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基于MEMS技术的RF开关在电路中的设计-方案运用

时间:2023-08-06 16:37:00

RF开关用于从多个可用信号源中选择所需信号,或将信号路由到所需信道,如分集天线系统,雷达以及测试和测量设置等应用。开关(有时称为继电器)可以使用类似于非RF开关的机电(EM)设计构建,但现在已经被开关IC取代,除了在IC不足的高功率应用中,以及一些非常特殊情况或开关需要多极(触点)。

还有基于MEMS技术的RF开关复制机电设计但使用IC制造技术。本文重点介绍基于IC的开关,该开关采用DT(单刀双掷)布置(图1),通常采用FET和PIN二极管作为其核心开关元件。

基于MEMS技术的RF开关在电路中的设计

图1:SPDT RF开关在概念上很简单,控制信号指示开关将输入路由到两个可能的输出中的任何一个。 (由 Solutions提供)

这些是定义RF开关性能的许多参数,并且大多数参数必须与电源电压,温度,频率,功率电平和其他因素进行表征。有些在特定应用中尤其重要,而有些则可能不那么重要。请注意,大多数RF开关设计用于50Ω操作,但有些设计用于75Ω标准的有线电视。鉴于这些开关运行的频率很高,许多供应商现在提供S参数和史密斯圆图作为其数据表规格的部分(有关背景,请参阅TechZone文章“史密斯圆图:一个‘古代’图形工具仍然在RF设计中仍然至关重要“),帮助工程师确定整体信号路径性能,匹配元件阻抗以实现最小损耗,以及建模系统性能。

工程师必须检查的第一个参数是开关的频率范围。例如,交换机的性能可以完全指定为1至5 GHz,或3至10 GHz,或者仅限于2.4 GHzWi-Fi频段等有限频段(尽管交换机的工作范围较小,但不保证范围之外的范围)。由于潜在的半导体物理特性,基于的RF开关往往在较低频率下性能降低,而基于FET的器件可以在极低频率甚至下工作。

功率处理是下一个关键因素。然而,它不仅仅是交换机在故障发生之前能够处理多少功率,而是它在不同功率水平下的性能。今天的复杂调制方案和高平均信号功率比意味着交换机必须提供足够的线性度,相邻信道泄漏比(ACLR),失真,三阶互调产物(IP3)和带内误差矢量性能在感兴趣的功率水平下的幅度(EVM)。

在某些应用中,与频率范围无关的切换速度也很重要。虽然供应商的定义各不相同,但最常见的开启时间定义是在开关“位置”发生变化后,开关RF输出达到其最终值的90%的时间;关闭时间是减少到最终值的10%的时间。 IC开关的开启/关闭时间大约为微秒甚至纳秒(与EM开关相比,它们在毫秒范围内)。与开关速度密切相关,在许多应用中更为重要的是建立时间,当RF输出稳定在最终值的0.1 dB或甚至0.05 dB之内时,因为电路在达到非常接近之前不能对信号起作用在许多应用中,它是最终的,正确的阀门插入损耗定义了信号路径中的衰减。由于通道间电阻,它们对负载阻抗和相关信号反射的导通的增加以及通过内部电容的泄漏,所有IC开关都会导致它们路由信号的一些损耗。插入损耗通常介于0.5和2 dB之间,供应商可以定制内部电阻和,以最大限度地减少指定工作频段内的损耗,但代价是降低该频段外的插入损耗。

隔离规范定义了传输RF信号到开关的断开(或脱离)抛出。开关设计人员可以再次设计利用器件物理特性的拓扑结构,并在不同频率下实现单独的折衷。因此,宽带开关在较低频率下可能具有80或甚至90 dB的隔离度,但在较高频率下仅具有30至40 dB的隔离度。

视频馈通表征当开关改变信号路径时出现在开关输出端的电压瞬变,甚至如果当时没有信号。在设计具有A(自动增益控制)的高增益放大器时非常重要,AGC旨在有意降低其增益以响应信号电平的增加。

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