射频开关及其在通信系统中的应用

刘龙飞

摘要：本篇文章主要对射频开关的分类进行讨论以及射频开关在通信系统把所有用途做出解释。总结了射频开关的几个重要性能指标，例如宽带、隔离度、耗能、耐用性、功率容量等。主要讨论机械开关，固态开关和MEMS开关的工作机理。以及技术指标和优缺点。最后通过表格比较各种类型的开关。简单的叙述其在未来无线通信系统中发挥的作用。最终只出射频开关的动态以及发展方向。

一 引言

一般情况下半双工收发电路采用开关切换的技术用来让通信系统中的收发通道只需要一个天线，这样一来就可以大大的减少通信系统的体积和多余成分，既提高了效率又节省了材料的使用。在这个过程中射频开关所起到的作用就是控制射频信号的传输以及把控产生信号的大小，由此可射频开关在无线通信的应用中，有着非常重要的作用以及广泛的用途。伴随着经济的不断发展，人们的生活质量不断的提高，人们对无线通信技术的要求不断地在增加，所以对射频开关的功率、耐用性、功率容量等性能有的比之以往更高的要求。这样就促使我们对射频开关的研究应该不断的加深，所以我们非常有必要去对各种类型的射频开关进行一个系统的分析。

在设计一个开关的时候就得先考虑它的性能以及实用性例如以下几个因素就是在设计开关的时候应该考虑到的因素

二 影响因素

带宽：宽带不仅仅只影响射频开关的最高工作效率，也会对射频开关的最低工作效率产生不小的新影响。就比如，要控制直流或者低频率信号接通和断开的时候就不能使用PIN管

插入消耗：最理想的开关是在接通状态下信号不会有任何的衰减，也就是说信号的衰减数值为零。但是，在现实中PIN管的阻抗不可能达到零，所以对PIN管的一般要求为尽可能接近零。而我们把在接通状态下的信号衰减数值叫做插入消耗。

隔离度：与耗能相反的事在理想的状态下，当开关断开的时候，信号衰减应该是无穷大的。然而实际的情况是PIN管在断开的状态下信号的衰减不能达到理想状态的无穷大数值，只能尽可能的将这个数字变大。我们吧信号断开的时侯的衰减称之为隔离度。

VSWR（电压驻波比）：传送电磁波和反射波相互干渉就会形成驻波，系统中连接点的阻抗不匹配就有可能形成驻波或者有时候不同部分的阻抗不匹配也会造成这种干涉形成驻波。无论哪一种元器件在高频信号通道中就会产生驻波，也会产生也会有插入消耗。

功率容量：射频开关在开启和关闭的状态下所允许的微波信号比较小的那一个决定着，射频开关所能承受的最大微波功率，也就是开关的功率容量。在移动通信的基站中决定功率容量的一个主要因素就是大功率下的IIP3（非线性效应）。

耗能和耐用性以及开关规格：众所周知，电能不是无穷无尽的，例如在移动通信中电源就相对比较少。这时候对开关的要求就是低功耗。MEMS开关的使用用寿命相对于其他来说比较短，所以在设计开关的时候应该考虑它的耐用性，就比如使用次数。此外，在实际生活中安装开关的时候都会对开关的尺寸有所要求，这时候应该考虑到开关的规格大小。另外，这些产品都服务于人类所以应该考虑道性价比。

速度：在射频开关的断开和接通状态切换时的反应时间叫做开关速度，开关速度在快速器件中是相当重要的一个指标。想要做到大幅度提高开关速度一般都会使用I层很薄的PIN管，因为在很薄的PIN管中载流子的数量非常的少，载流子渡过I层的时间就会大大减少（载流子的寿命不做讨论），相应的就会大大的提高开关速度。甚至能够达到ns量级。

三 开关的分类和比较

射频开关的分类方法不止一种，一般上都会根据采用的器件分类、按照开关元件安装方式分类、按照电路形式分类和按照开关的功能分类。按照开关采用的器件分类可分为机械式开关、铁氧体开关、PIN管开关、FET开关和MEMS开关;按照元件安装的形式可以将其分为并联开关、串联开关和混合型开关;按电路的形式分为微带开关、波导开关和同轴线开关;按功能分为通断开关和选择开关。以下主要讨论按照采用器件分类。

机械开关和铁氧体开关：他们两个的优点是功率容量相对于其他种类的开关较大。但是相对的他们两个的体积也比较大，在于MMIC电路组合的时会有组合苦难、组合速度慢等缺点，主要应用在一些对体积速度要求相对低的地方。例如大功率多波束天线系统。以下不做详细介绍。

固态开关：固态开关包括PIN二极管和FET管，PIN管是二端口的器件，FET是三端口的器件，在FET中不需要去隔离电容和设置T型分支射频信号以及隔离偏置。在设置PIN管的开关偏置网络的时候，往往会需要1/4波长的短截线，但是这样就会对款待产生一定的限制作用。需要开关达到更好的性能，就得需要采用特殊结构的器件。例如当采用垂直结构的PIN管时在94GHz的频率条件下，是能够达到大于30dB的隔离度并且能够小于1dB的插入消耗。但是不一样的需求就需要不一样的开关，下面通过对PIN管和FET做出比较。

