在高功率射頻前端（RFFE）設(shè)計領(lǐng)域，長期以來，我們一直選擇PIN二極管技術(shù)作為射頻開關(guān)的主要方案。這種技術(shù)在一定程度上是足夠的，因為頻段數(shù)量有限，電路板空間也不是一個制約因素。然而，隨著現(xiàn)代高功率基站和專網(wǎng)通信射頻鏈路需要涵蓋多個頻段來滿足語音和數(shù)據(jù)通信需求的增多，并且還需要優(yōu)化尺寸、重量和功耗（SWaP），傳統(tǒng)的PIN二極管技術(shù)可能已經(jīng)不再適用。

由于mMIMO架構(gòu)的推動，5G基站遠端射頻頭（RRH）的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，許多RFFE必須在有限的電路板空間內(nèi)實現(xiàn)。而RRH通常被安裝在高高的柱子上，這增加了總尺寸和重量的限制，以方便基站設(shè)備的安裝和維護。除此之外，RFFE的效率和總功耗對于管理總熱耗散也至關(guān)重要。因此，在降低前端濾波器和射頻開關(guān)的損耗方面有所幫助，可以減少總功耗，放寬散熱需求，并同時縮小RFFE的尺寸和重量。

類似于5G基站，大功率相控陣雷達也需要在有限的電路板空間內(nèi)集成許多RFFE。然而，由于復(fù)雜的偏置方案和眾多的無源元件的要求，使用傳統(tǒng)的PIN二極管開關(guān)來實現(xiàn)多頻段和覆蓋廣泛頻率范圍內(nèi)的多個RFFE已經(jīng)變得非常具有挑戰(zhàn)性。

因此，我們需要新的射頻開關(guān)技術(shù)來解決這些問題。這些新技術(shù)可以提供更高的性能和效率，幫助實現(xiàn)多頻段覆蓋和集成在有限空間內(nèi)的RFFE。通過采用這些新的射頻開關(guān)技術(shù)，我們可以優(yōu)化高功率射頻前端設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性，并滿足不斷增長的通信需求。

專網(wǎng)通信 RFFE 的要求

圖 1圖表展示了專網(wǎng)通信射頻鏈路中典型雙功率放大器（PA）RFFE的應(yīng)用。這種雙功率放大器通常使用基于GaN技術(shù)的功率放大器，可覆蓋30MHz至2.6GHz的頻段。在許多專有的專網(wǎng)軟件定義射頻中，連續(xù)頻率覆蓋是不可或缺的，因此需要在30MHz至2.6GHz范圍內(nèi)實現(xiàn)達到6.5倍帶寬范圍。然而，為了實現(xiàn)對低頻端二次諧波的最小抑制要求，需要一個保護帶來濾除諧波信號。例如，如圖 2 所示，第一個頻段不能選擇30至60MHz或其倍頻程，因為這將包括30MHz的二次諧波。所以第一個頻段必須選擇在30至50MHz之間，并且需要有10MHz的保護帶，才能達到預(yù)期的濾波抑制效果，以滿足諧波抑制要求。

圖 1，專網(wǎng)通信射頻鏈路的雙功放前端

由于保護帶至少為 10MHz，頻率范圍必須分成 8 個不連續(xù)的頻段，才能實現(xiàn)從 30MHz 到 2.6MHz 的連續(xù)覆蓋。在此過程中，射頻開關(guān)的主要功能是將射頻信號路由到適當?shù)闹C波濾波器，并合并信號，在通過諧波濾波器后再次進行信號路由到天線。因此，射頻開關(guān)的性能對整體射頻鏈路的性能非常關(guān)鍵。

開關(guān)插入損耗是減少總功耗的最重要因素之一。更低的開關(guān)插入損耗也減少了功率放大器所需的總功率。此外，降低功率放大器輸出功率也減少了直流能耗。減少功率消耗不僅有助于降低整體熱耗散，還有助于減小散熱器的尺寸，從而減小射頻組件的總尺寸和重量。這在許多專網(wǎng)通信應(yīng)用中非常重要。

