新型射频开关的设计
5G通信基站大功率射频开关设计
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。
关键词：5G 通信基站；大功率射频开关；电路结构；电极设计
Design of High Power Radio Frequency Switch for Base Station in 5G Communication
ZHU Yan (China Information Consulting & Design Institute Co., Ltd., Nanjing ，高 博，等 . 一种用于 5G 移动通
信基站的大功率射频开关 [J]. 半导体技术，2020，45 （2）：128-132. [2] 刘文学，陈诗军，葛 建，等 . 基于 GNSS 邻域相似 性的 5G 基站纳秒级时间同步技术研究 [J]. 通信学报， 2020，41（1）：180-190. [3] 王 伟，宋家友 . 一种大功率高隔离度射频 SPDT 开 关的设计 [J]. 科学与信息化，2018（26）：26-27. [4] 方峪民 . 无线通信基站雷害防护原理与工程设计要点 研究 [J]. 通讯世界，2018（3）：39-40. [5] 武海涛，秦 磊，刘 佳 . 通信基站电源系统探讨： 浅析通信基站电源设备安全运行防护原理与解决办
硅基射频开关集成电路设计
摘要摘要随着无线通信市场的迅速发展，低成本与高集成度的射频收发机需求在不断增加。
为了迎合这种趋势，互补金属氧化物半导体（CMOS）由于其优越特性而备受关注。
然而，在实现全集成收发机这个目标上，CMOS工艺因其自身缺陷遇到了瓶颈，难以集成大功率器件，如开关与功率放大器。
基于此，本文采用硅基SOI工艺设计一款大功率单刀五掷开关，对促进全集成收发机的实现具有重要意义。
本文首先介绍了CMOS工艺下的射频开关技术，分析当前CMOS三阱工艺在设计开关电路时的物理局限性，并且加入硅基SOI工艺做为对比，阐述SOI工艺在射频开关设计上的优势地位。
紧接着，通过分析串并式硅基开关的功率承载能力瓶颈，采用负压偏压方式控制开关晶体管关闭来提高开关的线性度。
负压模块集成于SOI开关芯片中，由振荡器、时钟缓冲器以及负压电荷泵三者共同组成。
其中的振荡器部分本文使用的是多谐振荡器电路，替换了经典负压模块中的环形振荡器，相比于后者，前者在低频及低工艺节点应用时具备更小的尺寸以及更好的稳定性。
然后，根据SOI工艺库提供的开关晶体管建立了“导通”与“关闭”两种状态的等效集总模型，并给出各寄生参数的提取公式，通过与PDK晶体管的S参数仿真对比，验证了等效模型的准确性以及参数提取的正确性。
等效模型的建立对开关晶体管尺寸的选取具有指导意义。
最后，基于等效模型分析设计开关电路，并流片测试。
制造的SOI开关芯片面积为1.6×0.6 mm2。
在频率0.7~2 GHz范围内，测试插入损耗小于1.1 dB，测试隔离度大于27.5 dB，测试端口回波损耗大于17 dB，仿真的输入1 dB压缩点大于33 dBm（受矢网输出功率限制，实测大于16 dBm）。
开关测试与仿真性能接近设计指标，验证了硅基材料实现大功率器件的可行性。
关键词：CMOS工艺，SOI工艺，射频开关，模型，负压模块ABSTRACTWith the rapid development of the wireless communications market, the demand of low-cost and highly integrated RF transceiver is increasing. In order to meet this trend, complementary metal oxide semiconductor (CMOS) has caught massive attention due to its superior characteristics. However, in achieving the goal of fully integrated transceiver, CMOS process encountered bottlenecks because of its own defects, it is difficult to integrate high-power devices, such as switches and power amplifiers. Based on this, this paper uses silicon-based SOI process to design a high-power single-pole five-throw