品质：与FET相比PIN管在带宽上有非常明显的优势（在大多数情况下）。关闭状态的电容可以很小，所以其上限工作频率就非常高。PIN管在关闭状态下的电容甚至可以高达50Ff，在开关打开阻止为20MA的状态下是1.7olm，所以在20MA的阻止条件下品质因素为85Fs。而在相同条件下FET的品质因素为480Fs。因此在品质上PIN管对带宽的增益是FET的5倍还多。这主要是由于当FET断开的条件下电容太高，直接影响到其高频特性，但是将FET的电容电路并联调整，把把在打开状态的FET当做电阻来看就会产生不一样的效果。由此可以看出品质因素不能是带宽的决定因素。

功率容量：一个并联开关的击穿电压可以直接得出开关本身的功率容量。这就是PIN管的另一个优点RF的功率容量比FET要高。垂直结构的PIN管击穿电压能够超过30伏特，PHEMT管的击穿电压也能够达到10伏特。并且正偏時候的功率容量可以通过将两个元件串联的方式提高。将电压品均分配给两个元器件，再由于功率的比值和电压的比值是平方的关系，所以PIN管数目的平方就是功率容量的提高倍数。如果处于反偏状态下，要增加功率容量就得设计大功率脉冲泄放电路。因为反偏状态下的功率容量不仅与饱和电流有关系而且与外围电路的关系也非常巨大。

其他方面：其他方面包括设计难度、插入消耗。在设计高速电路的问题上FET射频开关相对于PIN开关的设计难度要小很多。并且在插入消耗方面不需要直流电流，只需要一个电压来控制开关的开启和关闭，所以它具有零直流功率消耗的特性。

MEMS开关：MEMS（微电子机械系统）最早的使用可以追到20世纪60年代，当时在美国的贝尔实验室中研究人员开发出了微型硅压力传感器， 20世纪70年代人们又研究出硅片色谱仪、微型继电器这一系列的产品。在20世纪70年代到20世纪80年代人们利用微机械技术制作出多种微小尺寸的机械元件，这些就是MEMS开关的前身。在20世纪80年代末期一个名为UC-Muller的小组开发出了硅静电马达，在1989年的时候NSF召开学术研讨会，在会议上正式提出了“微电子技术应用于电（子）机系统”。

MEMS开关具有以下的特点在使用的时候大大减小了欧姆接触中的接触电阻和扩散电阻，对于欧姆损耗有着十分明显的降低技术，不仅仅如此，而且高电导率金属膜在传输微波信号的时候损耗变得非常低，十分有效的消除了由于半导体结引起的I-V非线性，MEMS开关相比于其他射频开关在减小开关谐波分量和互调分量有着非常明显的作用，并且在一定程度上提高了开关的能量處理能力。

例如在频率达到40～100GHz频段的时候，FET 开关在电路中基本已经失去了功效，PIN开关在高频率下也会有着同样的使用缺陷。但是MEMS开关就不会产生类似的问题。这是由于MEMS开关虽然有实质性的狭缝以及金属接点但是MEMS开关能在好频率的状态下继续发挥它本身的作用。正是因为MEMS开关的优秀特性，所以机械式开关才能在高频通信技术中复活，并且人们对机械开关给予了非常高的期望。不但如此，而且在随着这狭缝的距离不断加大，其绝缘性能还可以变得更高

MEMS开关的实际应用：

对很多MEMS设计者来说，手机市场是巨大的诱惑。2005年的时候，无线市场已经在当时高达五千五百五十亿元。而且在当时就有专家预估过，在2010年时，贵迅速涨到7000亿美元以上。在当时的背景下，能够把集成进手机中的公司来说，就意味着能够占据相当一部分手机市场。如果能够通过使用ems，开关，电感等一系列电子软件，手机的性能将会被大大的提升。在那种条件下，能够完成，现在做不到甚至想不到的功能。就比如将不会有未接来电。但是当时用固体电子学来完成这些东西，不可避免的会出现很多限制性的功能。

四 开关网络

在不久的将来，无线电通信系统中可能会广泛应用阵列天线。就好比智能天线，他也是阵列天线的一个种类，不久以前，阵列天线在军事中起到了很大的作用并且开始在军事中广泛应用。现在已经能够逐渐可以民用，不久的以后，阵列天线将会在民用中广泛应用。阵列天线的本质就是将很多个天线单元组合起来用来提升他的工作质量，从而达到人们高质量的需求。但是会出现一种体积大占用太多空间等问题，尤其是在军用方面，由于军舰、军用飞机等设备上面空间较小，这就对是使用造成了极大的不便利。对于民用也一样过多的体积也会造成极大的不便利。这些要求不断地在促使着开关技术以及无线通信技术不断地进行革新，相信在不久的将来，上述问题都会被轻松的解决。

五 总结

随着认了科技的不断进步，无线通信在生活中的使用也越来越广泛技术也在不断的革新，无线通信里面最重要的元件中，射频开关就位列其中，所以为了满足人们的需求，射频开关也会不断地进步，除去最基本的高隔离度、低插入消耗、开关速度以及功率容量等最基础的要求之外，还会有开关线性度、IIP3、集成制造以及功耗方面的要求。从这些要求出发，可以看出MEMS开关就是一个很好的开关，原因是因为由于MEMS开关，重量轻、体积小，适合大批量的生产的特点，非常适合与实际中电路的结合应用，对于广泛使用来说很方便。

参考文献：

[1] 王蕴仪等.微波器件与电路[M].江苏科学技术出版社，1981.

[2] 乔大勇，苑伟政. RF MEMS开关[J].微纳电子技术，2002年 第5期。

[3]李晓辉，侯建强，陈常杰·天线的发展现状及趋势[J]。通信世界网，2003年12月19 日。