泰高技术的氮化镓射频开关：强劲应对高功率射频设计的王牌

在高功率射频前端（RFFE）设计领域，长期以来，我们一直选择PIN二极管技术作为射频开关的主要方案。这种技术在一定程度上是足够的，因为频段数量有限，电路板空间也不是一个制约因素。然而，随着现代高功率基站和专网通信射频链路需要涵盖多个频段来满足语音和数据通信需求的增多，并且还需要优化尺寸、重量和功耗（SWaP），传统的PIN二极管技术可能已经不再适用。

由于mMIMO架构的推动，5G基站远端射频头（RRH）的结构变得非常复杂，许多RFFE必须在有限的电路板空间内实现。而RRH通常被安装在高高的柱子上，这增加了总尺寸和重量的限制，以方便基站设备的安装和维护。除此之外，RFFE的效率和总功耗对于管理总热耗散也至关重要。因此，在降低前端滤波器和射频开关的损耗方面有所帮助，可以减少总功耗，放宽散热需求，并同时缩小RFFE的尺寸和重量。

类似于5G基站，大功率相控阵雷达也需要在有限的电路板空间内集成许多RFFE。然而，由于复杂的偏置方案和众多的无源元件的要求，使用传统的PIN二极管开关来实现多频段和覆盖广泛频率范围内的多个RFFE已经变得非常具有挑战性。

因此，我们需要新的射频开关技术来解决这些问题。这些新技术可以提供更高的性能和效率，帮助实现多频段覆盖和集成在有限空间内的RFFE。通过采用这些新的射频开关技术，我们可以优化高功率射频前端设计，提高系统的可靠性和灵活性，并满足不断增长的通信需求。

专网通信 RFFE 的要求

图 1图表展示了专网通信射频链路中典型双功率放大器（PA）RFFE的应用。这种双功率放大器通常使用基于GaN技术的功率放大器，可覆盖30MHz至2.6GHz的频段。在许多专有的专网软件定义射频中，连续频率覆盖是不可或缺的，因此需要在30MHz至2.6GHz范围内实现达到6.5倍带宽范围。然而，为了实现对低频端二次谐波的最小抑制要求，需要一个保护带来滤除谐波信号。例如，如图 2 所示，第一个频段不能选择30至60MHz或其倍频程，因为这将包括30MHz的二次谐波。所以第一个频段必须选择在30至50MHz之间，并且需要有10MHz的保护带，才能达到预期的滤波抑制效果，以满足谐波抑制要求。

图 1，专网通信射频链路的双功放前端

由于保护带至少为 10MHz，频率范围必须分成 8 个不连续的频段，才能实现从 30MHz 到 2.6MHz 的连续覆盖。在此过程中，射频开关的主要功能是将射频信号路由到适当的谐波滤波器，并合并信号，在通过谐波滤波器后再次进行信号路由到天线。因此，射频开关的性能对整体射频链路的性能非常关键。

开关插入损耗是减少总功耗的最重要因素之一。更低的开关插入损耗也减少了功率放大器所需的总功率。此外，降低功率放大器输出功率也减少了直流能耗。减少功率消耗不仅有助于降低整体热耗散，还有助于减小散热器的尺寸，从而减小射频组件的总尺寸和重量。这在许多专网通信应用中非常重要。

图 2，专网射频链路的谐波滤波器要求

开关的谐波性能是一个非常重要的因素，特别是在谐波滤波器之后使用的开关。对于陆地移动/专用移动射频链路（LMR/PMR），其需要满足75至80dBc的谐波要求。为了提高效率，放大器通常以10至20dBc的谐波水平运行。因此，谐波滤波器需要提供至少60至70dB的抑制，以满足监管要求。

对于专网用射频链路来说，由于其在谐波滤波器之后使用的开关没有谐波滤波器的抑制效果，所以必须要求其谐波性能优于总体要求，以满足总发射的需求。根据功率放大器（PA）和滤波器（Filter）的谐波性能，开关的谐波性能必须在80dBc以上，以满足监管要求。

此外，在图1中还展示了与开关隔离度相关的另一个重要问题。低频段开关的隔离度通常很高，不会产生问题，但对于高频段可能会有影响。例如，图1中绿色箭头所示的1GHz信号路径的二次谐波可以通过红色箭头所示的2GHz信号路径传递。由于2GHz信号路径上的谐波滤波器无法提供抑制，所以组合输入和输出开关的隔离度必须高于谐波滤波器的抑制能力，以满足整体的谐波要求。

图 3，RRH 前端

基站和雷达 RFFE 的要求

图3展示了一个典型的射频前端（RFFE），用于5G基站和高功率相控阵雷达。现代5G基站采用mMIMO技术进行电子波束导向，因此需要大量的RFFE组件。同样，高功率相控阵雷达也运用类似的架构。