switch which is of great importance to the realization of fully integrated transceiver.Firstly, this paper introduces the RF switch technology with CMOS process. The physical limitations of the current CMOS triple-well process in designing the switch circuit is analyzed, and the silicon-based SOI process is added as a contrast to illustrate the advantages of SOI process in RF switch design.Secondly, by analyzing the power capabiligy bottleneck of the serial-parallel silicon based switch, the negative voltage bias is used to turn off the transistor to improve the linearity of switch. The negative voltage module is intergrated in the SOI switch chip, and it consists of three parts: oscillator, clock buffer and negative voltage charge pump. The oscillator part of this work is using the multibravator to replace the ring oscillator, which is adopted in the classical negative voltage module. Comparing to the ring oscillator, the multibravator has smaller size and better stability performance in the low frequency and low process node applications.Then, the equivalent lumped model “on” and “off” states for transistor is established according to the switch transistor provided by the SOI process library, and the extraction method of each parasitic components is proposed. The accuracy of the equivalent model and the correctness of the parameter extraction method are verified by comparing S-parameters simulation between equivalent model and PDK transistor. The establishment of the equivalent circuit model is of great significance to the selection of the switch transistor size.Finally, design the switch circuit based on the equivalent model, and tape out to measurement. The SOI switch chip area is 1.6×1.6 mm2. In the frequency range of 0.7 ~ 2 GHz, the test insertion loss is less than 1.1 dB, the test isolation is greater than 27.5 dB,the test port return loss is greater than 17 dB, and the simulation input P1dB compression point is greater than 33 dBm (by the limit of output power of the