射频开关用在哪些方面
喜欢射频的朋友们应该都知道，射频开关是一种能够让手机在不同射频信号通路之间切换的器件,它就好像是信号的“桥梁”,不断将信号通路连接或切换。在你拿着手机打电话或者上网时，你可能不会想到，在手机里有种小小的射频器件，在以每秒钟近千次的速度快速切换，帮助你享受到高速、低延迟、高清晰度的通信服务。这个小器件就是射频开关（rf switch）。
射频开关是一种能够让手机在不同射频信号通路之间切换的器件，它就好像是信号的“桥梁”，不断将信号通路连接或切换。射频开关应用的范围也很广泛，在2g/3g/4g/5g蜂窝通信系统、wi-fi、蓝牙、gps等系统中，均是不可或缺的器件。
和家里电灯开关一样，对于射频开关来说，只有“打开”、“关闭”两种状态，功能非常简约。但这种简约的功能背后，却隐藏着复杂而精妙的设计思路，以及不简单的技术挑战。
本文将从目前手机中最常用的开关：soi开关出发，讨论“简约而不简单”的射频开关设计。
一、射频开关：功能简约
功能简约
正如其名称一样，开关的功能就是“开”和“关”。射频开关也不例外，射频开关是工作在射频频段的开关，其功能就是控制射频信号的“通”与“断”。
目前手机中应用最广泛的是半导体器件开关，如rf-soi开关，phemt开关等。这些半导体开关的功能与普通的电气开关相同，符号表示也一致。
应用简约
在射频系统中，射频开关扮演着重要的角色。射频开关的主要功能有：
频段选择：使信号在多个不同的射频通路间切换
收发切换：在tdd（时分双工）系统中，完成接收与发射的切换
天线切换：在多天线系统中，使信号在不同天线间切换
我们都知道，射频开关器件大量分布在射频前端系统中，在天线切换层、频段开关层及子路径实现层中需要用到多个射频开关器件。
评价简约
开关的评价也非常简约：开启的时候能量尽可能多的传过去；关闭的时候能量尽可能少的漏过来。
开关有两种工作状态，分别是“开启on”和“关闭off”。对于半导体晶体管制作的开关，晶体管在on状态可近似等效为一个电阻，这个电阻的阻值就被定义为ron；晶体管在off状态时可近似等效为一个电容，这个电容就被定义成coff。这就是衡量开关本征性能的两个最重要参数：ron与coff参数的来源。
在on状态下，由于ron是串接在射频通路中，所以ron就决定了开关损耗的大小；而在off状态下，coff的存在会造成信号的泄露，所以coff决定了开关隔离的大小。ron与coff两个参数都是越小越好。
在晶体管作为开关的设计中，还有一个非常有意思的特性，即ron与coff的乘积是定值。理解起来也比较直观：当设计中想要用多个晶体管并联来实现低的串联电阻时，ron会呈倍数的减小，但因为是晶体管的并联，这时coff却会呈倍数的增加。二者的乘积始终不变。
这一特性也使得ron*coff成为衡量开关特性的简约衡量指标，评价一个工艺作为开关使用的优劣，不论取什么尺寸的晶体管，只需要将其ron与coff相乘，就可以得到其特性参数。
由于ron与coff乘积决定了开关插损与泄露能量的大小，所以在设计低插损、高隔离开关时，应尽量选择低ron与coff乘积的半导体工艺。
二、射频开关：做好不简单
虽然对于一个射频来说，功能、应用评价都非常简约、直观，但想要将开关做好却并不容易。主要原因在于射频系统越来越复杂，对于“架桥铺路”功能的射频开关也提出了越来越高的要求：
1. 发射通路上的开关必须要承载大功率的通过
2. 切换速度要足够的快
3. 复杂系统下，开关的“刀”和“掷”数目激增
这就像是将原来只负责通过40公里时速小车的一分二岔路口，变成大型立交桥，并且还需要保证重型大车以120公里时速的快速通过。这对“立交桥”设计提出了极高的要求。
大功率的处理
根据yole的预测，至2023年，全球手机市场所用到的开关主要集中于soi与mems两种工艺，并且soi会是绝对的主流工艺。
