在高功率射頻前端（RFFE）設計領域，長期以來，我們一直選擇PIN二極管技術作為射頻開關的主要方案。這種技術在一定程度上是足夠的，因為頻段數量有限，電路板空間也不是一個制約因素。然而，隨著現代高功率基站和專網通信射頻鏈路需要涵蓋多個頻段來滿足語音和數據通信需求的增多，并且還需要優化尺寸、重量和功耗（SWaP），傳統的PIN二極管技術可能已經不再適用。

由于mMIMO架構的推動，5G基站遠端射頻頭（RRH）的結構變得非常復雜，許多RFFE必須在有限的電路板空間內實現。而RRH通常被安裝在高高的柱子上，這增加了總尺寸和重量的限制，以方便基站設備的安裝和維護。除此之外，RFFE的效率和總功耗對于管理總熱耗散也至關重要。因此，在降低前端濾波器和射頻開關的損耗方面有所幫助，可以減少總功耗，放寬散熱需求，并同時縮小RFFE的尺寸和重量。

類似于5G基站，大功率相控陣雷達也需要在有限的電路板空間內集成許多RFFE。然而，由于復雜的偏置方案和眾多的無源元件的要求，使用傳統的PIN二極管開關來實現多頻段和覆蓋廣泛頻率范圍內的多個RFFE已經變得非常具有挑戰性。

因此，我們需要新的射頻開關技術來解決這些問題。這些新技術可以提供更高的性能和效率，幫助實現多頻段覆蓋和集成在有限空間內的RFFE。通過采用這些新的射頻開關技術，我們可以優化高功率射頻前端設計，提高系統的可靠性和靈活性，并滿足不斷增長的通信需求。

專網通信 RFFE 的要求

圖 1圖表展示了專網通信射頻鏈路中典型雙功率放大器（PA）RFFE的應用。這種雙功率放大器通常使用基于GaN技術的功率放大器，可覆蓋30MHz至2.6GHz的頻段。在許多專有的專網軟件定義射頻中，連續頻率覆蓋是不可或缺的，因此需要在30MHz至2.6GHz范圍內實現達到6.5倍帶寬范圍。然而，為了實現對低頻端二次諧波的最小抑制要求，需要一個保護帶來濾除諧波信號。例如，如圖 2 所示，第一個頻段不能選擇30至60MHz或其倍頻程，因為這將包括30MHz的二次諧波。所以第一個頻段必須選擇在30至50MHz之間，并且需要有10MHz的保護帶，才能達到預期的濾波抑制效果，以滿足諧波抑制要求。

圖 1，專網通信射頻鏈路的雙功放前端

由于保護帶至少為 10MHz，頻率范圍必須分成 8 個不連續的頻段，才能實現從 30MHz 到 2.6MHz 的連續覆蓋。在此過程中，射頻開關的主要功能是將射頻信號路由到適當的諧波濾波器，并合并信號，在通過諧波濾波器后再次進行信號路由到天線。因此，射頻開關的性能對整體射頻鏈路的性能非常關鍵。

開關插入損耗是減少總功耗的最重要因素之一。更低的開關插入損耗也減少了功率放大器所需的總功率。此外，降低功率放大器輸出功率也減少了直流能耗。減少功率消耗不僅有助于降低整體熱耗散，還有助于減小散熱器的尺寸，從而減小射頻組件的總尺寸和重量。這在許多專網通信應用中非常重要。

圖 2，專網射頻鏈路的諧波濾波器要求

開關的諧波性能是一個非常重要的因素，特別是在諧波濾波器之后使用的開關。對于陸地移動/專用移動射頻鏈路（LMR/PMR），其需要滿足75至80dBc的諧波要求。為了提高效率，放大器通常以10至20dBc的諧波水平運行。因此，諧波濾波器需要提供至少60至70dB的抑制，以滿足監管要求。