vector network analyzer, the measured P1dB is greater than 16 dBm). The switch measurement result and simulation result is close to the targets which verified the feasibiligy of realizing high power devices in silicon-based materials.Keywords：CMOS process, SOI process, RF switch, model, Negative voltage module目录第一章绪论 (1)1.1研究背景 (1)1.2国内外发展动态 (2)1.3章节概要 (4)第二章硅基射频开关基础 (5)2.1MOSFET工作原理 (5)2.2射频开关的规格参数 (7)2.2.1 插入损耗 (7)2.2.2 隔离度 (7)2.2.3 回波损耗与电压驻波比 (8)2.2.4 功率承载能力 (8)2.3硅基开关的技术应用 (9)2.3.1 硅基开关结构演进 (9)2.3.2 降低插入损耗技术 (10)2.3.3 提高隔离度技术 (12)2.3.4 层叠晶体管技术 (13)2.3.5 衬底体调谐技术 (14)2.4CMOS射频开关面临的挑战 (16)2.4.1 体硅CMOS的可靠性 (16)2.4.2 CMOS三阱工艺的局限性 (17)2.5SOI工艺特性及开关电路应用 (18)2.5.1 SOI工艺结构 (19)2.5.2 SOI工艺的开关应用优化 (20)2.6本章小结 (22)第三章SOI天线开关控制器 (23)3.1负压产生器 (24)3.1.1 振荡器 (25)3.1.2 时钟缓冲器 (31)3.1.3 负压电荷泵 (33)3.2电平转换器 (36)3.3数字控制 (38)3.4本章小结 (39)第四章SOI开关晶体管等效模型 (40)4.1晶体管导通等效模型 (40)4.2晶体管关闭等效模型 (45)4.3等效模型仿真验证 (47)4.4开关晶体管的品质因数 (48)4.5本章小结 (50)第五章集成SOI天线开关 (51)5.1开关设计指标 (52)5.2开关电路结构设计 (52)5.3版图设计与后仿 (56)5.4芯片测试与仿真对比 (59)5.4.1 芯片测试 (59)5.4.2 仿真与测试对比 (61)5.5本章总结 (63)第六章总结与展望 (64)6.1全文总结 (64)6.2后续展望 (64)致谢 (65)参考文献 (66)攻读硕士学位期间取得的成果 (71)第一章绪论第一章绪论1.1 研究背景自90年代移动手机普及以来，无线市场迎来了第一次爆发式增长，而随后的第一代智能手机iPhone的诞生，开启了无线市场的第二个黄金年代。
LS-DCB 型射频电容式物位限位开关
当传感器安装于仓体上时，探极和仓壁分 别相当于电容器的两个极板；由于被测物料的 介电常数与空气不同，所以仓内物位发生变化 时会引起探极对仓壁间的电容量发生变化，当 该电容量大于用户的设定值时，限位开关内的 继电器动作，输出一个开关量达到控制（或报 警）的目的。
北京
主要技术指标
仪表部分
合世
★工作环境：温度 -10—60℃ / -30—85℃
解
仓内介质：无腐蚀性，一般粘
决
度，一般冲击。 ★特 殊 型：仓内温度：-30-600℃
仓内压力：不大于 4Mpa
方 案
仓内介质：强腐蚀，高粘度，
强冲击。
★安装接头：R1/R1.5 管螺纹。
外形尺寸：如下图所示
探极 长度
棒式探极
缆式探极
同轴探极
平面探极
一键通 射频电容式物位限位开关
安装方法
如安装示意图所示，限位开关通常采用 侧装（在仓壁侧面安装）方式安装于仓体侧 壁对料位高度进行上下限位置的检测，当仓 体不便侧面开孔时可采用顶装（在仓的顶部 安装）方式。
顶装时电极距仓壁距离应大于 200mm, 应选择能避开进料时物料冲击的位置。
仓壁为混凝土时应使限位开关外壳可 靠接通钢筋，仓壁为非金属时应加装辅助探 极（对于固体物料）或使用同轴探极（对于 液体）。 注:用户拆装限位开关时禁止用手抱住壳体
拧动，应使用扳手拧动六角螺栓。
仪表的接线
电源指示灯 输出指示灯
湿度≤90%
★电源电压：AC 220V±10% 50Hz / DC 24V
★功 耗：≤3W
★输出信号：一组继电器接点输出（触点容
一
量 AC 220V 1A, ）
键
★输出延时：内部输出延时 2 秒。
一种大功率高隔离度射频SPDT开关的设计
一种大功率高隔离度射频SPDT开关的设计摘要PIN二极管（以下简称PIN管）被广泛地应用于RF、UHF和Microwave circuits中。