除了mems之外，可以用于手机的工艺还有很多，比如半导体工艺中的gaas phemt、gaas fet等，这些工艺在微波毫米波、卫星通信等有广泛应用。另外，普通cmos工艺也可以用于低频、高插损的开关设计。soi之所以能够从这些工艺中竞争胜出，还是因为其作为开关使用时的重要优势：
低插入损耗：soi开关具有低阻抗和低电容，可以减少rf路径中的信号衰减和功耗；
宽带宽：soi开关可以在很宽的频率范围内工作，从9 khz到44 ghz甚至更高，这使得它们能够支持多种标准和频段；
cmos兼容的正极控制接口：soi开关可以与cmos逻辑电路轻松集成，并由正电压信号控制，这简化了设计并降低了成本；
坚固的esd保护：soi开关在所有引脚上设计具有高esd耐受性电路，这增强了rf系统的可靠性和耐用性。
与soi相比，gaas phemt开关虽然具有良好的线性度和隔离度，以及低的通态电阻和截止电容。但它们需要负的栅极电压、有限的集成能力和低的esd保护，并且gaas phemt工艺价格高，不利于低成本规模应用。这些都使得soi可以实现射频开关后，迅速将gaas phemt等工艺取代。
但soi进军开关市场的路径也并不顺利，soi需要解决的首要问题就是功率问题。
对于手机来说，发射通路中的功率一般在1w量级附近，对于50 ohm系统来说，射频摆幅会到10v以上，考虑到负载变化带来的影响，这个电压甚至可能会超过20v。而soi中的mosfet器件击穿电压只有2v左右，功率耐受在最初的时候成为soi在手机开关应用中的最大问题。
但这并不是技术不可以解决的问题，一些soi的先驱厂商的工程师做了聪明的尝试
需要说明的是，以上分析均是假定开关几个叠管之间可以完美的将功率进行均分，但在实际设计中，想要控制电压均匀分布也不是易事，需要仔细设计偏置电路，并将寄生效应完整考虑进来。否则虽然设计上进行了叠管设计，但很有可能对于应对大功率无济于事。
如果在大功率方面处理不好，很好可能造成开关烧毁，造成不可恢复的可靠性问题。所以开关的大功率问题，是开关设计不简单的首要注意问题。
切换速度的处理
为了实现更优的射频体验，5g引入了很多新特性。比如更灵活的子载波配置、天线轮发系统等，这些功能都对开关的切换时间有了进一步要求。在4g时代，开关切换时间的设计目标一般在2us左右，但在5g系统中，这个设计目标已经降低到0.5us以下。
快速切换给开关设计提出了很高的要求。在开关设计中，切换速度的提升主要通过在偏置电路中的优化实现。比如可以通过以下方式来提升开关切换速度：
1. 优化控制逻辑拓扑，简化控制路径
2. 提升控制电路驱动能力，快速实现控制信号的切换
3. 优化偏置电路，缩短控制信号充放电时间
为了实现更高的切换速度，一些创新的方法也被引入进来。比如文献中提出，可以在开关切换的过程中，可以将用于隔离射频与偏置的偏置电阻暂时切除，以达到快速控制切换的目的。在切换完成后，再将偏置电阻补充回来，保证射频性能不受影响。
偏置电路的优化需要结合射频性能进行，速度的提升需要建立在射频性能尽量不受影响的基础上。开关速度的处理是开关设计中另外一个不简单的问题。
复杂架构的处理
在从“岔路口”到“立交桥”的演进过程中，开关的拓扑结构越来越复杂，由此也带来一系列的设计问题。比如其他支路的寄生处理、多支路之间的耦合、多通道同时开启的相互影响等。这些问题都给5g手机开关带来挑战。
开关一般用“刀”和“掷”来定义架构。刀的英文是的英文名称是pole，简称p，指开关中的活动刀轴；掷的英文名称是throw，简称t，指开关的活动刀头可以通向的触点数目。
比如，1p2t开关，指的就是开关有1个活动刀轴，可以通向2个通路；而2p6t，指的就是开关有2个活动刀轴，可以通向6个通路。在日常开关使用中，“1”也被称为single，“2”也被称为double，以1p2t与2p6t开关为例子，日常也被称为spdt，与dp6t。
在复杂射频系统中，开关拓扑主要会被扩展为多t、多p与多通三种类型，接下来我们主要讲一下多通处理。
多通处理
多通（multi-on）是指开关的两个或者两个以上支路可以同时打开。