圖 2，專網(wǎng)射頻鏈路的諧波濾波器要求

開關(guān)的諧波性能是一個非常重要的因素，特別是在諧波濾波器之后使用的開關(guān)。對于陸地移動/專用移動射頻鏈路（LMR/PMR），其需要滿足75至80dBc的諧波要求。為了提高效率，放大器通常以10至20dBc的諧波水平運行。因此，諧波濾波器需要提供至少60至70dB的抑制，以滿足監(jiān)管要求。

對于專網(wǎng)用射頻鏈路來說，由于其在諧波濾波器之后使用的開關(guān)沒有諧波濾波器的抑制效果，所以必須要求其諧波性能優(yōu)于總體要求，以滿足總發(fā)射的需求。根據(jù)功率放大器（PA）和濾波器（Filter）的諧波性能，開關(guān)的諧波性能必須在80dBc以上，以滿足監(jiān)管要求。

此外，在圖1中還展示了與開關(guān)隔離度相關(guān)的另一個重要問題。低頻段開關(guān)的隔離度通常很高，不會產(chǎn)生問題，但對于高頻段可能會有影響。例如，圖1中綠色箭頭所示的1GHz信號路徑的二次諧波可以通過紅色箭頭所示的2GHz信號路徑傳遞。由于2GHz信號路徑上的諧波濾波器無法提供抑制，所以組合輸入和輸出開關(guān)的隔離度必須高于諧波濾波器的抑制能力，以滿足整體的諧波要求。

圖 3，RRH 前端

基站和雷達 RFFE 的要求

圖3展示了一個典型的射頻前端（RFFE），用于5G基站和高功率相控陣雷達。現(xiàn)代5G基站采用mMIMO技術(shù)進行電子波束導(dǎo)向，因此需要大量的RFFE組件。同樣，高功率相控陣雷達也運用類似的架構(gòu)。

在這兩種應(yīng)用中，射頻開關(guān)的作用是提供故障保護功能，以防止天線的不良駐波比對接收器造成損壞。當天線存在VSWR問題時，例如由于損壞或鳥類阻擋導(dǎo)致的部分天線孔徑影響，發(fā)射功率會反射回射頻鏈路。如果沒有故障保護開關(guān)，高反射功率可能會損壞敏感的接收器。

為了解決這個問題，我們在接收（Rx）鏈路中增加了故障保護開關(guān)。故障保護開關(guān)在Rx時隙將信號切換到Rx端口，在Tx時隙將信號切換到Tx端口。在Tx時隙，如果出現(xiàn)高駐波比情況，開關(guān)將反射功率從天線經(jīng)過環(huán)行器傳輸?shù)竭B接在Tx端口的50Ω負載，以保護接收器免受高功率影響。

關(guān)鍵的射頻開關(guān)要求是在Rx時隙具有低插入損耗并且在Tx時隙能夠處理高功率。在Rx時隙，開關(guān)位于Rx路徑上，因此其損耗直接影響整體噪聲水平，并進一步影響接收器的靈敏度。而在Tx時隙，開關(guān)必須能夠處理最大發(fā)射功率下的不良駐波比情況，并且需要提供高隔離度給Rx端口。

系統(tǒng)的設(shè)計目標是檢測不良駐波比，但開關(guān)必須在系統(tǒng)作出反應(yīng)之前的10秒內(nèi)能夠處理高功率而不受損壞。典型的隔離度范圍為25到35dB，具體取決于發(fā)射器的峰值功率和低噪聲放大器的功率處理能力。對于基站應(yīng)用，開關(guān)的切換時間要求小于1秒，而對于雷達來說，要求更加嚴格，因為它直接影響雷達的探測范圍。

GaN 射頻開關(guān)技術(shù)

