射頻 （RF） 開(kāi)關(guān)是各種應(yīng)用的復(fù)雜前端系統(tǒng)的主要構(gòu)建模塊，包括發(fā)射或接收切換、分集切換、頻段切換和保護(hù)切換。圖1顯示了典型RF信號(hào)鏈中的開(kāi)關(guān)使用情況。開(kāi)關(guān)在系統(tǒng)架構(gòu)中的位置對(duì)插入損耗、功率處理、隔離和開(kāi)關(guān)速度等性能特征提出了很高的要求。ADI公司的RF開(kāi)關(guān)采用絕緣體上硅（SOI）工藝，提供反射、吸收和不對(duì)稱(chēng)功能，可為無(wú)線通信、航空航天或國(guó)防提供更高的頻率或功率處理能力，以及 儀器儀表應(yīng)用。

圖1.典型RF信號(hào)鏈中的開(kāi)關(guān)使用

RF開(kāi)關(guān)通常由一系列開(kāi)或關(guān)器件以及分流器件組成，滿(mǎn)足插入損耗和隔離要求，如圖2所示。器件上充當(dāng)電阻器，關(guān)斷器件充當(dāng)電容器，這決定了開(kāi)關(guān)的整體性能。

圖2.典型射頻開(kāi)關(guān)架構(gòu)

盡管RF開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和特性是針對(duì)理想的50 Ω條件而設(shè)計(jì)的，但實(shí)際應(yīng)用在所有端口上可能滿(mǎn)足也可能不滿(mǎn)足首選的50 Ω條件。綜合性能參數(shù)， 例如插入損耗和隔離，取決于從RF端口看到的回波損耗幅度和相位，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)端子通過(guò)低電阻（<10 Ω）連接。例如，典型的發(fā)射/接收開(kāi)關(guān)可能暴露于來(lái)自天線的 1：2 電壓駐波比 （VSWR） （~10 dB） 和功率放大器或低噪聲放大器的 ~10 dB 回波損耗，因?yàn)榉糯笃麽槍?duì)最大功率或最小噪聲進(jìn)行了調(diào)諧，這可能不同于 50 Ω 端接的高回波損耗。

本應(yīng)用筆記強(qiáng)調(diào)了任意負(fù)載條件對(duì)插入損耗、隔離和功耗處理的影響，采用基于負(fù)載拉動(dòng)的方法。端到端插入損耗和隔離 由于RF端口上的回波損耗差和任意相位，可能會(huì)降低性能。至于功率處理，RF端口上的任意電阻和電抗都可能導(dǎo)致電壓或電流峰值，這可能超出器件限制。因此，討論了可靠運(yùn)行所需的降額。

回波損耗差時(shí)的性能

在典型的RF信號(hào)鏈中，RF開(kāi)關(guān)的輸入和輸出端口很少與理想的回波損耗元件接口。RF元件通常具有標(biāo)量回波損耗和未知相位，如圖3所示。結(jié)合任意RF走線長(zhǎng)度，在恒定的VSWR圓中產(chǎn)生隨機(jī)相位。隨著RF端口的回波損耗降低，插入損耗、隔離和功率處理的不確定性也會(huì)增加。

圖3.單刀雙擲 （SPDT） RF 開(kāi)關(guān)的負(fù)載阻抗不確定性

失誤

當(dāng)理想端接呈現(xiàn)給RF開(kāi)關(guān)的輸入和輸出時(shí)，由于沒(méi)有信號(hào)反射，因此可以最佳地觀察開(kāi)關(guān)的固有性能。但是，如果采用低回波損耗端接，則會(huì)發(fā)生反射，它們加起來(lái)就是開(kāi)關(guān)的固有插入損耗，也稱(chēng)為失配損耗。如圖4所示，失配損耗隨著端接回波損耗的降低而增加。例如，終端中的10 dB回波損耗會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)額外的~0.45 dB失配損耗，而20 dB的回波損耗對(duì)應(yīng)于~0.05 dB的失配損耗。