多通需求的原因是因为手机载波聚合（carrier aggregation，ca）以及4g/5g双连接（lte/nr-dual connection，en-dc）的需求。这些需求中需要两个射频通道同时工作，所以就需要开关支持多通功能。
开关的双通道打开也对开关提出了新的需求，首先需要开关可以处理好两个频段之间的干扰问题，同时还需要使两频段间的工作状态尽量少的相互影响。
以上框图为互相独立的两个射频通路间同时打开，在5g的系统架构中，有时还需要将同一个开关口同时连接到不同的输出口，这对开关设计提出了新的要求。
以上开关的复杂架构演进，也让开关设计不再简单。
总结
在射频前端的四大件中，和pa、lna、滤波器比起来，射频开关看起来是最简约、最常见的器件，也经常被人们认为是最简单的射频器件。
但射频开关也是应用场景最为复杂的器件，不管是在复杂射频系统构建、还是在射频通路切换中，都可以看到射频开关的身影。不同系统需求下，对开关的要求也是千差万别。要应对好不同场景下的需求，开关设计并不简单。
随着5g的到来，射频前端系统越来越复杂，射频开关也在5g系统构建中大显身手。随着对射频性能要求的提升，以及未来6g的到来，开关应用会更加广泛。
在开关设计中，了解开关的应用场景，有的放矢，才可以选择合适的开关设计。
中国联通5G终端“朋友圈”了不得
汽车音响改装须知
了解移动通信技术给相关产业带来的发展情况
陆奇转身离开，将会给百度带来什么样的损失？
赛灵思加速驾驶员辅助系统开发
射频开关用在哪些方面
英特尔下一代10nm制程处理器将搭载于Gen 12核心显卡上
详谈基于RFID技术的识别管理系统方案
人工智能助力寻找失踪人口 但仍有难点急需解决
兆易创新为嵌入式产品提供丰富的存储解决方案
台积电回应称美国目前并没有改变半导体规则
实用的自动延时照明开关电路
三星二季度利润增长53%，但芯片库存几乎耗尽
禹山紫外荧光法CDOM-fDOM传感器
行程开关正反转电路原理详解
一大波全面屏手机来袭 但这款VR手机却更值得期待
霍尼韦尔全新飞行管理软件升级获 FAA 批准
宁波诞生了首家物联网医院——宁波大学医学院附属医院
小米11雷军签名版将于1月1日首发
我国餐饮行业进入数智化转型的时代
射频开关是一种能够让手机在不同射频信号通路之间切换的器件，它就好像是信号的“桥梁”，不断将信号通路连接或切换。射频开关应用的范围也很广泛，在2g/3g/4g/5g蜂窝通信系统、wi-fi、蓝牙、gps等系统中，均是不可或缺的器件。
和家里电灯开关一样，对于射频开关来说，只有“打开”、“关闭”两种状态，功能非常简约。但这种简约的功能背后，却隐藏着复杂而精妙的设计思路，以及不简单的技术挑战。
本文将从目前手机中最常用的开关：soi开关出发，讨论“简约而不简单”的射频开关设计。
一、射频开关：功能简约
功能简约
正如其名称一样，开关的功能就是“开”和“关”。射频开关也不例外，射频开关是工作在射频频段的开关，其功能就是控制射频信号的“通”与“断”。
目前手机中应用最广泛的是半导体器件开关，如rf-soi开关，phemt开关等。这些半导体开关的功能与普通的电气开关相同，符号表示也一致。
应用简约
在射频系统中，射频开关扮演着重要的角色。射频开关的主要功能有：
频段选择：使信号在多个不同的射频通路间切换
收发切换：在tdd（时分双工）系统中，完成接收与发射的切换
天线切换：在多天线系统中，使信号在不同天线间切换
我们都知道，射频开关器件大量分布在射频前端系统中，在天线切换层、频段开关层及子路径实现层中需要用到多个射频开关器件。
评价简约
开关的评价也非常简约：开启的时候能量尽可能多的传过去；关闭的时候能量尽可能少的漏过来。
开关有两种工作状态，分别是“开启on”和“关闭off”。对于半导体晶体管制作的开关，晶体管在on状态可近似等效为一个电阻，这个电阻的阻值就被定义为ron；晶体管在off状态时可近似等效为一个电容，这个电容就被定义成coff。这就是衡量开关本征性能的两个最重要参数：ron与coff参数的来源。