在这两种应用中，射频开关的作用是提供故障保护功能，以防止天线的不良驻波比对接收器造成损坏。当天线存在VSWR问题时，例如由于损坏或鸟类阻挡导致的部分天线孔径影响，发射功率会反射回射频链路。如果没有故障保护开关，高反射功率可能会损坏敏感的接收器。

为了解决这个问题，我们在接收（Rx）链路中增加了故障保护开关。故障保护开关在Rx时隙将信号切换到Rx端口，在Tx时隙将信号切换到Tx端口。在Tx时隙，如果出现高驻波比情况，开关将反射功率从天线经过环行器传输到连接在Tx端口的50Ω负载，以保护接收器免受高功率影响。

关键的射频开关要求是在Rx时隙具有低插入损耗并且在Tx时隙能够处理高功率。在Rx时隙，开关位于Rx路径上，因此其损耗直接影响整体噪声水平，并进一步影响接收器的灵敏度。而在Tx时隙，开关必须能够处理最大发射功率下的不良驻波比情况，并且需要提供高隔离度给Rx端口。

系统的设计目标是检测不良驻波比，但开关必须在系统作出反应之前的10秒内能够处理高功率而不受损坏。典型的隔离度范围为25到35dB，具体取决于发射器的峰值功率和低噪声放大器的功率处理能力。对于基站应用，开关的切换时间要求小于1秒，而对于雷达来说，要求更加严格，因为它直接影响雷达的探测范围。

GaN 射频开关技术

被广泛应用于高功率放大器中，其优势主要体现在宽带隙 GaN 器件具有高击穿电压和高载流子密度，从而实现高功率密度。然而，人们对于 GaN 在大功率开关技术方面的优势并不太了解。实际上，GaN 改善功率放大器性能的特性同样适用于实现出色的大功率射频开关。

图 4：GaN 射频开关内部框图

在高功率射频开关中，对射频器件有两个主要的要求：ON臂必须具备处理极高射频电流的能力，而OFF臂则需要能够应对非常大的射频电压。从表1可以看出，射频开关所需的峰值射频电压和电流与射频功率呈现正相关的关系。举例来说，如果在一个50Ω的系统中产生10W的射频功率，则需要处理32V的峰值电压和600mA的峰值电流。当驻波比为4:1时，在典型射频前端部分，开关必须能够处理超过50V和1A的峰值电压和电流。如果产生的射频功率为100W，则开关需要处理160V的峰值电压和3.2A的峰值电流。因此，射频开关的设计必须能够承受高电压和高电流的要求。此外，还需要考虑安全性和可靠性等因素。

另一个关键参数是 FoM（figure of merit）=（Ron*Coff/VBV）。其中，Ron 代表开关的导通电阻，Coff 代表关断电容，VBV 代表击穿电压。FoM 的值越小，技术越优越。泰高技术的第二代 GaN 技术的 FoM 为 3 fs/V。随着技术的成熟和改进，下一代的 FoM 有望进一步提高，从而进一步改善开关性能。

GaN 与 PIN 二极管射频开关的比较

泰高技术的GaN射频开关采用耗尽型模式GaN HEMT技术，相较于PIN二极管射频开关具有许多优势。首先，GaN HEMT具有高击穿电压，每毫米的饱和电流可接近1A，因此在50Ω系统中，仅需2至3毫米的器件即可满足100W功率的峰值电流要求。与绝缘体上硅（SOI）开关类似，GaN射频开关使用栅极电压来控制开关功能。然而，GaN器件的击穿电压远高于SOI，SOI的击穿电压一般约为3V。这意味着在高功率开关中，无需堆叠多个器件，仍能满足要求，从而降低了Ron和Coff。值得注意的是，由于这些器件处于耗尽模式，关闭时需要负电压，而打开则需要零电压。泰高技术的开关控制器芯片与GaN芯片封装在一起，通过控制器产生的栅极电压信号来控制所有GaN器件。控制器内部产生负电压，只需要最低2.7V（最高5.5V）的电源和1.2V（最高5.25V）的逻辑信号即可控制射频开关状态。此外，唯一需要的外部元件是连接在电荷泵引脚上的旁路电容。这些特点使得泰高技术的GaN射频开关成为一种非常方便且高效的选择。

图 5：PIN 二极管（a）和 GaN（b）SP4T 射频开关

相比之下，PIN二极管射频开关的设计更加复杂，需要进行多次迭代来实现和优化。这是因为其性能在很大程度上取决于与外部元件和电路板布局相关的寄生效应。由于许多无源偏置器件连接到射频信号路径上，PIN二极管控制需要较高的电流和电压。

具体而言，PIN二极管的导通电阻由偏置电流决定，在关断状态时，需要通过施加高反向偏置电压来处理功率。在处理100瓦的开关时，偏置电流范围约为200至400毫安，同时需要高达140伏的反向偏置电压。图5a展示了基于PIN二极管的典型SP4T 100瓦开关实现，其最低工作频率为50兆赫。