被廣泛應(yīng)用于高功率放大器中，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在寬帶隙 GaN 器件具有高擊穿電壓和高載流子密度，從而實現(xiàn)高功率密度。然而，人們對于 GaN 在大功率開關(guān)技術(shù)方面的優(yōu)勢并不太了解。實際上，GaN 改善功率放大器性能的特性同樣適用于實現(xiàn)出色的大功率射頻開關(guān)。

圖 4：GaN 射頻開關(guān)內(nèi)部框圖

在高功率射頻開關(guān)中，對射頻器件有兩個主要的要求：ON臂必須具備處理極高射頻電流的能力，而OFF臂則需要能夠應(yīng)對非常大的射頻電壓。從表1可以看出，射頻開關(guān)所需的峰值射頻電壓和電流與射頻功率呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。舉例來說，如果在一個50Ω的系統(tǒng)中產(chǎn)生10W的射頻功率，則需要處理32V的峰值電壓和600mA的峰值電流。當駐波比為4:1時，在典型射頻前端部分，開關(guān)必須能夠處理超過50V和1A的峰值電壓和電流。如果產(chǎn)生的射頻功率為100W，則開關(guān)需要處理160V的峰值電壓和3.2A的峰值電流。因此，射頻開關(guān)的設(shè)計必須能夠承受高電壓和高電流的要求。此外，還需要考慮安全性和可靠性等因素。

另一個關(guān)鍵參數(shù)是 FoM（figure of merit）=（Ron*Coff/VBV）。其中，Ron 代表開關(guān)的導(dǎo)通電阻，Coff 代表關(guān)斷電容，VBV 代表擊穿電壓。FoM 的值越小，技術(shù)越優(yōu)越。泰高技術(shù)的第二代 GaN 技術(shù)的 FoM 為 3 fs/V。隨著技術(shù)的成熟和改進，下一代的 FoM 有望進一步提高，從而進一步改善開關(guān)性能。

GaN 與 PIN 二極管射頻開關(guān)的比較

泰高技術(shù)的GaN射頻開關(guān)采用耗盡型模式GaN HEMT技術(shù)，相較于PIN二極管射頻開關(guān)具有許多優(yōu)勢。首先，GaN HEMT具有高擊穿電壓，每毫米的飽和電流可接近1A，因此在50Ω系統(tǒng)中，僅需2至3毫米的器件即可滿足100W功率的峰值電流要求。與絕緣體上硅（SOI）開關(guān)類似，GaN射頻開關(guān)使用柵極電壓來控制開關(guān)功能。然而，GaN器件的擊穿電壓遠高于SOI，SOI的擊穿電壓一般約為3V。這意味著在高功率開關(guān)中，無需堆疊多個器件，仍能滿足要求，從而降低了Ron和Coff。值得注意的是，由于這些器件處于耗盡模式，關(guān)閉時需要負電壓，而打開則需要零電壓。泰高技術(shù)的開關(guān)控制器芯片與GaN芯片封裝在一起，通過控制器產(chǎn)生的柵極電壓信號來控制所有GaN器件。控制器內(nèi)部產(chǎn)生負電壓，只需要最低2.7V（最高5.5V）的電源和1.2V（最高5.25V）的邏輯信號即可控制射頻開關(guān)狀態(tài)。此外，唯一需要的外部元件是連接在電荷泵引腳上的旁路電容。這些特點使得泰高技術(shù)的GaN射頻開關(guān)成為一種非常方便且高效的選擇。

圖 5：PIN 二極管（a）和 GaN（b）SP4T 射頻開關(guān)

相比之下，PIN二極管射頻開關(guān)的設(shè)計更加復(fù)雜，需要進行多次迭代來實現(xiàn)和優(yōu)化。這是因為其性能在很大程度上取決于與外部元件和電路板布局相關(guān)的寄生效應(yīng)。由于許多無源偏置器件連接到射頻信號路徑上，PIN二極管控制需要較高的電流和電壓。