圖4.失配損耗與端接回波損耗

為了演示實(shí)際器件上的失配損耗現(xiàn)象，對(duì)20 W峰值、1 GHz至20 GHz反射開(kāi)關(guān)ADRF5144進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。ADRF5144具有高功率處理能力，是高功率應(yīng)用的理想發(fā)射接收開(kāi)關(guān)。另一方面，ADRF5144的RF端口連接到天線、低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA），這可能會(huì)導(dǎo)致潛在的低回波損耗。

圖5.ADRF5144 任意負(fù)載阻抗的插入損耗

當(dāng)5144 Ω的理想端接連接到其端子時(shí)，ADRF0在8 GHz時(shí)的插入損耗為20.50 dB。圖5顯示了ADRF5144插入損耗與終止回波損耗相關(guān)的失配損耗。對(duì)于理想情況，例如30 dB端接回波損耗，任意相位的插入損耗為0.8 dB。對(duì)于20 dB回波損耗情況，可能會(huì)觀察到額外的0.05 dB失配損耗，對(duì)于10 dB回波損耗情況，可以觀察到額外的0.45 dB失配損耗，如圖4所示。

回波損耗差下的隔離

任意負(fù)載阻抗不僅會(huì)影響插入損耗，還會(huì)影響RF開(kāi)關(guān)未選定臂的泄漏，這稱(chēng)為隔離。RF開(kāi)關(guān)的隔離性能對(duì)于某些應(yīng)用至關(guān)重要，例如發(fā)送/接收開(kāi)關(guān)、低噪聲放大器（LNA）等精密電子器件的保護(hù)開(kāi)關(guān)以及濾波器組切換。具有低回波損耗且具有任意相位的端接會(huì)導(dǎo)致未選擇的RF臂泄漏更高。

典型的發(fā)射/接收應(yīng)用場(chǎng)景包括 1：2 VSWR 天線、最佳噪聲匹配 LNA 和阻抗為 50 Ω的最佳功率匹配 PA。同樣，在LNA保護(hù)應(yīng)用中，除了天線VSWR和LNA回波損耗外，通常使用笨重的50 Ω端接電阻來(lái)耗散高功率，而高功率的回波損耗較差。至于濾波器切換應(yīng)用，帶外濾波器響應(yīng)通常是全反射的，需要特別注意。根據(jù)應(yīng)用要求，反射式或吸收式開(kāi)關(guān)更適合將未知負(fù)載狀態(tài)導(dǎo)致的隔離不確定性降至最低。

發(fā)送/接收開(kāi)關(guān)應(yīng)用示例

放置在天線接口上的開(kāi)關(guān)通常需要處理高功率，對(duì)于所選路徑，插入損耗盡可能低，對(duì)于未選擇路徑，以盡可能高隔離度，以提高前端性能。在圖6所示的典型發(fā)射場(chǎng)景中，由于低回波損耗和開(kāi)關(guān)端口的任意相位，可以觀察到隔離的不確定性因子增加。因此，觀察到更糟糕的隔離。

圖6.典型發(fā)送/接收開(kāi)關(guān)應(yīng)用

對(duì)于典型的PA至LNA泄漏情況，理想情況下，開(kāi)關(guān)的RFx至RFx隔離僅取決于S32參數(shù)。但是，當(dāng)端接不理想且回波損耗較低時(shí)，反射會(huì)導(dǎo)致發(fā)送/接收開(kāi)關(guān)的總泄漏，如公式1所示。

其中：
PPA_to_LNA是PA到LNA泄漏。
ΓANT是天線反射系數(shù)。
ΓLNA是LNA反射系數(shù)。

圖7顯示了理想發(fā)射/接收開(kāi)關(guān)的PA至LNA泄漏，RFC至RFx （S31） 和 RFx 到 RFx （S32） 隔離，當(dāng)天線和 LNA 上存在 10 dB 回波損耗時(shí)。

