大功率高集成射频接收前端开关模块设计

南京邮电大学 陆 遥

南京国博电子有限公司 黄贞松 匡 珩 宋 艳

本文采用氮化铝陶瓷基板、PIN二极管芯片，优化传统射频开关结构电路图和版图设计，通过合理的热设计结合电磁仿真，研制出一种新型的宽带大功率高集成单刀双掷开关。在1.9～4GHz频带内发射通道插入损耗小于0.5dB，接收通道隔离度大于43dB，可通过CW功率120W。PIN和电容芯片均选择国产芯片，确保元器件自主可控。研制出的大功率高集成开关模块大幅减小了一般射频接收前端电路物理尺寸，应用MCM（多芯片模块）微组装技术设计，克服了传统开关无法在当前5G大功率条件下工作的缺陷，实现了插损小，隔离度高，承受功率更大，集成度更高等优势，适用于目前商用5G模式下的通信标准。

随着5G网络在商用领域应用的不断深入，射频接收前端对于射频开关在功率和集成度上有着更高的要求。在射频前端中，射频开关是一个不可或缺的功能模块，应用于以时分多址技术工作方式为首的各类通讯系统内射频前端模块中实现其对信号的接收和发送，其本身是一种控制或切换微波信号通断的电路。目前，高性能、高集成度的射频开关在各类商用的射频通信系统和微波测试系统中的应用变的越来越广泛。

传统大功率开关通常有三种结构：机械开关、铁氧体开关、PIN开关。机械开关、铁氧体开关虽然承受功率较高，但受到速度和寿命的影响，不能高速、频繁切换，不适用于移动通信系统的高速切换要求。PIN二极管通过直流电流控制二极管导通或截止，实现对大功率的射频信号的控制。PIN二极管开关速度快，开关次数不受限制，成本低廉。

1 总体设计

总体设计要求本次设计的目标是实现射频接收前端开关模块的研制，工作频率在1.9～4GHz内满足如下指标：

发射通道插损：≤0.5dB

接收通道隔离度：≥37dB

通过功率：120W

工作频带：1.9GHz～4GHz

工作电压：55V

ESD：Class 1B

2 电路结构

PIN二极管在P型半导体与N型半导体之间夹了一层I型半导体(即本征半导体)，加大了两个电极之间的距离，随着反向偏压的增加，P/N型半导体的耗尽层宽度也在增加，导致结电容进一步减小，这使得PIN的结电容比普通二极管的结电容小很多。当PIN二极管正偏时，P区和N区的多子会注入I区复合使I区阻抗变低，呈现低阻抗特性；反偏时，PIN等效为电阻串联电容，一般等效电阻呈高阻状态。

二极管开关的电路和结构形式有很多种，按照PIN二极管的连接方式，最主要的二极管开关电路分为串联开关结构、并联开关结构，如图1和图2所示。

图1 串联开关结构

图2 并联开关结构

图1中PIN二极管构成串联型开关，控制端输入正电平时，PIN正偏，等效为零点几欧姆的小电阻，开关导通；控制端输入负电平时，PIN反偏，等效为电阻和零点几皮法电容串联，高频下阻抗很大，此时整个开关截止。串联开关结构的优势在于不受波长的影响，所以适用的频段更宽。但同时，由于二极管串联在电路中在大功率下管芯散热较困难，容易产生损耗形成热能进而影响整个开关通路的工作状态，所以必须要对于串联开关结构进行热设计。

图2中PIN二极管构成并联型开关，控制端输入正电平时，PIN正偏，等效为阻值很小的电阻，中间点接地，输入信号被全反射，开关截止；控制端输入负电平时，PIN反偏，等效为电阻和零点几皮法电容串联，高频下阻抗很大，对信号支路影响很小，开关等效为导通。由于传输线通路没有开关元器件，因而损耗较小。在热设计方面，由于PIN管芯直接到地，易于散热，隔离度也比较好，所以适合于大功率的场合。但是，并联电路受波长影响大，频率改变会造成阻抗失配，直接影响了带宽特性，且整个电路尺寸受限，不利于提高集成度。

除此之外，还有利用PIN二极管搭建的串并联开关结构，如图3所示。该电路中PIN二极管采用串、并联混合方式。当控制端1输入正电平，控制端2输入负电平时，PIN管D1正偏，等效为小电阻，呈现导通状态；PIN管D2反偏，等效为电容，对地接近开路。当控制端1输入负电平，控制端2输入正电平时，PIN管D1反偏，等效为电容，呈现隔离状态；PIN管D2正偏，等效为小电阻，对地接近短路，进一步起到隔离作用。串并联电路比串联电路可以实现更高的隔离，比并联电路可以实现更宽的带宽。但是由于电路中有串联管芯，与单串联开关结构类似，必须进行热设计以满足大功率条件下的使用要求。

