射頻開關(guān)優(yōu)化智能手機(jī)信號

不管是通過蜂窩還是移動(dòng)連接網(wǎng)絡(luò)和外部設(shè)備，為了確保高數(shù)據(jù)速率的無線通信，典型的智能手機(jī)(圖1)都集成有許多天線組件和多個(gè)無線數(shù)據(jù)流。放大、過濾和切換所要求的射頻信號需要用到多種射頻元件(圖中用藍(lán)色突出顯示了射頻開關(guān)部分)。

　　現(xiàn)代智能手機(jī)是一種復(fù)雜的設(shè)備，在手持式封裝中充分融合了計(jì)算和通信技術(shù)。這些設(shè)備必須通過直觀
的操作界面提供各種與消費(fèi)者和業(yè)務(wù)有關(guān)的功能。電磁(EM)場產(chǎn)生計(jì)算機(jī)電路與必定會(huì)接收到其它EM信號的無線電路非?？拷@只是智能手持設(shè)備面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。智能手機(jī)的復(fù)雜性還延伸到了這些多射頻發(fā)射器的RF模擬/混合信號領(lǐng)域。

　　圖1：該模塊圖顯示了典型的智能手機(jī)架構(gòu)，除了多頻段蜂窩電話外，還包含嵌入式藍(lán)牙、GPS和調(diào)頻收音機(jī)功能。

　　觀察這種新型手機(jī)內(nèi)部的無線模塊，可以發(fā)現(xiàn)多種無線電信號在很小物理體積內(nèi)工作和共存所固有的復(fù)雜性。這種復(fù)雜的信號路由和射頻開關(guān)要求對智能手機(jī)設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)。智能手機(jī)中的射頻開關(guān)配置種類十分廣泛，從相對簡單的單刀雙擲(SPDT)配置直到更為復(fù)雜的單刀十?dāng)S(SP10T)配置，有時(shí)擲的數(shù)量甚至更高。開發(fā)所有這些開關(guān)的源動(dòng)力是豐富的無線電通信技術(shù)以及智能手機(jī)中的多種頻率和多副天線。

　　在蜂窩通信系統(tǒng)中用到了多種射頻開關(guān)元件(圖2)。這些開關(guān)元件包括主天線發(fā)送/接收(T/R)開關(guān)，用于將主設(shè)備天線用于時(shí)分雙工(TDD)收發(fā)器中的蜂窩發(fā)送和接收功能，例如用于提供全頻段GSM服務(wù)的收發(fā)器。另外，頻段模式開關(guān)主要用于將寬帶CDMA信號從功放的輸出引導(dǎo)至頻率選擇頻段雙工器。分集開關(guān)用于連接第二副或分集蜂窩天線。分集天線在數(shù)據(jù)卡應(yīng)用中非常普遍，在智能手機(jī)應(yīng)用中也越來越流行，特別是針對以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)(如LTE)。

　　圖2：蜂窩手機(jī)中要求使用大量射頻開關(guān)，分別用于天線切換、頻段切換和分集切換。

　　主天線開關(guān)的主要功能是將空中射頻無線電通信信號連接到通信調(diào)制解調(diào)器中的主要發(fā)送與接收功能模塊。目前這種天線開關(guān)的實(shí)現(xiàn)有多種多樣，從單刀七擲(SP7T)直到單刀十?dāng)S(SP10T)都有，具體取決于智能手機(jī)支持的射頻頻段數(shù)量。

　　主天線開關(guān)的任務(wù)是保持信號線性度，并提供發(fā)送與接收鏈之間的隔離，同時(shí)盡可能實(shí)現(xiàn)最小的插損。從以前僅傳送語音的通信向無線數(shù)據(jù)通信的過渡促進(jìn)了向更高階調(diào)制方案的發(fā)展，比如正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制以及緊密相關(guān)的正交頻分多址(OFDMA)調(diào)制。這些復(fù)雜的調(diào)制方案產(chǎn)生的波形幅度變化范圍非常大，因此信號具有很高的峰均比(PAPR)，進(jìn)而對處理它們的元件提出了更大動(dòng)態(tài)范圍的要求，同時(shí)要求射頻開關(guān)具有杰出的線性度，以便最大限度地降低射頻信號路徑中的失真。

　　為了在信號功率電平越來越高時(shí)仍能保持好的線性度，大多數(shù)天線開關(guān)采用越來越復(fù)雜的設(shè)計(jì)拓?fù)鋪頋M足這些更加嚴(yán)格的線性要求。例如，在天線開關(guān)模塊中經(jīng)常集成有電荷泵，用于提升電池電壓以控制構(gòu)成開關(guān)的場效應(yīng)晶體管(FET)。這種方案通常是一種合理的折衷，因?yàn)樗鼫p少了對更大FET的需求，改善了開關(guān)插損和隔離性能，增強(qiáng)了開關(guān)壓縮點(diǎn)的魯棒性。開關(guān)壓縮點(diǎn)定義為增益被壓縮0.1dB或1dB的輸出功率點(diǎn)(P0.1dB或P1dB)。