在RF1路径接通时，偏置电流为400毫安，用红色字和箭头表示。关断路径中，二极管并联的偏压为25毫安，串联的反向偏置电压为140伏。ON状态的偏压功率需求为2瓦（5伏 × 400毫安），每个路径的关断偏压功率需求为3.5瓦（140伏 × 25毫安）。对于4T开关的偏置，总直流偏置功率需求为12.5瓦。大部分功率耗散在偏置电阻上，因此它们必须具备高功率耗散能力。为了实现从低电源轨对二极管进行反向偏置，还需要额外的升压电路来产生高电压。

与PIN二极管相比，基于GaN的开关只需3伏和200微安的电流，其总功耗仅为0.6毫瓦，并且只需要两个元件。如图5所示，PIN二极管需要32个无源元件，这还不包括升压转换器电路。由于基于GaN的解决方案适用于50欧姆的射频端口，并且没有连接任何无源元件，因此可以轻松实现并移植到任何电路板上，从而减少与二极管开关相关的复杂性。此外，基于GaN的解决方案所需的电路板空间仅为PIN二极管的1/10，约为3×3至5×5毫米。此外，其直流功耗几乎为零，从而减少了对散热器的需求，进一步减小了整体尺寸和重量。

与此相比，专网通信RFFE（参见图1）需要176个元件，这还不包括高压升压电路所需的元件。而基于GaN的解决方案只需要7个开关和7个电容。可以看出，基于GaN的解决方案在元件数量和电路板空间上都有明显优势。

GaN 射频开关的性能

下面是对GaN射频开关性能的说明：我们以TGSP2520DE 2T开关为例，来展示集成了控制器的GaN射频开关的性能和能力。

图6显示了该开关的性能，其中（a）和（b）展示了小信号性能。该开关具有极低的插入损耗（IL），在1GHz时仅为0.2dB，在4GHz时低于0.5dB。图6（c）显示，该开关的P CW_ 0.1dB为50 dBm（100 W）。根据图6（d），在90W功率下，它的谐波性能优于80dBc。该开关采用5×5毫米的QFN封装，只需要一个外部电容，非常适合用于高功率人形封装和树干安装的应用场景。

图 6：TGSP2520DE 2T,50W 开关性能：插入损耗（a），隔离（b），压缩（c）和谐波（d）

图7展示了TGSP2340AD 4T开关的性能，它的P CW_0.1dB达到30W，非常适合于滤波器组扇出，如图1所示。这款开关可用于便携式10W LMRR/PMR或专网通信射频链路。在2.5 GHz的频率下，该开关具有0.3 dBIL的指标，在10W功率下，谐波性能优于85 dBc。此外，该开关还具有其他出色的特性，如（插入损耗、隔离度、带外抑制等），可以满足各种高性能射频应用的需求。

图 7：TGSP2340AD 开关性能：插入损耗（a）、隔离（b）、压缩（c）和谐波（d）。

TGSF2220AC开关（如图8所示）是专为大规模MIMO（mMIMO）基站应用中的故障保护功能而设计的，以保障其正常运行。这款开关已经过最新发布的5G C波段的测试，具备0.5 dB的接收插入损耗和35 dB的隔离度。它的峰值功率输出在0.1 dB时可达到100瓦，开关时间仅为0.5微秒。

同时，TGSP2220AC和TGSF2220AC开关都采用了小型化的3×3毫米QFN封装，相比于PIN二极管解决方案，只需要一个外部电容，使得电路板空间得以充分节省。这对于高功率开关来说尤其重要，因为它们必须承受极端恶劣的驻波比条件，尤其是在靠近天线的位置。利用GaN射频开关，可以获得出色的热性能和驻波比性能，进一步提高整体系统的稳定性和可靠性。

图 8：TGSF2220AC 开关性能：插入损耗（a），隔离（b）和压缩（c）。

图 9 展示了一个 TGSP2520DE 开关在 50W 输入功率、50Ω（图9a）和8:1驻波比（图9b）的情况下的热性能。热图像是在部件暴露在这种条件下1分钟后拍摄的。驻波比显示的是最差的条件，就功率耗散而言，它发生在低阻抗状态。相反，在峰值电压最差的条件下，由于GaN器件特有的高击穿电压，温度要低得多，可以轻松承受。

图 9：TGSP2520DE 开关与 50Ω匹配时的温度曲线（a）、8:1的驻波比（b）。

总结：通过使用泰高技术的氮化镓射频前端芯片，证明了使用GaN开关的高功率前端的可行性。在专网通信和基站射频链路中，GaN射频开关成功解决与电路板空间和SWaP相关的重要问题。相比于传统的PIN二极管开关，GaN开关简化了相关的复杂性，并且实现了设计的可移植性，这特别对于大规模的mMIMO和相控阵来说至关重要。随着技术的不断进步和FOM改善，新一代的GaN开关将为许多应用带来更多机遇，包括大功率可调谐匹配电路、可调谐天线和可调谐滤波器。

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