图3 串并联开关结构

对于一般的大功率射频开关，常用采用并联开关结构，但由于本文设计目标希望缩小版图尺寸提高集成度，且一般在设计过程中选用单刀双掷开关来完成收发通道的设计，所以在整体的结构选择上本文在收发通道采用串联结构和串并联结构相结合，并进一步通过非对称结构的优势和热设计完成设计目标改善传统射频开关的缺陷。

3 电路设计

在单刀双掷的开关电路设计中，由于整个射频接收前端模块在发送和接收两个工作模式下不同通路对于隔离度、插损、功率和响应时间的具体要求不同，所以在开关电路的设计中将电路设计为非对称结构。在发送状态模式下，发送通路需满足系统的高功率要求，此时接收通路要保证高隔离度；在接收状态模式下，接收通路是小功率信号传输，需要严格控制通路的插损，降低噪声系数。因此，本文设计了如图4所示的射频接收前端开关电路原理图。

如图4所示，在整个开关电路中，分为RFin-TX和RFin-RX两个通道，分别代表天线-发射通道和天线-接收通道。电路中共有四处电压，其中VCC为常加电状态，接+5V电压，VC1、VC2电压在不同模式下电位会发生改变。

图4 射频接收前端开关电路原理图

在发送状态模式下，将电位设置为VC2>VCC>VC1，VC2接55V正电压，VC1接地，此时PIN1和PIN2处于正偏状态，RFin-TX通道导通，PIN3处于反偏状态，RFin-RX通道关闭，满足发送模式的工作状态需求，同时，由于PIN4处于正偏状态，将接收通道并联经过电容C5接地。此时若有信号泄露进入接收通道可以确保信号直接接地而不会影响接收端，进一步保证了发送模式下接收通道的高隔离度。

在接收状态模式下，将电位设置为VC1>VCC>VC2，VC1接55V正电压，VC2接地，此时PIN1和PIN2处于反偏状态，RFin-TX通道关闭，PIN3处于正偏状态，RFin-RX通道导通，满足接收模式的工作状态需求。此时，PIN4也处于反偏状态，并联支路截止，减小对系统噪声的影响。

在PIN1和PIN2正偏状态下，PIN二极管两端存在较大的导通压降，而此时PIN二极管呈现低阻抗特性，等效为小阻抗值电阻，这会导致二极管上偏置电流过大进而烧毁元件。所以在偏置电源的电路上添加电阻R1和R2，以确保导通状态下的PIN二极管上偏置电流不会超过最大值，起到保护二极管的作用。同理，电阻R3和R4也保护在发射模式下处于正偏状态的PIN4不会发生热烧毁。

PIN二极管在大功率射频信号下的管芯温度计算公式如下：

其中Tj是管芯温度，Rth是管芯热阻，Ta是环境温度，Pdiss是管芯耗散功率，Rs是管芯结电阻，Z0是特征阻抗，PAV是输入射频信号平均功率。

为了提高发射通道的最大功率，对比SKY公司的SKY12207-478LF芯片最大功率50W和南京国博电子有限公司的上一代自研开关芯片最大功率100W，本文所设计的开关芯片电路提高到适用于5G射频接收前端的120W。在发射通道的设计中，不改变发射通道的串联结构，将单一PIN二极管改为两个二极管PIN1和PIN2并联；在接收通道的并连接地支路上增加接地电容，进一步提升接收通道隔离度。如图5所示，使用PIN二极管的传统低功率开关电路设计方法不能满足大功率的低损耗高隔离度的设计需求。

图5 传统低功率开关电路原理图

考虑到耗散功率、温升因素，如图5所示，由于PIN二极管PIN1、PIN2和PIN3是分别串联在发送和接收通道上的，在大功率条件下损耗会转化为热能释放，所以这几个PIN二极管在版图设计时都不能够直接和基板连接，要需要进行热设计。在大功率射频信号下工作时，管芯温度Tj>环境温度Ta，扩散热流通过管壳或基板向外释放，若散热速度过慢，Tj累积上升到一定程度时，则会对PIN二极管造成损害。