在on状态下，由于ron是串接在射频通路中，所以ron就决定了开关损耗的大小；而在off状态下，coff的存在会造成信号的泄露，所以coff决定了开关隔离的大小。ron与coff两个参数都是越小越好。
在晶体管作为开关的设计中，还有一个非常有意思的特性，即ron与coff的乘积是定值。理解起来也比较直观：当设计中想要用多个晶体管并联来实现低的串联电阻时，ron会呈倍数的减小，但因为是晶体管的并联，这时coff却会呈倍数的增加。二者的乘积始终不变。
这一特性也使得ron*coff成为衡量开关特性的简约衡量指标，评价一个工艺作为开关使用的优劣，不论取什么尺寸的晶体管，只需要将其ron与coff相乘，就可以得到其特性参数。
由于ron与coff乘积决定了开关插损与泄露能量的大小，所以在设计低插损、高隔离开关时，应尽量选择低ron与coff乘积的半导体工艺。
二、射频开关：做好不简单
虽然对于一个射频来说，功能、应用评价都非常简约、直观，但想要将开关做好却并不容易。主要原因在于射频系统越来越复杂，对于“架桥铺路”功能的射频开关也提出了越来越高的要求：
1. 发射通路上的开关必须要承载大功率的通过
2. 切换速度要足够的快
3. 复杂系统下，开关的“刀”和“掷”数目激增
这就像是将原来只负责通过40公里时速小车的一分二岔路口，变成大型立交桥，并且还需要保证重型大车以120公里时速的快速通过。这对“立交桥”设计提出了极高的要求。
大功率的处理
根据yole的预测，至2023年，全球手机市场所用到的开关主要集中于soi与mems两种工艺，并且soi会是绝对的主流工艺。
除了mems之外，可以用于手机的工艺还有很多，比如半导体工艺中的gaas phemt、gaas fet等，这些工艺在微波毫米波、卫星通信等有广泛应用。另外，普通cmos工艺也可以用于低频、高插损的开关设计。soi之所以能够从这些工艺中竞争胜出，还是因为其作为开关使用时的重要优势：
低插入损耗：soi开关具有低阻抗和低电容，可以减少rf路径中的信号衰减和功耗；
宽带宽：soi开关可以在很宽的频率范围内工作，从9 khz到44 ghz甚至更高，这使得它们能够支持多种标准和频段；
cmos兼容的正极控制接口：soi开关可以与cmos逻辑电路轻松集成，并由正电压信号控制，这简化了设计并降低了成本；
坚固的esd保护：soi开关在所有引脚上设计具有高esd耐受性电路，这增强了rf系统的可靠性和耐用性。
与soi相比，gaas phemt开关虽然具有良好的线性度和隔离度，以及低的通态电阻和截止电容。但它们需要负的栅极电压、有限的集成能力和低的esd保护，并且gaas phemt工艺价格高，不利于低成本规模应用。这些都使得soi可以实现射频开关后，迅速将gaas phemt等工艺取代。
但soi进军开关市场的路径也并不顺利，soi需要解决的首要问题就是功率问题。
对于手机来说，发射通路中的功率一般在1w量级附近，对于50 ohm系统来说，射频摆幅会到10v以上，考虑到负载变化带来的影响，这个电压甚至可能会超过20v。而soi中的mosfet器件击穿电压只有2v左右，功率耐受在最初的时候成为soi在手机开关应用中的最大问题。
但这并不是技术不可以解决的问题，一些soi的先驱厂商的工程师做了聪明的尝试
需要说明的是，以上分析均是假定开关几个叠管之间可以完美的将功率进行均分，但在实际设计中，想要控制电压均匀分布也不是易事，需要仔细设计偏置电路，并将寄生效应完整考虑进来。否则虽然设计上进行了叠管设计，但很有可能对于应对大功率无济于事。
如果在大功率方面处理不好，很好可能造成开关烧毁，造成不可恢复的可靠性问题。所以开关的大功率问题，是开关设计不简单的首要注意问题。
切换速度的处理
为了实现更优的射频体验，5g引入了很多新特性。比如更灵活的子载波配置、天线轮发系统等，这些功能都对开关的切换时间有了进一步要求。在4g时代，开关切换时间的设计目标一般在2us左右，但在5g系统中，这个设计目标已经降低到0.5us以下。
