式解決方案更受歡迎。一些RF收發器芯片制造商開始采用基本的芯片切換,但一般來說,它們與集成RF開關的規格和功率水平不匹配,尤其是基于FET的RF開關類型。

許多無線標準共享相同的頻段,因此一些通用交換機可以很好地支持混合協議設計。例如,RF Micro Devices RF2436TR7是一款緊湊型SPDT開關,適用于0至2.5 GHz,其范圍包括用于蜂窩,DECT,Wi-Fi,藍牙和ZigBee的共享頻段,僅舉幾例。

基于砷化鎵(GaAs)MESFET開關,CMOS控制輸入將在1.5 V至6 V范圍內工作,同時選通+28 dBm功率。這些器件采用低功耗(10μA接收,1 mA發送),具有高串擾隔離(900 MHz時為24 dB)和簡單的架構,可以在狹小的空間內工作。

HMC349MS8GE是另一款來自Hittite Microwave的基于SPDT MESFET的射頻開關,在這種情況下,范圍為0 Hz至4 GHz。它具有更高的隔離度(1 GHz時為70 dB,2 GHz時為57 dB)。 “非反射”設計方法產生0.8 dB插入損耗,單個0/5 Volt控制線啟用或禁用開關(圖4)。

RF開關技術的應用設計方案介紹

圖4:在兩個RF端口之間切換公共線。未選擇時,交換機提供500歐姆終端。

UPG2164T5N-A是加州東部實驗室(CEL)的DPDT型交換機,瞄準Wi-Fi 802.11 a + b等雙頻標準/G。通過將性能集中在2.4 GHz至6 GHz范圍,CEL可以優化插入損耗(0.5 dB)和隔離(25 dB)。

Skyworks SP3T SKY13345-368LF在與Wi-Fi和藍牙結合時非常有用。非常小的(2 x 2 mm UFQFN)器件可處理100 MHz至3.5 GHz,目標是2.4 GHz藍牙和802.11 b/g標準。

多種多路復用類型的SPxT交換機配置是現成的項目,包括支持尚未廣泛用于公共用途的頻段。請注意RF Micro Devices SP4T 16 GHz RFSW2045SR,它基本上是一個4到1多路復用器,用于在各種高頻段之間切換,頻率范圍為0 Hz到16 GHz(圖5)。

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圖5:基于GaAs pHEMT技術,該Sp4T MMIC在16 GHz時的開關速度為21 nsec時具有38 dB隔離度。

單個設備可能需要連接到多個RF部分或天線,為此,有5個和6個極部件可用。甚至還有一些8極部件,例如Hittite 4 x 4 mm SP8T HMC321LP4E,它也使用0伏 - 5伏控制GaAs MESFET開關(圖6)。在0 Hz至8 GHz范圍內,這種高隔離度和低插入損耗,非反射部分可能更適合用于寬帶開關,而不是無線手持設備。提到你的設計是為了什么可能和現成的。

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圖6:一個8極射頻開關可能超過您將需要一個手持無線設備,但這些SP8T部件的目標是寬帶和電信交換機結構,這些結構受益于高密度。

結論

RF開關技術是大多數手持無線設備的重要組成部分,也用于高端通信和廣播設備。市場驅動的解決方案支持多種協議和共享頻帶標準。無論多個RF芯片需要共享單個天線,還是單個RF級需要支持多個天線,RF開關都可隨時滿足您的需求。

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