圖7.PA 至 LNA 泄漏理論計(jì)算

圖8顯示了前端使用的典型發(fā)送/接收開(kāi)關(guān)的隔離性能如何隨其端口的任意回波損耗和相位而變化。ADRF5144在49 GHz時(shí)具有43 dB RFx至RFx隔離度和20 dB RFC至RFx（使用50 Ω端接時(shí)）。如果LNA回波損耗較高，則從低回波損耗天線反射回來(lái)會(huì)導(dǎo)致從發(fā)射到接收的泄漏不確定性最小。然而，當(dāng)天線和LNA回波損耗都很低且相位任意時(shí)，泄漏不確定性會(huì)增加。例如，當(dāng)天線和LNA都有20 dB回波損耗時(shí)，泄漏不確定度為1.5 dB。但是，當(dāng)天線和LNA都有10 dB的回波損耗和任意相位時(shí)，不確定性增加到5 dB。

圖8.發(fā)射以接收ADRF5144在發(fā)射模式下的泄漏不確定性;見(jiàn)表1

液化天然氣保護(hù)示例

從事時(shí)分復(fù)用（TDD）的無(wú)線電系統(tǒng)通常切換LNA和PA相互補(bǔ)充，它們通過(guò)環(huán)行器共享同一天線，如圖9所示。因此，接收路徑需要保護(hù)某些高功率情況，例如干擾、PA泄漏和天線反射。對(duì)于這些場(chǎng)景，LNA前面采用保護(hù)開(kāi)關(guān)，LNA必須具有最小的插入損耗和高功率處理能力。在保護(hù)模式下，開(kāi)關(guān)傳導(dǎo)至外部終端電阻，該電阻通常是一個(gè)笨重的 50 Ω電阻。人們期望50 Ω端接具有高回波損耗，但由于其大尺寸和寬印刷電路板（PCB）焊盤(pán)，其回波損耗在毫米波頻率下并不高。因此，LNA的泄漏高于預(yù)期。

圖9.典型的LNA保護(hù)開(kāi)關(guān)應(yīng)用

對(duì)于典型的環(huán)行器到LNA泄漏場(chǎng)景，理想情況下，開(kāi)關(guān)的RFC到RFx僅取決于S31參數(shù)。但是，當(dāng)端接和開(kāi)關(guān)回波損耗不高時(shí)，反射會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)的總泄漏，如公式2所示。

其中：
PCIRC_to_LNA是LNA泄漏的循環(huán)器。
ΓTERM是終止反射系數(shù)。
ΓLNA是LNA反射系數(shù)。

圖10顯示了環(huán)行器至LNA泄漏，作為理想保護(hù)開(kāi)關(guān)相對(duì)于RFC至RFx （S31） 和 RFx 到 RFx （S32） 隔離，當(dāng)終端和 LNA 上存在 15 dB 回波損耗的實(shí)際情況時(shí)。

圖 10.循環(huán)器到LNA泄漏理論計(jì)算

圖11顯示了所選端口端接時(shí)ADRF5144的隔離性能。由于高功率處理要求，端接電阻不是 體積小，PCB焊盤(pán)笨重。除非使用進(jìn)一步的阻抗匹配，否則20 GHz的典型高功率終端電阻具有15 dB的回波損耗。端接回波損耗和LNA回波損耗的任意相位在LNA泄漏的公共端口上引入了不確定性。如果任意相位的LNA回波損耗較低，則端接端接處的高50 Ω可能不足以減輕不確定性。然而，電感調(diào)諧端接電阻可改善隔離度，即使LNA輸入回波損耗在任意相位時(shí)較低。

圖 11.ADRF5144終端的隔離不確定度;見(jiàn)表2

濾波器組切換示例

濾波器切換應(yīng)用通常使用寬帶背靠背開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，其中窄帶帶通濾波器的輸入和切換輸出如圖12所示。因此，泄漏到未選擇的通道很重要。濾波器情況被忽視的情況是，它們?cè)趲馔耆瓷?，回波損耗非常低，這需要特別注意以評(píng)估最壞情況的信號(hào)泄漏。

圖 12.典型的濾波器組切換應(yīng)用

ADRF5046是一款反射式SP4T，ADRF5042是一款吸收式SP4T。如圖13所示，反射開(kāi)關(guān)的隔離衰減不確定度為~10 dB，回波損耗低，但吸收式開(kāi)關(guān)的衰減僅為~3 dB。在功率處理允許的情況下，吸收式開(kāi)關(guān)提供更高的固有隔離度，并且其隔離性能更能耐受高無(wú)功低回波損耗。