具體而言，PIN二極管的導(dǎo)通電阻由偏置電流決定，在關(guān)斷狀態(tài)時，需要通過施加高反向偏置電壓來處理功率。在處理100瓦的開關(guān)時，偏置電流范圍約為200至400毫安，同時需要高達140伏的反向偏置電壓。圖5a展示了基于PIN二極管的典型SP4T 100瓦開關(guān)實現(xiàn)，其最低工作頻率為50兆赫。

在RF1路徑接通時，偏置電流為400毫安，用紅色字和箭頭表示。關(guān)斷路徑中，二極管并聯(lián)的偏壓為25毫安，串聯(lián)的反向偏置電壓為140伏。ON狀態(tài)的偏壓功率需求為2瓦（5伏 × 400毫安），每個路徑的關(guān)斷偏壓功率需求為3.5瓦（140伏 × 25毫安）。對于4T開關(guān)的偏置，總直流偏置功率需求為12.5瓦。大部分功率耗散在偏置電阻上，因此它們必須具備高功率耗散能力。為了實現(xiàn)從低電源軌對二極管進行反向偏置，還需要額外的升壓電路來產(chǎn)生高電壓。

與PIN二極管相比，基于GaN的開關(guān)只需3伏和200微安的電流，其總功耗僅為0.6毫瓦，并且只需要兩個元件。如圖5所示，PIN二極管需要32個無源元件，這還不包括升壓轉(zhuǎn)換器電路。由于基于GaN的解決方案適用于50歐姆的射頻端口，并且沒有連接任何無源元件，因此可以輕松實現(xiàn)并移植到任何電路板上，從而減少與二極管開關(guān)相關(guān)的復(fù)雜性。此外，基于GaN的解決方案所需的電路板空間僅為PIN二極管的1/10，約為3×3至5×5毫米。此外，其直流功耗幾乎為零，從而減少了對散熱器的需求，進一步減小了整體尺寸和重量。

與此相比，專網(wǎng)通信RFFE（參見圖1）需要176個元件，這還不包括高壓升壓電路所需的元件。而基于GaN的解決方案只需要7個開關(guān)和7個電容?？梢钥闯?，基于GaN的解決方案在元件數(shù)量和電路板空間上都有明顯優(yōu)勢。

GaN 射頻開關(guān)的性能

下面是對GaN射頻開關(guān)性能的說明：我們以TGSP2520DE 2T開關(guān)為例，來展示集成了控制器的GaN射頻開關(guān)的性能和能力。

圖6顯示了該開關(guān)的性能，其中（a）和（b）展示了小信號性能。該開關(guān)具有極低的插入損耗（IL），在1GHz時僅為0.2dB，在4GHz時低于0.5dB。圖6（c）顯示，該開關(guān)的P CW_ 0.1dB為50 dBm（100 W）。根據(jù)圖6（d），在90W功率下，它的諧波性能優(yōu)于80dBc。該開關(guān)采用5×5毫米的QFN封裝，只需要一個外部電容，非常適合用于高功率人形封裝和樹干安裝的應(yīng)用場景。

圖 6：TGSP2520DE 2T,50W 開關(guān)性能：插入損耗（a），隔離（b），壓縮（c）和諧波（d）

圖7展示了TGSP2340AD 4T開關(guān)的性能，它的P CW_0.1dB達到30W，非常適合于濾波器組扇出，如圖1所示。這款開關(guān)可用于便攜式10W LMRR/PMR或?qū)＞W(wǎng)通信射頻鏈路。在2.5 GHz的頻率下，該開關(guān)具有0.3 dBIL的指標，在10W功率下，諧波性能優(yōu)于85 dBc。此外，該開關(guān)還具有其他出色的特性，如（插入損耗、隔離度、帶外抑制等），可以滿足各種高性能射頻應(yīng)用的需求。

圖 7：TGSP2340AD 開關(guān)性能：插入損耗（a）、隔離（b）、壓縮（c）和諧波（d）。

TGSF2220AC開關(guān)（如圖8所示）是專為大規(guī)模MIMO（mMIMO）基站應(yīng)用中的故障保護功能而設(shè)計的，以保障其正常運行。這款開關(guān)已經(jīng)過最新發(fā)布的5G C波段的測試，具備0.5 dB的接收插入損耗和35 dB的隔離度。它的峰值功率輸出在0.1 dB時可達到100瓦，開關(guān)時間僅為0.5微秒。

