5G通信基站大功率射频开关设计

朱 艳

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

大功率射频开关体积小且成本低，被广泛应用于射频毫米波通信系统，以控制信号的导通和断开。随着5G技术在全球范围内受到关注，将5G技术推广到射频通信领域是目前的研究热点[1]。毫米波通信和波束成形等都是5G通信中的关键技术，而天线是这些技术应用中的关键器件，射频开关则是天线的重要电子元器件之一，可以快速控制信号通断。有开关存在的天线能使得可重构的多波段相控阵实现几微秒的动态重构，可以用于对工作频率差别要求较大的情况。传统的PIN开关无法满足工作过程中驱动电压的控制要求，因此本文设计一种5G通信基站大功率射频开关来弥补传统开关性能不足的问题。

1 基站大功率射频开关设计

1.1 开关整体电路结构

本文的目标是设计一种应用在5G通信基站中的大功率射频开关，能够很好的平衡各项性能指标，为了保证开关的质量，需要在0.13 μm部分耗尽绝缘衬底上硅工艺下实现，并期望SPDT射频开关单元在0.9 GHz时，插入损耗小于0.5 dB，在1.9 GHz的情况下，测试度的隔离结果能够大于20 dB[2]。根据上述要求，设计的开关整体结构如图1所示。

图1虚线框中是模拟模块，其作用为产生射频开关工作过程中需要的正压或负压，通过带隙提供电压，通过电平转换LS实现-2～+2.5 V电压的转换。图中的LDO属于模块外围电路的辅助，16selectl逻辑选择单元用于实现16选1的功能，并设计电荷泵、低压差线性稳压器、外围辅助电路带隙基准源、振荡器以及上电复位在开关整体电路中的位置与结构。

1.2 电极结构设计

射频开关的电极分为上电极和下电极。上电极的形状和大小直接影响开关的驱动电压与插入损耗等性能.本文设计的上电极形状为一端固定，而另一端是自由悬空的不规则球拍型，通过驱动悬臂梁做垂直运动控制金属与触点之间的信号通断[3]。这种结构与单端的悬臂梁结构相比，其弹性系数更小，且两端可以分担驱动电压，使单端电压降低且接触电阻减小，因此产生的插入损耗也随之降低。本文设计的上电极中存在整齐分布的方形释放孔，可以减少上电极极板在运动过程中受到的空气阻力，使空气从极板的两侧以及方形释放孔流出，减少开关的时间和阻力，有利于上电极悬空结构的牺牲层充分释放[4]。梁的弹性系数主要由梁的刚度和平均残余应力决定，其中梁材料的杨氏模量和转动惯量会影响梁的刚度，而残余应力则会影响两端固定支梁的弹性系数，因此在开关设计过程中将驱动电极的位置设置在悬臂梁的正下方。开关下电极是信号传输的重要部分，主要包括触点在内的共面波导信号线。其表面有两个触点，位于上电极的下方。传统下电极板触点所在位置会存在直角，使微波信号发生突变，增加开关插入损耗。本文将这种极板直角进行优化，得到渐变型结构，在提升微波性能的同时，降低开关插入损耗。

电极触点材料通常会选择金、银、铜、铂或铝等材质，但是一些容易被氧化的金属会使触点失效，影响射频开关的可靠性。此外，在大功率射频开关的微加工工艺中会使用到氧等离子体去胶机完成去胶和牺牲层释放等工艺，这些工艺会使金属受到严重的氧化，因此在选择触点材料时可以利用双金属接触或合金与金属接触的方式来解决这类问题[5]。本文选择的电极接触材料是Au-Au，电阻率为2.44 μΩ·cm，接触电阻较小，可以达到1.17 Ω，且制作工艺简单，在加工过程中不容易被氧化，至此完成大功率射频开关的设计研究。

2 对比实验

为了验证本文设计的5G通信基站大功率射频开关具有良好的电学性能，设计实验进行验证，开关性能测试结构如图2所示。

图2直流驱动板的主要作用是提供驱动电压，以此来控制开关的导通，开关测试板与相关测试设备连接用来测试开关的性能。由于设计的大功率射频开关在工作过程中需要较大的驱动电压，但是标准器件的工作电压一般都保持在5 V以下，因此为了解决这个问题，需要额外的升压电路。本文开关性能测试采用以LT3482为主控芯片的直流升压电路，通过滑动变阻器实现5 V以上电压的控制，满足实验要求。实验过程中，先进行仪器预置，电压源以0.1 V步进升压直至电压表鸣叫，记录此时电压值为开启电压；随后电压源以0.1 V步进降压直至电压表停止鸣叫，记录当前电压值为保持电压，这样测试10次后停止，统计实验结果并进行分析。

3 实验结果与分析

在上述实验条件下，得到本文设计开关与传统开关的驱动电压测试结果如图3所示。

图3 驱动电压测试结果

由图3可知，在相同实验条件下本文设计的开关在驱动电压方面与期望曲线的拟合度更高，说明其具有更高的可靠性。

4 结 论

大功率射频开关作为5G通信基站无线连接功能中的一个模块，需要与其他部分共同组成一个完整的信号收发系统，才能实现在通信基站中对信号的无线收发。本文在设计过程中先确定了整体的电路结构，并对主要的电极组成部分进行了优化设计。对设计的大功率射频开关进行了电学性能测试，实验结果表明，在相同的实验条件和环境下，本文设计的开关对驱动电压的控制效果更好，与期望曲线更加接近，在工作过程中的可靠性更高。