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RF开关技术的应用设计方案介绍

出处:电子发烧友 发布于:2019-01-28 14:00:37 | 305 次阅读

标准机械开关与RF不兼容。在高频时,信号耦合可能发生在机械接触间隙之间,这可能像高通滤波器中的电容器一样。较长的间隙会减少耦合,但会产生尺寸问题。

半导体射频开关是一类在激活时通过所需频段的IC,在非激活时会严重衰减。互斥级联开关允许RF信号路径多路复用,这反过来允许现代设备共享天线或将RF路由到不同级。

此外,使用板载PCB天线或外部天线的能力需要在同一板上切换两者。 RF开关增加了一块板支持两者的灵活性。

本文介绍了可用于从事多功能RF设计(如蓝牙Wi-Fi)的工程师的RF开关技术和部件。

Pin二极管开关

用于RF低功率应用的半导体开关被广泛使用并且是一种众所周知的技术。重要的是要注意低功率警告,因为高功率开关将使用特殊材料。例如,较老的火腿无线电仍然使用水银开关,当然不是最环保的材料,但在正常使用时非常有效地切换高功率和完全安全。

对于绝大多数设计,功率水平在微瓦到瓦特的范围内,这意味着半导体技术在这里可以很容易地运行 - 而且确实如此。用于RF切换的两种主要技术是PIN二极管和基于晶体管的RF开关。

PIN二极管开关利用高掺杂P和N型半导体结之间的“近内”(轻掺杂)半导体层(图1)。高掺杂保留了低欧姆电阻,因为它们是开关的接触点。图1:PIN二极管由于高电平注入而起到开关的作用。这会使n和p区域泛滥,直到电荷载流子密度超过阈值水平,从而使其导通。

作为二极管,它通常处于关断状态且不导电。当P和N区充电时(电位差足够高)并且发生高电平注入时,PIN二极管正向偏置。这是二极管被电子和空穴“淹没”的情况,直到它充当近乎完美的线性电阻器。结果,正向偏置的PIN二极管起到可变电阻器的作用,这就是它如何用作开关。已显示可实现的范围从.1欧姆到10 K欧姆,但可用范围更小,我们将很快看到。

PIN二极管类型的RF开关的一个好处是,如果您需要专业或非标准化的特性,您可以自己制作。超过6家供应商提供分立的PIN二极管,电压高达250 V,电流高达1.5 A.Digi-Key参数搜索引擎是一种有用的工具,可以准确找到您的需求。

典型的例子是恩智浦BAP65-02,115,采用SOD-523或SC-79封装的30 V,100 mA器件。恩智浦关于射频小信号设备的多部分培训教程可在Digi-Key网站上获得。

通用集成PIN二极管开关器件也有很好的规格。例如,像Skywork的SKY12207-306LF SPDT RF开关这样的通用部件不仅处理900 MHz至4 GHz,插入损耗为0.4 dB,还采用小型4 x 4 mm QFN封装开关,可处理连续50瓦的峰值浪涌高达200瓦。

该器件非常适用于半双工类型的设计,其中需要保护敏感接收级免受共用同一天线的高功率发射器的影响(图2)。正电源允许偏置RX级进行接收模式,但在发射器接管时保持隔离。

RF开关技术的应用设计方案介绍

图2:PIN二极管导通允许天线共享和高功率发射信号的切换,同时保护敏感的接收器电路。

恩智浦还生产一种基于PIN二极管的通用射频开关,专为低至1 GHz的低损耗射频开关而设计,但它们采用混合方式将其与FET结合使用。恩智浦BF1118W,115是一种基本的SPST架构(图3),它使用二极管作为串联源极跟随器开关的偏置机制。这允许耗尽型MOSFET的栅极与地隔离,从而导致低损耗。栅极 - 源极和栅极 - 漏极二极管之间的集成也可以防止输入电压浪涌。

RF开关技术的应用设计方案介绍

图3:混合开关结合了PIN二极管和MOSFET,将栅极与地隔离。这有助于降低噪音并降低损耗。

手持式无线设备

到目前为止,RF开关的最大设计活动集中在手持式低功耗无线设备上。这就是大批量生产的地方,这就是芯片制造商所关注的,提供最具竞争力和创新的解决方案。

由于空间是手持无线系统的一个问题,因此高度集成的RF开关比分立式解决方案更受欢迎。一些RF收发器芯片制造商开始采用基本的芯片切换,但一般来说,它们与集成RF开关的规格和功率水平不匹配,尤其是基于FET的RF开关类型。

许多无线标准共享相同的频段,因此一些通用交换机可以很好地支持混合协议设计。例如,RF Micro Devices RF2436TR7是一款紧凑型SPDT开关,适用于0至2.5 GHz,其范围包括用于蜂窝,DECT,Wi-Fi,蓝牙和ZigBee的共享频段,仅举几例。

基于砷化镓(GaAs)MESFET开关,CMOS控制输入将在1.5 V至6 V范围内工作,同时选通+28 dBm功率。这些器件采用低功耗(10μA接收,1 mA发送),具有高串扰隔离(900 MHz时为24 dB)和简单的架构,可以在狭小的空间内工作。

HMC349MS8GE是另一款来自Hittite Microwave的基于SPDT MESFET的射频开关,在这种情况下,范围为0 Hz至4 GHz。它具有更高的隔离度(1 GHz时为70 dB,2 GHz时为57 dB)。 “非反射”设计方法产生0.8 dB插入损耗,单个0/5 Volt控制线启用或禁用开关(图4)。

RF开关技术的应用设计方案介绍

图4:在两个RF端口之间切换公共线。未选择时,交换机提供500欧姆终端。

UPG2164T5N-A是加州东部实验室(CEL)的DPDT型交换机,瞄准Wi-Fi 802.11 a + b等双频标准/G。通过将性能集中在2.4 GHz至6 GHz范围,CEL可以优化插入损耗(0.5 dB)和隔离(25 dB)。

Skyworks SP3T SKY13345-368LF在与Wi-Fi和蓝牙结合时非常有用。非常小的(2 x 2 mm UFQFN)器件可处理100 MHz至3.5 GHz,目标是2.4 GHz蓝牙和802.11 b/g标准。

多种多路复用类型的SPxT交换机配置是现成的项目,包括支持尚未广泛用于公共用途的频段。请注意RF Micro Devices SP4T 16 GHz RFSW2045SR,它基本上是一个4到1多路复用器,用于在各种高频段之间切换,频率范围为0 Hz到16 GHz(图5)。

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图5:基于GaAs pHEMT技术,该Sp4T MMIC在16 GHz时的开关速度为21 nsec时具有38 dB隔离度。

单个设备可能需要连接到多个RF部分或天线,为此,有5个和6个极部件可用。甚至还有一些8极部件,例如Hittite 4 x 4 mm SP8T HMC321LP4E,它也使用0伏 - 5伏控制GaAs MESFET开关(图6)。在0 Hz至8 GHz范围内,这种高隔离度和低插入损耗,非反射部分可能更适合用于宽带开关,而不是无线手持设备。提到你的设计是为了什么可能和现成的。

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图6:一个8极射频开关可能超过您将需要一个手持无线设备,但这些SP8T部件的目标是宽带和电信交换机结构,这些结构受益于高密度。

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