對于專網用射頻鏈路來說，由于其在諧波濾波器之后使用的開關沒有諧波濾波器的抑制效果，所以必須要求其諧波性能優于總體要求，以滿足總發射的需求。根據功率放大器（PA）和濾波器（Filter）的諧波性能，開關的諧波性能必須在80dBc以上，以滿足監管要求。

此外，在圖1中還展示了與開關隔離度相關的另一個重要問題。低頻段開關的隔離度通常很高，不會產生問題，但對于高頻段可能會有影響。例如，圖1中綠色箭頭所示的1GHz信號路徑的二次諧波可以通過紅色箭頭所示的2GHz信號路徑傳遞。由于2GHz信號路徑上的諧波濾波器無法提供抑制，所以組合輸入和輸出開關的隔離度必須高于諧波濾波器的抑制能力，以滿足整體的諧波要求。

圖 3，RRH 前端

基站和雷達 RFFE 的要求

圖3展示了一個典型的射頻前端（RFFE），用于5G基站和高功率相控陣雷達。現代5G基站采用mMIMO技術進行電子波束導向，因此需要大量的RFFE組件。同樣，高功率相控陣雷達也運用類似的架構。

在這兩種應用中，射頻開關的作用是提供故障保護功能，以防止天線的不良駐波比對接收器造成損壞。當天線存在VSWR問題時，例如由于損壞或鳥類阻擋導致的部分天線孔徑影響，發射功率會反射回射頻鏈路。如果沒有故障保護開關，高反射功率可能會損壞敏感的接收器。

為了解決這個問題，我們在接收（Rx）鏈路中增加了故障保護開關。故障保護開關在Rx時隙將信號切換到Rx端口，在Tx時隙將信號切換到Tx端口。在Tx時隙，如果出現高駐波比情況，開關將反射功率從天線經過環行器傳輸到連接在Tx端口的50Ω負載，以保護接收器免受高功率影響。

關鍵的射頻開關要求是在Rx時隙具有低插入損耗并且在Tx時隙能夠處理高功率。在Rx時隙，開關位于Rx路徑上，因此其損耗直接影響整體噪聲水平，并進一步影響接收器的靈敏度。而在Tx時隙，開關必須能夠處理最大發射功率下的不良駐波比情況，并且需要提供高隔離度給Rx端口。

系統的設計目標是檢測不良駐波比，但開關必須在系統作出反應之前的10秒內能夠處理高功率而不受損壞。典型的隔離度范圍為25到35dB，具體取決于發射器的峰值功率和低噪聲放大器的功率處理能力。對于基站應用，開關的切換時間要求小于1秒，而對于雷達來說，要求更加嚴格，因為它直接影響雷達的探測范圍。

GaN 射頻開關技術

被廣泛應用于高功率放大器中，其優勢主要體現在寬帶隙 GaN 器件具有高擊穿電壓和高載流子密度，從而實現高功率密度。然而，人們對于 GaN 在大功率開關技術方面的優勢并不太了解。實際上，GaN 改善功率放大器性能的特性同樣適用于實現出色的大功率射頻開關。

圖 4：GaN 射頻開關內部框圖

在高功率射頻開關中，對射頻器件有兩個主要的要求：ON臂必須具備處理極高射頻電流的能力，而OFF臂則需要能夠應對非常大的射頻電壓。從表1可以看出，射頻開關所需的峰值射頻電壓和電流與射頻功率呈現正相關的關系。舉例來說，如果在一個50Ω的系統中產生10W的射頻功率，則需要處理32V的峰值電壓和600mA的峰值電流。當駐波比為4:1時，在典型射頻前端部分，開關必須能夠處理超過50V和1A的峰值電壓和電流。如果產生的射頻功率為100W，則開關需要處理160V的峰值電壓和3.2A的峰值電流。因此，射頻開關的設計必須能夠承受高電壓和高電流的要求。此外，還需要考慮安全性和可靠性等因素。