PIN二极管的温升因素主要取决于二极管热阻和整体散热速度，二极管的热阻又可以分为外热阻和内热阻。外热阻方面主要和二极管的管壳封装有关；内热阻则取决于二极管管芯、外壳材料的导热率、截面积、工艺和厚度。

在发射通道采用串联结构时，PIN管的热损耗较大，如图5所示，发射通道使用传统单一PIN二极管串联结构，必须尽量选择内阻小的PIN管，降低产生的热损耗。但按照本文的电路设计，由于需要满足发射通道的大功率需求，如图4所示，发射通道采用PIN并联双二极管取代原来的单一PIN二极管，所以必须选取各方面参数更适合的PIN二极管进行连接，本文在设计时选用了WPX0074H作为发射通道PIN管。根据表1可知，该管在单位面积下具有更小的内阻，产生的热损耗更低，同时，因为PIN管的面积更大且为两个PIN管并联，整体尺寸900um×450um×150um，对比使用单一更大功率的PIN管，本文的结构增大了PIN二极管区域的散热面积，同时分散了发热点。本文选取的PIN二极管正面为金属层Au，背面为Au系多层金属，可采用导电胶等粘接，进一步降低热损耗。

表1 各PIN二极管的基本参数(IF=100mA Ta=25℃)

由表1可以见，本文设计的开关电路中选用的PIN二极管WPX0042H、WPX0059H以及WPX0074H并联双二极管的管芯结电阻和管芯热阻均低于同类芯片。在采用多芯片组装工艺（MCN）时，可以对二极管芯片直接加工，避免了管壳封装产生额外的外热阻，同时选用高导热、高导电性的导电胶进行粘连，增大二极管的热传导能力，也减小了芯片和AlN基板之间的热阻，增加了整个工艺的可操作性。

对比同类产品，为减小开关模块的整体面积，本文在版图设计中，将接收通道中的串联二极管PIN3与PIN1、PIN2放在了同一块AlN基板上，同时将隔直接地电容C5放大，把C5和PIN4改为叠层的形式设计，将PIN4直接粘连在电容上，这样设计既可以降低原本连接在PIN二极管和隔直接地电容之间的间合金丝在大功率射频状态下产生的损耗，进一步减小插损增大隔离度，也可以帮助缩小版图面积，提高模块集成度。开关模块的整体版图尺寸从原来上一代的3.3mm×2.3mm缩小到了本文现在设计的2.7mm×1.6mm，节省了43%的版图面积。如图6和图7所示。

图6 上一代100W开关模块产品版图

图7 120W开关模块改进版图

4 测试结果

在电流80mA，电压VCC=5V，VC1接地，VC2=60V的测试条件下，发送模式1.9～4GHz时发射通道的插入损耗和接收通道的隔离度如图8所示，其中包含测试电路板损耗扣除。

图8 发送模式发射通道插损和接收通道隔离度

在电流80mA，电压VCC=5V，VC2接地，VC1=60V，的测试条件下，接收模式1.9～4GHz时接收通道的插损和发射通道的隔离度如图9所示。

图9 接收模式接收通道插损和发射通道隔离度

两种模式下的测试条件下输入输出端口的电压驻波比如图10所示。

图10 输入输出电压驻波比

开关响应时间实测方面，在测试接收通道，功率模式测试下，本文设开关电路在上升沿和下降沿的响应时间分别达到231ns和581ns，均小于1us，如图11所示。

图11 开关响应测试

可以看到，实测情况在1.9～4Ghz频段内，在包含测试电路板损耗扣除的情况下，发送模式开关电路发射通道在测试板上的损耗小于0.5dB，驻波小于1.2，接收通道隔离度为43～45dB。接收模式下接收通道损耗小于1dB，驻波小于1.1，发射通道隔离度大于10dB。整体开关响应时间小于1us，对比同类产品，实现了在更大功率120W的工作频率下，在1.9～4GHz大功率下发射模式下获得更小的插损以及更高的隔离度，比上一代产品的插损降低0.2dB，隔离度提升3～5dB；小功率接收模式下插损降低0.1dB，提升了接收通道的接收灵敏度，完全满足工程应用需求。

结论：本文介绍了一种大功率高集成射频前端开关模块，模块在高导热氮化铝陶瓷基板上粘连PIN二极管构成大功率开关，并给出了改进的单刀双掷非对称结构式开关，克服了传统开关无法在当前5G频段大功率条件下工作的缺陷，实现了插损小，隔离度高，承受功率更大，尺寸更小，集成度更高等优势，适用于目前商用5G模式下的通信标准。