在半双工射频通信系统中，PIN管的特殊阻抗特性，使其成为单刀双掷（缩写SPDT）开关的重要组成部分，并越来越多地用于接收和发射的切换系统中。
本文首先介绍了PIN管的组成，在正偏和反偏两种状态下的等效模型；并通过对比其在SPST（缩写SPST）开关中三种组合的性能，以及分析分离元件型SPDT开关在目前收发系统使用中遇到的问题，提出了一种新的SPDT开关解决方案。
关键词半双工；偏置；SPDT；大功率；高隔离度前言PIN管的本征层的总电荷主要由偏置电流产生。
在射频通信中，PIN管会呈现出一个线性电阻，此阻值由直流偏置决定，正向偏置时阻值小，接近于短路；反向偏置时阻值大，接近于开路。
这种可变阻抗的特性使其很适合在射频电路中做开关控制器件。
本文设计了一种新型的大功率高隔离度射频SPDT开关电路，工作频段为100MHz-200MHz，承受载波功率100W以上，发射到接收端口的隔离度在70dB 以上[1]。
1 基本原理普通的二极管由PN结组成，在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征（Intrinsic）半导体层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN 二极管，如图1。
PIN管对射频信号的开关控制是通过改变其偏置电压来实现的。
当正向偏置时，PIN管处于导通状态，如图2所示，等效为电感L和电阻RS的串联。
其中RS 是导通电阻，阻抗小于1Ω，该值决定其插损；L是PIN管的等效电感，电感值小于10nH。
当反向偏置时，PIN管处于截止状态，如图3所示，等效为电容Cτ和电阻RP并联后，再和电感L串联。
其中Cτ是结电容，容值小于10pF，该值决定其隔离度；Rp是PIN管的截止电阻，阻值趋近于无穷大。
我们常见的三种二极管使用连接方式如下：图4为串联型，图5为并联型，图6混合型。
射频与微波开关系统的设计与应用
电子技术• Electronic Technology78 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】开关系统 测试系统 射频信号 微波信号在绝大多数的自动化测试系统中，射频与微波测试的应用都十分常见，不管是对民用设施，还是在军用装备进行功能测试的系统中，开关系统都是非常重要和关键的部分，如果开关系统具有合理可靠的布局，相对稳定的性能，操作起来较为方便简洁，那么就可以有效提高设备的应用效率的同时，进一步拓展系统的规模。
1 开关系统的作用分析1.1 利用开关系统进行射频信号切换在测试系统中，射频开关的主要作用就是切换信号，通过在测试点和测试仪器之间建立信号路径进而完成相应的测试。
固态射频开关、舌簧射频继电器以及电磁式微波开关都属于开关系统的基本器件。
只有性能良好的开关器件，才能更好的平衡测试系统的多方性能需求。
1.2 保护信号源，降低电磁干扰控制射频信号传播路径上的特征抗组必须一致，尤其注意严格禁止发生sons 向高阻抗进行传播的情况。
一旦出现该情况，信号路径就会产生强度较大的驻波，甚至可能会导致仪器设备的破坏。
在信号路径上，通过开关接入可以和阻抗相互匹配并且能更好的吸收信号的端接器，进一步保证和提高系统的安全性。
1.3 提高信号品质在测试系统中，尤其是应用了舌簧继电器的产品，射频开关子系统的规模扩展到一定程度，需要通过外部电缆将多个开关设备连接起来，在这个过程中，当位于各模块公共端的开关可以有效缩短电缆接入的长度，对于提高系统带宽具有积极的作用。
1.4 可扩展的微波开关矩阵分析射频与微波开关系统的设计与应用文/杜顺勇 宋阳在一个微波测试系统中，如果存在多个测试对象，那么开关矩阵结构的存在就可以明显提高系统的灵活性。
2 射频与微波开关系统设计技术特点无线通信技术愈发广泛被应用到军事和民用领域中，使得与其对应的测量技术和工具也得到进一步的发展。
高可靠性大功率射频设备供电开关组设计
１．引 言 大 功 率 射频 设 备是 卫 星 导航 地 面站 与 空间卫星 之间 的无 线 电接 口，担负着 大系统 出站信 号发射和入 站信号接 收的重 要任 务 。 为保 证射 频设 备 的不 间断运行 ，采 用ＵＰＳ电 源 供 电 ，设 备通 过 供 电开 关 组 （包 括 接 线 板 、套 筒插座等 ）连接在 配 电柜上 。卫星 导 航地面站 运行 以来， 由于长 期加 电和器件老 化等 原因 ，个别 套筒插座 出现打火 、接线板 插座控 制开关 出现跳 电等 现象 ，造 成相应 设 备无 法工作 ，严 重威胁 了系统 的稳 定运行 。 为避 免此类现 象的再次发 生，确保 系统长期 不 间断稳定运行 ，根据各 类插座工 作的实 际 情况 ，设计 了基 于卫星 导航地面站 的高可 靠 性大 功率射频设备供 电开关组 。 ２．开关组设计 方案 高可 靠 性 大功 率射 频 设 备供 电开 关 组 设计 思想是双 备份原则 ，设计方案 主要包 括 射频 机房机柜供 电设计 方案和射频 设备供 电 设计 方案 ，具体 如下。 ２．ｉ射频机房机柜 供 电设计 方案 考虑 到 原 接线 板 插座 本 身质 量 及 老 化 问题 ，加之 目前控制开 关出现松 动的接线 板 数 量较 多 ，为 彻底 消 除 隐患 ，计划 对 原 接 线 板全 部用 新型 带有 过 电保护 功能 的５孔 接 线板 进行更换 。并结合 发射机房环 境相对 恶 劣 ，容 易造 成 套筒 插 座 出现 类似 打 火 等 现 象 ，为降低 由其异常带 来的设备 断 电，计 划 将 原来每个机柜 的套筒插座去 掉不用 。 目前， 由于所有 设备 由一路 ＵＰＳ供 电， 故 一 旦该 线 路 出现 问题 ，将 导致 卫 星 的 出 站 与入站全部 中断 ，为 降低 出入 站 同时 中断 的概 率 ，计划 为每个机 柜再增加 １路ＵＰＳ供 电 线 路 （由ＵＰＳ机柜 直接 引出 ，后 端接 一个 新 型 ５孔接 线板 插座 ，考 虑到 接线 板插 座保 护 开关 与空气开 关性能相 当，且 目前 已无 多余 空 间安装 空气 开关 ，故 接线板前 省去空气 开 关 ），将 上变频器和５ＭＢｚ分配 器插至原ＵＰＳ供 电线路更换后 的接线板 ，将 下变 频器和场 放 控制 器插至新 增ＵＰＳ供 电线路接 线板 ，原ＵＰＳ 供 电线路上 的另外新型接线板作 为备用 。 另 外 ，射 频 设备 高 功放 改 造 即将 进 入 安 装阶段 ，主用卫星 每个射频机 房将新 增两 台固态功放 ，共需４路ＵＰＳ供 电，同时为保 险 起 见，计划每 个射频机 房再增加 ２路ＵＰＳ供 电 新 型５孔接 线板 ，作为 应 急备 用插座 ，故 改
可程控射频开关设计
可程控射频开关设计可程控射频开关是整个自动测试系统的核心，其性能直接影响自动测试系统的指标和功能，文章主要介绍了一种可程控射频开关模块的设计，详细介绍了其工作原理及电路设计。
文章设计的开关电路插入损耗低、通道隔离好、驻波小，能较好的完成自动测试时开关切换的功能。
标签：射频开关；自动测试；插入损耗Abstract：The programmable radio frequency switch is the core of the whole automatic test system. Its performance directly affects the index and function of the automatic test system. This paper mainly introduces the design of a programmable radio frequency switch module. The working principle and circuit design are introduced in detail. The switch circuit designed in this paper has the advantages of low insertion loss，good channel isolation and small standing wave，which can complete the switch switching function in automatic test.Keywords：RF switch；automatic test；insertion loss1 概述随着印制电路板组件集成度越来越高，数字收发模块通道数越来越多，测试量越来越大，传统的测试工作量和劳动强度很大。
为了减轻劳动强度，提高生产效率，一个自动测试系统是必不可少的，而自动测试时需频繁地将信号源与频谱仪等仪表的输入或输出端打入相应的通道中，可程控多路射频开关的设计就尤为重要了。
一种新型微波射频开关(4×2)的设计与应用
单 的二 端 口网络 分析 仪进 行分 析测 量 。
在 核磁 共 振 ＭＲ 系统 中 ，一 般接 收 系统 的通道
本 电路 二极 管 采用 Ｉｆ ｅｎ公 司 的 Ｂ ５ ２ 导 ｎ ｎｏ ｉ Ａ ９， 通 的最 佳性 能 电流 是 ５ｍＡ。 以满 足二 极 管 的要 求 所 在 设 计 中加 人 的控 制 电压 是 １ ，回路 电 阻 Ｒ ， ０Ｖ ７
关 键 词 ：ｉ ｉ ｅ ； 射频 开 关 ； 电磁 兼 容 ； 核 磁 共振 ｐｎｄｏ ｓ ｄ
中图分 类号 ： Ｎ Ｔ６
文献 标识 码 ： Ａ
