中心論題：

• 多頻手機對開關技術要求
• 射頻開關的設計要求

解決方案：

• 射頻開關要求具有低插損、高隔離和線性度特點
• 使用UltraCMOS製造的開關應對多頻手機體積縮小的挑戰

xianzaishoujizhongdeshepinxinhaotongdaoyuelaiyueyongji。fengwodianhuayijingcongshuangpinxiangsanpinshenzhisipinkuaisufazhan。zhexiefuzashoujihaixuyaochulilaiziwaiweiwuxianshebeidegezhongxinhao
，rulanya
、Wi-Fi和GPS。而隨著WiMAX和LTE(4G)的加入，這種複雜度將越來越高。在移動電話中，天線開關控製著天線接入所有這些無線信號，實質上起著網守的作用。

多(duo)頻(pin)手(shou)機(ji)設(she)計(ji)麵(mian)臨(lin)著(zhe)很(hen)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，因(yin)為(wei)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao)工(gong)作(zuo)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)帶(dai)寬(kuan)，而(er)且(qie)它(ta)們(men)都(dou)需(xu)要(yao)接(jie)入(ru)天(tian)線(xian)。為(wei)了(le)取(qu)得(de)最(zui)優(you)的(de)性(xing)能(neng)和(he)外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)，它(ta)們(men)最(zui)好(hao)能(neng)通(tong)過(guo)單(dan)個(ge)射(she)頻(pin)開(kai)關(guan)接(jie)入(ru)天(tian)線(xian)。對(dui)開(kai)關(guan)製(zhi)造(zao)商(shang)來(lai)說(shuo)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)從(cong)單(dan)刀(dao)四(si)擲(zhi)(SP4T)相應發展到SP7T甚至SP9T配置才能處理越來越多的信號。這種先進的開關需要能夠處理由寬帶CDMA(WCDMA)和低功率I/O無線設備帶來的額外移動通信頻段的接入。

可(ke)以(yi)預(yu)期(qi)的(de)是(shi)，手(shou)機(ji)複(fu)雜(za)性(xing)會(hui)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)，要(yao)求(qiu)能(neng)夠(gou)處(chu)理(li)更(geng)多(duo)頻(pin)段(duan)的(de)信(xin)號(hao)。市(shi)場(chang)將(jiang)至(zhi)少(shao)標(biao)準(zhun)化(hua)七(qi)個(ge)頻(pin)段(duan)，並(bing)且(qie)要(yao)留(liu)出(chu)一(yi)個(ge)空(kong)間(jian)給(gei)第(di)八(ba)個(ge)頻(pin)段(duan)(LTE)使用。即使今後發生合並，射頻電路中由於合並留出的空間也會很快被越來越流行的、也需要接入天線的外圍無線電設備和功能所擠占。

為了支持互聯網、多媒體和視頻，3G移動手機市場已經轉向WCDMA。相應的GSM也演變成GSM/WCDMA雙模技術。為了滿足全球需求，目前的GSM手機最多有4個發送(Tx)和4個接收(Rx)通道。增加WCDMA後每個新的頻段都要增加另外一個Tx/Rx通道。目前的移動手機設計傾向於采用4xGSM(850

、900
、1800
、1900MHz)和3xWCDMA(850、1900、2100MHz)前端。因此
，手機複雜度已經達到空前的水平。

多(duo)頻(pin)手(shou)機(ji)中(zhong)的(de)任(ren)何(he)設(she)計(ji)折(zhe)中(zhong)都(dou)要(yao)求(qiu)滿(man)足(zu)或(huo)超(chao)過(guo)所(suo)有(you)標(biao)準(zhun)提(ti)到(dao)的(de)性(xing)能(neng)等(deng)級(ji)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)，多(duo)模(mo)多(duo)頻(pin)的(de)移(yi)動(dong)手(shou)機(ji)使(shi)用(yong)單(dan)個(ge)功(gong)放(fang)模(mo)塊(kuai)來(lai)處(chu)理(li)四(si)頻(pin)GSM/EDGE信號。另一方麵，每個WCDMA頻段需要使用它自己的獨立功放。因此
，具有一個WCDMA頻段的四頻GSM手機至少需要一個單刀六擲(SP6T)開關來管理所有的信號通道。當然，設計師也可以使用一個雙工器和兩個SP3T(流行的GaAs配置)，但與使用單個SP6T開關相比這種方法將產生較高的插入損耗。

射頻設計師需要特別關注插入損耗，因為它直接影響功放的功率附加效率(PAE)。GSM功放的最大飽和功率一般是3W，平均PAE是55%。必需達到這個效率水平才能確保較長的電池使用時間，因為手機總電流的一半用在功放上。鑒於此，設計師需要將保持功放的PAE定在最高優先等級。一些早期的多頻WCDMA/GSM手機使用獨立的WCDMA和GSM信(xin)號(hao)鏈(lian)，並(bing)采(cai)用(yong)獨(du)立(li)的(de)天(tian)線(xian)和(he)無(wu)線(xian)設(she)計(ji)。盡(jin)管(guan)這(zhe)種(zhong)方(fang)案(an)在(zai)原(yuan)型(xing)和(he)第(di)一(yi)代(dai)設(she)計(ji)中(zhong)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)，但(dan)市(shi)場(chang)需(xu)要(yao)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)性(xing)價(jia)比(bi)且(qie)節(jie)省(sheng)空(kong)間(jian)的(de)方(fang)案(an)。顯(xian)然(ran)，業(ye)界(jie)要(yao)求(qiu)集(ji)成(cheng)式(shi)ASM能夠處理7個甚至9個信號。 

