射頻開(kāi)關(guān)優(yōu)化智能手機信號

不管是通過(guò)蜂窩還是移動(dòng)連接網(wǎng)絡(luò )和外部設備，為了確保高數據速率的無(wú)線(xiàn)通信，典型的智能手機(圖1)都集成有許多天線(xiàn)組件和多個(gè)無(wú)線(xiàn)數據流。放大、過(guò)濾和切換所要求的射頻信號需要用到多種射頻元件(圖中用藍色突出顯示了射頻開(kāi)關(guān)部分)。

　　現代智能手機是一種復雜的設備，在手持式封裝中充分融合了計算和通信技術(shù)。這些設備必須通過(guò)直觀(guān)
的操作界面提供各種與消費者和業(yè)務(wù)有關(guān)的功能。電磁(EM)場(chǎng)產(chǎn)生計算機電路與必定會(huì )接收到其它EM信號的無(wú)線(xiàn)電路非?？拷?，這只是智能手持設備面臨的設計挑戰之一。智能手機的復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架構，除了多頻段蜂窩電話(huà)外，還包含嵌入式藍牙、GPS和調頻收音機功能。

　　觀(guān)察這種新型手機內部的無(wú)線(xiàn)模塊，可以發(fā)現多種無(wú)線(xiàn)電信號在很小物理體積內工作和共存所固有的復雜性。這種復雜的信號路由和射頻開(kāi)關(guān)要求對智能手機設計提出了極大的挑戰。智能手機中的射頻開(kāi)關(guān)配置種類(lèi)十分廣泛，從相對簡(jiǎn)單的單刀雙擲(SPDT)配置直到更為復雜的單刀十擲(SP10T)配置，有時(shí)擲的數量甚至更高。開(kāi)發(fā)所有這些開(kāi)關(guān)的源動(dòng)力是豐富的無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)以及智能手機中的多種頻率和多副天線(xiàn)。

　　在蜂窩通信系統中用到了多種射頻開(kāi)關(guān)元件(圖2)。這些開(kāi)關(guān)元件包括主天線(xiàn)發(fā)送/接收(T/R)開(kāi)關(guān)，用于將主設備天線(xiàn)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(kāi)關(guān)主要用于將寬帶CDMA信號從功放的輸出引導至頻率選擇頻段雙工器。分集開(kāi)關(guān)用于連接第二副或分集蜂窩天線(xiàn)。分集天線(xiàn)在數據卡應用中非常普遍，在智能手機應用中也越來(lái)越流行，特別是針對以數據為中心的系統(如LTE)。

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

　　主天線(xiàn)開(kāi)關(guān)的主要功能是將空中射頻無(wú)線(xiàn)電通信信號連接到通信調制解調器中的主要發(fā)送與接收功能模塊。目前這種天線(xiàn)開(kāi)關(guān)的實(shí)現有多種多樣，從單刀七擲(SP7T)直到單刀十擲(SP10T)都有，具體取決于智能手機支持的射頻頻段數量。

　　主天線(xiàn)開(kāi)關(guān)的任務(wù)是保持信號線(xiàn)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)現最小的插損。從以前僅傳送語(yǔ)音的通信向無(wú)線(xiàn)數據通信的過(guò)渡促進(jìn)了向更高階調制方案的發(fā)展，比如正交頻分復用(OFDM)調制以及緊密相關(guān)的正交頻分多址(OFDMA)調制。這些復雜的調制方案產(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(kāi)關(guān)具有杰出的線(xiàn)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(lái)越高時(shí)仍能保持好的線(xiàn)性度，大多數天線(xiàn)開(kāi)關(guān)采用越來(lái)越復雜的設計拓撲來(lái)滿(mǎn)足這些更加嚴格的線(xiàn)性要求。例如，在天線(xiàn)開(kāi)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成開(kāi)關(guān)的場(chǎng)效應晶體管(FET)。這種方案通常是一種合理的折衷，因為它減少了對更大FET的需求，改善了開(kāi)關(guān)插損和隔離性能，增強了開(kāi)關(guān)壓縮點(diǎn)的魯棒性。開(kāi)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)。