另一個關鍵參數是 FoM（figure of merit）=（Ron*Coff/VBV）。其中，Ron 代表開關的導通電阻，Coff 代表關斷電容，VBV 代表擊穿電壓。FoM 的值越小，技術越優越。泰高技術的第二代 GaN 技術的 FoM 為 3 fs/V。隨著技術的成熟和改進，下一代的 FoM 有望進一步提高，從而進一步改善開關性能。

GaN 與 PIN 二極管射頻開關的比較

泰高技術的GaN射頻開關采用耗盡型模式GaN HEMT技術，相較于PIN二極管射頻開關具有許多優勢。首先，GaN HEMT具有高擊穿電壓，每毫米的飽和電流可接近1A，因此在50Ω系統中，僅需2至3毫米的器件即可滿足100W功率的峰值電流要求。與絕緣體上硅（SOI）開關類似，GaN射頻開關使用柵極電壓來控制開關功能。然而，GaN器件的擊穿電壓遠高于SOI，SOI的擊穿電壓一般約為3V。這意味著在高功率開關中，無需堆疊多個器件，仍能滿足要求，從而降低了Ron和Coff。值得注意的是，由于這些器件處于耗盡模式，關閉時需要負電壓，而打開則需要零電壓。泰高技術的開關控制器芯片與GaN芯片封裝在一起，通過控制器產生的柵極電壓信號來控制所有GaN器件。控制器內部產生負電壓，只需要最低2.7V（最高5.5V）的電源和1.2V（最高5.25V）的邏輯信號即可控制射頻開關狀態。此外，唯一需要的外部元件是連接在電荷泵引腳上的旁路電容。這些特點使得泰高技術的GaN射頻開關成為一種非常方便且高效的選擇。

圖 5：PIN 二極管（a）和 GaN（b）SP4T 射頻開關

相比之下，PIN二極管射頻開關的設計更加復雜，需要進行多次迭代來實現和優化。這是因為其性能在很大程度上取決于與外部元件和電路板布局相關的寄生效應。由于許多無源偏置器件連接到射頻信號路徑上，PIN二極管控制需要較高的電流和電壓。

具體而言，PIN二極管的導通電阻由偏置電流決定，在關斷狀態時，需要通過施加高反向偏置電壓來處理功率。在處理100瓦的開關時，偏置電流范圍約為200至400毫安，同時需要高達140伏的反向偏置電壓。圖5a展示了基于PIN二極管的典型SP4T 100瓦開關實現，其最低工作頻率為50兆赫。

在RF1路徑接通時，偏置電流為400毫安，用紅色字和箭頭表示。關斷路徑中，二極管并聯的偏壓為25毫安，串聯的反向偏置電壓為140伏。ON狀態的偏壓功率需求為2瓦（5伏 × 400毫安），每個路徑的關斷偏壓功率需求為3.5瓦（140伏 × 25毫安）。對于4T開關的偏置，總直流偏置功率需求為12.5瓦。大部分功率耗散在偏置電阻上，因此它們必須具備高功率耗散能力。為了實現從低電源軌對二極管進行反向偏置，還需要額外的升壓電路來產生高電壓。

與PIN二極管相比，基于GaN的開關只需3伏和200微安的電流，其總功耗僅為0.6毫瓦，并且只需要兩個元件。如圖5所示，PIN二極管需要32個無源元件，這還不包括升壓轉換器電路。由于基于GaN的解決方案適用于50歐姆的射頻端口，并且沒有連接任何無源元件，因此可以輕松實現并移植到任何電路板上，從而減少與二極管開關相關的復雜性。此外，基于GaN的解決方案所需的電路板空間僅為PIN二極管的1/10，約為3×3至5×5毫米。此外，其直流功耗幾乎為零，從而減少了對散熱器的需求，進一步減小了整體尺寸和重量。