圖 13.反射式 SP4T 開(kāi)關(guān)和吸收式 SP4T 開(kāi)關(guān)的隔離比較

回波損耗差下的功率處理能力

RF開(kāi)關(guān)的額定功率通常受到器件沿開(kāi)關(guān)內(nèi)部不同路徑的熱擊穿或電壓擊穿的限制，如圖14所示。熱限制通常與RF場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的導(dǎo)通電阻有關(guān)，而電壓限制通常與RF FET的擊穿有關(guān)，尤其是在關(guān)斷狀態(tài)下。對(duì)于端接開(kāi)關(guān)，內(nèi)部 50 Ω 功率處理是另一個(gè)限制因素，它與熱或電壓有關(guān)，具體取決于架構(gòu)。

圖 14.典型RF開(kāi)關(guān)的電壓和熱限制

在理想的 50 Ω端接條件下，熱和電壓計(jì)算非常簡(jiǎn)單。然而，需要進(jìn)一步關(guān)注具有無(wú)功元件的RF端子上的顯著回波損耗。什么時(shí)候 RF開(kāi)關(guān)采用低回波損耗端接，任意阻抗和相位可能導(dǎo)致電壓或電流峰值，最終導(dǎo)致電壓引起的擊穿或電流引起的熱故障。

圖 15.ADRF5144 ADRF5144在44 GHz時(shí)10 dBm時(shí)的恒定電壓和電流輪廓

對(duì)于高于5144 dB回波損耗的端接，ADRF44的額定峰值功率高達(dá)20 dBm，這是標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)置和評(píng)估板配置的典型限值。例如，當(dāng) ADRF5144以20 dB的回波損耗端接，在44 GHz時(shí)以10 dBm驅(qū)動(dòng)，則可能會(huì)出現(xiàn)57 V峰值電壓或1.1 A峰值電流，具體取決于終止回波損耗相位。如果開(kāi)關(guān)的回波損耗負(fù)載較低，則即使電源具有相同的RF功率，電壓峰值或電流峰值也會(huì)更高。圖15中的負(fù)載拉動(dòng)圖顯示了當(dāng)向開(kāi)關(guān)提供不同負(fù)載時(shí)的恒壓等值線和恒流圖。給定負(fù)載阻抗的任意幅度和相位，開(kāi)關(guān)上出現(xiàn)的電壓在30 V至80 V之間變化，而可靠峰值電壓限值低于57 V。 同樣，電流可能在0.6 A和1.6 A之間縮放，其中可靠峰值電流限值低于1.1 A。

圖 16.ADRF5144 44 GHz時(shí)10 dBm輸入功率和任意端接回波損耗/相位時(shí)的電壓不確定性

圖16顯示了在不施加降額的情況下，相對(duì)于任意端接回波損耗和相位可能出現(xiàn)的電壓峰值。正如預(yù)期的那樣，盡管輸入功率恒定為44 dBm，但相對(duì)于較低的回波損耗，電壓峰值會(huì)更高。為了將電壓峰值保持在允許的水平，需要降額。表3總結(jié)了最壞情況下可能的電壓峰值電平如何調(diào)整回波損耗，以及建議ADRF5144的額定功率。更廣義的降額 方法是遵循圖17，其中歸一化降額值與終止回波損耗作為基準(zhǔn)。

任何RF開(kāi)關(guān)上使用的更通用的方法是遵循圖17中推薦的降額值。

圖 17.推薦的歸一化降額與終止回波損耗的關(guān)系

總結(jié)

低回波損耗下的RF開(kāi)關(guān)行為需要進(jìn)一步關(guān)注，因?yàn)槎说蕉瞬迦霌p耗、隔離和功率處理規(guī)格可能因RF端口的回波損耗而異。ADI公司最新推出的ADRF5144或ADRF5141等高功率高頻開(kāi)關(guān)的應(yīng)用電路針對(duì)不同的前端場(chǎng)景進(jìn)行了優(yōu)化，以最大限度地降低不良回波損耗影響。訪問(wèn)技術(shù)支持頁(yè)面以獲取更多建議。

審核編輯：郭婷