同時，TGSP2220AC和TGSF2220AC開關(guān)都采用了小型化的3×3毫米QFN封裝，相比于PIN二極管解決方案，只需要一個外部電容，使得電路板空間得以充分節(jié)省。這對于高功率開關(guān)來說尤其重要，因為它們必須承受極端惡劣的駐波比條件，尤其是在靠近天線的位置。利用GaN射頻開關(guān)，可以獲得出色的熱性能和駐波比性能，進一步提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖 8：TGSF2220AC 開關(guān)性能：插入損耗（a），隔離（b）和壓縮（c）。

圖 9 展示了一個 TGSP2520DE 開關(guān)在 50W 輸入功率、50Ω（圖9a）和8:1駐波比（圖9b）的情況下的熱性能。熱圖像是在部件暴露在這種條件下1分鐘后拍攝的。駐波比顯示的是最差的條件，就功率耗散而言，它發(fā)生在低阻抗狀態(tài)。相反，在峰值電壓最差的條件下，由于GaN器件特有的高擊穿電壓，溫度要低得多，可以輕松承受。

圖 9：TGSP2520DE 開關(guān)與 50Ω匹配時的溫度曲線（a）、8:1的駐波比（b）。

總結(jié)：通過使用泰高技術(shù)的氮化鎵射頻前端芯片，證明了使用GaN開關(guān)的高功率前端的可行性。在專網(wǎng)通信和基站射頻鏈路中，GaN射頻開關(guān)成功解決與電路板空間和SWaP相關(guān)的重要問題。相比于傳統(tǒng)的PIN二極管開關(guān)，GaN開關(guān)簡化了相關(guān)的復(fù)雜性，并且實現(xiàn)了設(shè)計的可移植性，這特別對于大規(guī)模的mMIMO和相控陣來說至關(guān)重要。隨著技術(shù)的不斷進步和FOM改善，新一代的GaN開關(guān)將為許多應(yīng)用帶來更多機遇，包括大功率可調(diào)諧匹配電路、可調(diào)諧天線和可調(diào)諧濾波器。

深圳市泰高技術(shù)有限公司是一家致力于開發(fā)氮化鎵射頻前端芯片的半導(dǎo)體公司。憑借其在氮化鎵射頻領(lǐng)域的發(fā)明專利，該公司成功研制出一系列高功率氮化鎵射頻前端芯片。這些創(chuàng)新的芯片具有顯著的無線通信距離延長和圖像傳輸質(zhì)量提升效果。采用泰高技術(shù)的氮化鎵設(shè)計，這些芯片具有更高的功率密度和更低的能耗。這項創(chuàng)新技術(shù)不僅提升了產(chǎn)品整體性能，還在無線通信領(lǐng)域取得了革命性的突破。借助泰高技術(shù)的高功率氮化鎵射頻前端芯片，用戶可以享受到更遠距離的無線連接和更高質(zhì)量的圖像傳輸，不論是在通信設(shè)備、無人機還是其他需要遠程通信的場景中。此外，這些芯片還表現(xiàn)出色的能效，在保持高性能的同時降低能耗。這意味著設(shè)備在長時間使用后仍能保持穩(wěn)定工作，并為環(huán)保事業(yè)作出貢獻。

我們公司的座右銘是"顛覆性創(chuàng)新，實現(xiàn)高效節(jié)能——泰高技術(shù)氮化鎵射頻芯片"，這一口號體現(xiàn)了我們對于顛覆傳統(tǒng)、推動創(chuàng)新的決心和承諾。我們將一直致力于開展氮化鎵射頻領(lǐng)域的前沿研究，為客戶提供更先進、更可靠的解決方案，實現(xiàn)高效節(jié)能的目標。