快速切换给开关设计提出了很高的要求。在开关设计中，切换速度的提升主要通过在偏置电路中的优化实现。比如可以通过以下方式来提升开关切换速度：
1. 优化控制逻辑拓扑，简化控制路径
2. 提升控制电路驱动能力，快速实现控制信号的切换
3. 优化偏置电路，缩短控制信号充放电时间
为了实现更高的切换速度，一些创新的方法也被引入进来。比如文献中提出，可以在开关切换的过程中，可以将用于隔离射频与偏置的偏置电阻暂时切除，以达到快速控制切换的目的。在切换完成后，再将偏置电阻补充回来，保证射频性能不受影响。
偏置电路的优化需要结合射频性能进行，速度的提升需要建立在射频性能尽量不受影响的基础上。开关速度的处理是开关设计中另外一个不简单的问题。
复杂架构的处理
在从“岔路口”到“立交桥”的演进过程中，开关的拓扑结构越来越复杂，由此也带来一系列的设计问题。比如其他支路的寄生处理、多支路之间的耦合、多通道同时开启的相互影响等。这些问题都给5g手机开关带来挑战。
开关一般用“刀”和“掷”来定义架构。刀的英文是的英文名称是pole，简称p，指开关中的活动刀轴；掷的英文名称是throw，简称t，指开关的活动刀头可以通向的触点数目。
比如，1p2t开关，指的就是开关有1个活动刀轴，可以通向2个通路；而2p6t，指的就是开关有2个活动刀轴，可以通向6个通路。在日常开关使用中，“1”也被称为single，“2”也被称为double，以1p2t与2p6t开关为例子，日常也被称为spdt，与dp6t。
在复杂射频系统中，开关拓扑主要会被扩展为多t、多p与多通三种类型，接下来我们主要讲一下多通处理。
多通处理
多通（multi-on）是指开关的两个或者两个以上支路可以同时打开。
多通需求的原因是因为手机载波聚合（carrier aggregation，ca）以及4g/5g双连接（lte/nr-dual connection，en-dc）的需求。这些需求中需要两个射频通道同时工作，所以就需要开关支持多通功能。
开关的双通道打开也对开关提出了新的需求，首先需要开关可以处理好两个频段之间的干扰问题，同时还需要使两频段间的工作状态尽量少的相互影响。
以上框图为互相独立的两个射频通路间同时打开，在5g的系统架构中，有时还需要将同一个开关口同时连接到不同的输出口，这对开关设计提出了新的要求。
以上开关的复杂架构演进，也让开关设计不再简单。
总结
在射频前端的四大件中，和pa、lna、滤波器比起来，射频开关看起来是最简约、最常见的器件，也经常被人们认为是最简单的射频器件。
但射频开关也是应用场景最为复杂的器件，不管是在复杂射频系统构建、还是在射频通路切换中，都可以看到射频开关的身影。不同系统需求下，对开关的要求也是千差万别。要应对好不同场景下的需求，开关设计并不简单。
随着5g的到来，射频前端系统越来越复杂，射频开关也在5g系统构建中大显身手。随着对射频性能要求的提升，以及未来6g的到来，开关应用会更加广泛。
在开关设计中，了解开关的应用场景，有的放矢，才可以选择合适的开关设计。
中国联通5G终端“朋友圈”了不得
汽车音响改装须知
了解移动通信技术给相关产业带来的发展情况
陆奇转身离开，将会给百度带来什么样的损失？
赛灵思加速驾驶员辅助系统开发
射频开关用在哪些方面
英特尔下一代10nm制程处理器将搭载于Gen 12核心显卡上
详谈基于RFID技术的识别管理系统方案
人工智能助力寻找失踪人口 但仍有难点急需解决
兆易创新为嵌入式产品提供丰富的存储解决方案
台积电回应称美国目前并没有改变半导体规则
实用的自动延时照明开关电路
三星二季度利润增长53%，但芯片库存几乎耗尽
禹山紫外荧光法CDOM-fDOM传感器
行程开关正反转电路原理详解
一大波全面屏手机来袭 但这款VR手机却更值得期待
霍尼韦尔全新飞行管理软件升级获 FAA 批准
宁波诞生了首家物联网医院——宁波大学医学院附属医院
小米11雷军签名版将于1月1日首发
我国餐饮行业进入数智化转型的时代