射频开关优化智能手机信号

       不管是通过蜂窝还是移动连接网络和外部设备，为了确保高数据速率的无线通信，典型的智能手机(图1)都集成有许多天线组件和多个无线数据流。放大、过滤和切换所要求的射频信号需要用到多种射频元件(图中用蓝色突出显示了射频开关部分)。

　　现代智能手机是一种复杂的设备，在手持式封装中充分融合了计算和通信技术。这些设备必须通过直观的操作界面提供各种与消费者和业务有关的功能。电磁(EM)场产生计算机电路与必定会接收到其它EM信号的无线电路非常靠近，这只是智能手持设备面临的设计挑战之一。智能手机的复杂性还延伸到了这些多射频发射器的RF模拟/混合信号领域。

　　图1：该模块图显示了典型的智能手机架构，除了多频段蜂窝电话外，还包含嵌入式蓝牙、GPS和调频收音机功能

　　观察这种新型手机内部的无线模块，可以发现多种无线电信号在很小物理体积内工作和共存所固有的复杂性。这种复杂的信号路由和射频开关要求对智能手机设计提出了极大的挑战。智能手机中的射频开关配置种类十分广泛，从相对简单的单刀双掷(SPDT)配置直到更为复杂的单刀十掷(SP10T)配置，有时掷的数量甚至更高。开发所有这些开关的源动力是丰富的无线电通信技术以及智能手机中的多种频率和多副天线。

　　在蜂窝通信系统中用到了多种射频开关元件(图2)。这些开关元件包括主天线发送/接收(T/R)开关，用于将主设备天线用于时分双工(TDD)收发器中的蜂窝发送和接收功能，例如用于提供全频段GSM服务的收发器。另外，频段模式开关主要用于将宽带CDMA信号从功放的输出引导至频率选择频段双工器。分集开关用于连接第二副或分集蜂窝天线。分集天线在数据卡应用中非常普遍，在智能手机应用中也越来越流行，特别是针对以数据为中心的系统(如LTE)。

　　图2：蜂窝手机中要求使用大量射频开关，分别用于天线切换、频段切换和分集切换

　　主天线开关的主要功能是将空中射频无线电通信信号连接到通信调制解调器中的主要发送与接收功能模块。目前这种天线开关的实现有多种多样，从单刀七掷(SP7T)直到单刀十掷(SP10T)都有，具体取决于智能手机支持的射频频段数量。

　　主天线开关的任务是保持信号线性度，并提供发送与接收链之间的隔离，同时尽可能实现最小的插损。从以前仅传送语音的通信向无线数据通信的过渡促进了向更高阶调制方案的发展，比如正交频分复用(OFDM)调制以及紧密相关的正交频分多址(OFDMA)调制。这些复杂的调制方案产生的波形幅度变化范围非常大，因此信号具有很高的峰均比(PAPR)，进而对处理它们的元件提出了更大动态范围的要求，同时要求射频开关具有杰出的线性度，以便最大限度地降低射频信号路径中的失真。

　　为了在信号功率电平越来越高时仍能保持好的线性度，大多数天线开关采用越来越复杂的设计拓扑来满足这些更加严格的线性要求。例如，在天线开关模块中经常集成有电荷泵，用于提升电池电压以控制构成开关的场效应晶体管(FET)。这种方案通常是一种合理的折衷，因为它减少了对更大FET的需求，改善了开关插损和隔离性能，增强了开关压缩点的鲁棒性。开关压缩点定义为增益被压缩0.1dB或1dB的输出功率点(P0.1dB或P1dB)。

       根据系统分割方法，开关可能包含GSM发送谐波频率滤波功能。这种配置通常被称为天线开关模块(ASM)。一些改进的开关可能还包含声表面波(SAW)滤波器，组成微型模块封装中完整的开关/接收滤波器。不管是ASM或没有GSM滤波器的开关，还是完整的发送/接收开关和SAW模块，主通道开关总是包含紧凑模块中的主开关和控制逻辑功能。

　　用于智能手机应用的高掷数开关通常采用GaAs伪晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)工艺制造，不过这些产品也可能使用标准硅CMOS和绝缘硅(SOI)技术开发。每种方法都有优缺点，而选择通常取决于最终用户的要求。