 
圖1：IP3與器件的三階交調失真(IMD3)性能有關。

針對這個需求，業界開發出了SP7T開關來支持具有1個WCDMA和4個GSM頻段的手機架構。例如PE42672就是采用UltraCMOS工藝技術開發的單片SP7T，它能提供+68dBm的三階交調截取點(IP3)，這個線性度性能值可以滿足3GPP IMD3規範兼容的手機設計和高效的射頻前端要求。IP3與設備的三階交調失真(IMD3)性能相互關聯，這些相位上的指標如圖1所示。

SP6T開關是開關架構方麵的最新成果之一。經過配置它可以處理多個頻段的WCDMA
、GSM和外圍無線設備。例如圖2所示的開關可以處理三頻段的WCDMA，並提供到雙工器和3個功放模塊的通道(每個WCDMA頻段要求使用自己的功放和雙工器)。這個開關還能處理隻有單個功放模塊與之相連的四頻GSM/EDGE(包含2個功放芯片)。從實際效果看，這個設備必須通過受簡單解碼器控製的單個開關傳送5個高功率信號。 

 
圖2：SP9T正在處理三頻段的WCDMA，它提供了到達雙工器和三個功放模塊的通道。

隨sui著zhe多duo頻pin段duan架jia構gou的de普pu及ji
，對dui功gong放fang和he相xiang關guan濾lv波bo器qi的de數shu量liang提ti出chu了le嚴yan格ge的de要yao求qiu。事shi實shi上shang，對dui功gong放fang的de技ji術shu要yao求qiu沒mei有you變bian化hua，但dan手shou機ji設she計ji需xu要yao使shi用yong更geng多duo的de功gong放fang。因yin此ci真zhen正zheng改gai變bian的de是shi需xu要yao一yi個ge特te別bie高gao效xiao的de方fang法fa將jiang所suo有you射she頻pin信xin號hao傳chuan送song給gei天tian線xian-單片開關。

手機中增加的頻段越多，對開關的技術要求就越高，而且WCDMA的線性度和諧波要求對器件性能也帶來了很大的壓力。通過利用UltraCMOS製造工藝的線性優勢，圖2中的單片PE42693 SP6T可以保持其前代SP7T開關+68dBm的IP3，而且IMD3性能超過業界標準的-105dBm(圖1)。

SP6T功能可以用GaAs器件實現，但它需要額外的器件，例如CMOS譯碼器和驅動器，這將極大地影響所需I/O的數量。對要求高度線性和隔離的5個高功率端口來說挑戰尤其艱巨，因為I/O數量越多
，線的耦合和粘合的可能性就越大。 

 
圖3：UltraCMOS SP9T不需要片外ESD器件或線性度增強匹配器件。黃框代表譯碼器，藍框代表ESD，綠框代表電壓生成器。

隨著多頻段手機越來越流行，對高集成度
、小型天線開關的需求也越來越迫切。UltraCMOS SP7T開關現在已經開始批量生產，SP9T也在2007年底投入批量生產。在外形方麵，GaAs SP7T為1.6x1.5mm
，而采用SOS工藝SP7T開關隻有1.2x1.0mm，麵積縮小了一半。目前的GaAs E/D pHemt或J-pHemt SP9T開關外形尺寸為1.9x1.5mm。與之相比
，采用UltraCMOS 0.5μm工藝製造的SP9T外形尺寸為1.7x1.1mm(圖3)
，它不需要片外ESD器件和性能增強匹配器件。UltraCMOS發展規劃預計0.25μm版本的SP9T尺寸將達到1.32x1.29mm。

縮小尺寸的另外一種方式是將開關倒裝在結實的低溫共燒陶瓷(LTCC)基底上
，無需占用以前線綁定所需的麵積。目前晶圓級芯片尺寸封裝正在開發中
，它所生產的UltraCMOS開關可以如同標準表貼封裝那樣處理。
 
在使用UltraCMOS製造的開關後
，設計師可以省去其它開關技術要用到的譯碼器、隔直電容和雙工器。配合芯片尺寸封裝技術，這種工藝可以顯著減小ASM的尺寸和厚度。另外，其固有的ESD容差和單片CMOS接口可以簡化實現和使用。UltraCMOS工藝的極高良品率和增加開關方向的靈活性可以使未來新一代的手機具有更高的集成度，能夠解決多頻段手機體積縮小所帶來的挑戰。

多模多頻段GSM/WCDMA手機的技術要求已經超過了傳統RFIC技術(如GaAs)的極限。受這些超高性能要求影響最嚴重的是天線和射頻開關。

雖然本文主要討論的是天線開關
，但關鍵是要認識到對係統天線的顯著影響。天線必須能夠高效輻射從800到2200MHz的(de)信(xin)號(hao)
，在(zai)微(wei)型(xing)天(tian)線(xian)允(yun)許(xu)的(de)外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)下(xia)這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)相(xiang)當(dang)艱(jian)巨(ju)的(de)任(ren)務(wu)。目(mu)前(qian)業(ye)界(jie)正(zheng)在(zai)尋(xun)找(zhao)新(xin)的(de)技(ji)術(shu)來(lai)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)，考(kao)慮(lv)到(dao)天(tian)線(xian)匹(pi)配(pei)問(wen)題(ti)


，可(ke)能(neng)使(shi)用(yong)開(kai)關(guan)和(he)集(ji)總(zong)調(tiao)諧(xie)元(yuan)件(jian)。總(zong)之(zhi)，射(she)頻(pin)開(kai)關(guan)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)切(qie)換(huan)最(zui)多(duo)9條大功率射頻信號通道，並且要具有低插損
、高隔離和線性度。