文章编 号 ：０ ６ ６ ７ （０ ７０ — ０ ８ ０ １ ０ — ９ ７２ ０ ）２ ０ １— ３
Ｄｅ ｉｎ ａ ｄ ａ ｐｉａ ｉｎ ｏ ｅＲ － ｗｉ ｈ（ ｘ ） ｎ Ｍ Ｒ ｙ ｔｍ ｓｇ ｎ ｐ ｌ ｔ ｆ ｈ Ｆ ｓ ｔ ４ ２ ｉ ｃ ｏ ｔ ｃ ｓ ｓｅ
Ｒ８Ｒ１ 、 ２的 大 小 均 为 １ ｎ 。 、 １Ｒ１ ０ｋ
数小 于 天线 线 圈数 ， 以多路 线 圈也要 应 用 开 关 进 所
行切 换选 择 。
目前 大 多 采 用 现 成 的 开 关器 件 实 现 切 换 功 能 。
但 是 大 多 数 的 开 关器 件 可靠 性 低 、 损 坏 、 电线 易 供 路复 杂 。例如 Ｓ ４ ７器件 虽然 可 以完成 简 单 的开 Ｗ一 ３ 关 功 能 ， 是 它 对 防静 电要 求 非 常 高 ， 般 的实 验 但 一
维普资讯
一
１一 ８
《 国外 电 子元器 件）０ ８年 第 ２期 ２０ ２０ ０ ８年 ２月
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新型射频开关的设计
通常RF系统中有许多输入输出端口，用多端口网络分析仪分析散射特性价格昂贵，一般采用开关对多输入多输出的信号进行切换，然后用比较简单的二端口网络分析仪进行分析测量。
1、电路设计
利用直流信号控制pin diodes二极管的通断，输入射频信号通过导通的二极管输出；改变控制逻辑，从而控制输入射频信号的输出。
设计步骤如下：
1）根据设计要求设计直流控制电路。
本电路二极管采用Infineon 公司的BA592，导通的最佳性能电流是5 mA。
所以满足二极管的要求在设计中加入的控制电压是10 V，回路电阻R7，R8、R11、R12的大小均为10 kΩ。
2）根据散射特性的要求设计交流信号电路电路工作的中心频率为63.6 MHz，属于高频段，因此要保证输入输出端口的匹配。
即一路射频信号输出的时候，另外一路信号应该接50Ω电阻匹配。
由于本电路既有直流信号又有交流信号，因此把二者分开，使其互不影响非常重要。
根据频率的要求选用10 nF的耦合电容，交流信号短路，而直流信号断路；而选用18μH的耦合电感，对于交流信号断路，而直流信号短路。
3）电路基本模块及其模块的设计之间的连接。
图1和图2是电路的基本模块。
图1是2输入2输出模块（2×2）：在CTRL3、CTRL4之间加入10 V的直流电压，即在CTRL3加10 V电压，CTRL4加0 V 电压时，二极管D6、D9导通。
这时候输入信号input1通过二极管D9输出，输入信号in-put2通过二极管D6输出。
当控制信号反向，
即在CTRL4加10 V电压，而CTRL3加0 V电压时，二极管D5、D10导通，输入信号input1通过二极管D5输出，输入信号input2通过二极管D10输出。
从而达到两路输入信号同时输出，而且可以通过控制信号的逻辑转换改变输入信号输出方向的目的。
图1
图2
图2是2输入1输出模块（2×1）：控制信号7、8控制二极管的通断，实现二极管D13、D16或者二极管D14、D15同时导通，与模块1相同。
但是两路输入信号只有一路输出，另外一路输出接50R 电阻实现匹配，从而实现两路输入一路输出，而且可以实现通过控制信号选择哪一路输出的功能。
图3
图3是整个电路的模块连接框图，表示了模块之间的逻辑关系，信号的传输过程如下：当控制逻辑为1111时，输入信号input1和input3通过二极管从上面的通路输入2×1输出模块，由于控制逻辑为高，只有input1可以从output1输出；而输入信号input2和input4通过二极管从下面的通路输入下面的2×1输出模块，同样由于控制逻辑为高，只有in-put2可以从output1输出，这样就实现了四路输入信号只有input1和input2分别从output1和output2输出。
同样，当改变控制逻辑时，就可以选择想要的输入信号的输出。
当控制逻辑为1110，则输出信号为input1和input4。
4路控制信号可以控制12种状态，对应建立数据库，可以通过Labview编写相关程序应用到测试中。
4）印制电路板的设计。
在本设计中每个模块的射频信号接地路径最短，减少了差模辐射；共模辐射是由于接地面存在地电位造成的，
这个地电位就是共模电压。
当连接外部电缆时，电缆被共模电压激励形成共模辐射。
控制共模辐射，首先要减小共模电压。
本设计中采用地线网络和接地平面，布成双层版，全部在上层走线，下层全部铺地，合理选择了接地点；
2、结束语
应用pin diodes设计电路，可靠性得到很大提高，解决了一般开关器件可靠性差、容易损坏的问题。
由于设计的合理性，此微波射频开关的反射系数、传输系数、隔离度都非常理想。