與此相比，專網通信RFFE（參見圖1）需要176個元件，這還不包括高壓升壓電路所需的元件。而基于GaN的解決方案只需要7個開關和7個電容。可以看出，基于GaN的解決方案在元件數量和電路板空間上都有明顯優勢。

GaN 射頻開關的性能

下面是對GaN射頻開關性能的說明：我們以TGSP2520DE 2T開關為例，來展示集成了控制器的GaN射頻開關的性能和能力。

圖6顯示了該開關的性能，其中（a）和（b）展示了小信號性能。該開關具有極低的插入損耗（IL），在1GHz時僅為0.2dB，在4GHz時低于0.5dB。圖6（c）顯示，該開關的P CW_ 0.1dB為50 dBm（100 W）。根據圖6（d），在90W功率下，它的諧波性能優于80dBc。該開關采用5×5毫米的QFN封裝，只需要一個外部電容，非常適合用于高功率人形封裝和樹干安裝的應用場景。

圖 6：TGSP2520DE 2T,50W 開關性能：插入損耗（a），隔離（b），壓縮（c）和諧波（d）

圖7展示了TGSP2340AD 4T開關的性能，它的P CW_0.1dB達到30W，非常適合于濾波器組扇出，如圖1所示。這款開關可用于便攜式10W LMRR/PMR或專網通信射頻鏈路。在2.5 GHz的頻率下，該開關具有0.3 dBIL的指標，在10W功率下，諧波性能優于85 dBc。此外，該開關還具有其他出色的特性，如（插入損耗、隔離度、帶外抑制等），可以滿足各種高性能射頻應用的需求。

圖 7：TGSP2340AD 開關性能：插入損耗（a）、隔離（b）、壓縮（c）和諧波（d）。

TGSF2220AC開關（如圖8所示）是專為大規模MIMO（mMIMO）基站應用中的故障保護功能而設計的，以保障其正常運行。這款開關已經過最新發布的5G C波段的測試，具備0.5 dB的接收插入損耗和35 dB的隔離度。它的峰值功率輸出在0.1 dB時可達到100瓦，開關時間僅為0.5微秒。

同時，TGSP2220AC和TGSF2220AC開關都采用了小型化的3×3毫米QFN封裝，相比于PIN二極管解決方案，只需要一個外部電容，使得電路板空間得以充分節省。這對于高功率開關來說尤其重要，因為它們必須承受極端惡劣的駐波比條件，尤其是在靠近天線的位置。利用GaN射頻開關，可以獲得出色的熱性能和駐波比性能，進一步提高整體系統的穩定性和可靠性。

圖 8：TGSF2220AC 開關性能：插入損耗（a），隔離（b）和壓縮（c）。

圖 9 展示了一個 TGSP2520DE 開關在 50W 輸入功率、50Ω（圖9a）和8:1駐波比（圖9b）的情況下的熱性能。熱圖像是在部件暴露在這種條件下1分鐘后拍攝的。駐波比顯示的是最差的條件，就功率耗散而言，它發生在低阻抗狀態。相反，在峰值電壓最差的條件下，由于GaN器件特有的高擊穿電壓，溫度要低得多，可以輕松承受。

圖 9：TGSP2520DE 開關與 50Ω匹配時的溫度曲線（a）、8:1的駐波比（b）。

總結：通過使用泰高技術的氮化鎵射頻前端芯片，證明了使用GaN開關的高功率前端的可行性。在專網通信和基站射頻鏈路中，GaN射頻開關成功解決與電路板空間和SWaP相關的重要問題。相比于傳統的PIN二極管開關，GaN開關簡化了相關的復雜性，并且實現了設計的可移植性，這特別對于大規模的mMIMO和相控陣來說至關重要。隨著技術的不斷進步和FOM改善，新一代的GaN開關將為許多應用帶來更多機遇，包括大功率可調諧匹配電路、可調諧天線和可調諧濾波器。

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