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氮化镓射频开关在高功率射频设计中的应用

Manish Shah，Tagore Technology Inc.

在大功率射频前端（RFFE）设计中，PIN二极管技术一直是射频开关的历史选择。这种技术是足够的，因为频段的数量是有限的，而且电路板的空间也不是一个制约因素。然而，现代高功率基站和军事通信射频链路需要覆盖许多频段，以满足安全语音和数据通信的需求，同时优化SWaP。

在mMIMO架构的推动下，5G基站远端射频头（RRH）的结构正变得极为复杂，许多RFFE必须在有限的电路板空间内实现。RRH通常安装在高高的柱子上，这在总尺寸和重量方面增加了额外的限制，以方便基站设备的安装和维护。RFFE的效率和总功耗对于管理总热耗散也很关键。降低前端滤波器和射频开关的损耗有助于减少总功耗，放宽散热要求，也减少了RFFE的尺寸和重量。

大功率相控阵雷达就像5G基站一样，需要在有限的电路板空间内集成许多RFFE。由于需要复杂的偏置方案和众多的无源元件，用传统的PIN二极管开关实现多频段和分布在大频率范围内的多个RFFE已经变得非常困难。新的射频开关技术可以帮助解决许多这些问题。

军事通信RFFE的要求

图1表示军事通信射频链路的典型双功率放大器（PA）RFFE。双功率放大器通常采用基于GaN的功率放大器，覆盖30MHz至2.6GHz。在许多专有的军用软件定义射频中，连续的频率覆盖是必不可少的，覆盖30MHz至2.6GHz，为6.5倍频程带宽；因此，理论上至少需要七个频段。

图1 军事通信射频链路的双功放前端。

然而，一个谐波滤波器需要一个保护带，以达到对带内频率低端的二次谐波的最小抑制要求。例如，如图2所示，第一个频段不能是30至60MHz，或一个倍频程，因为30MHz的二次谐波落在这个频段内。第一频段必须是30到50MHz，假设有10MHz的保护带，才能达到预期的滤波抑制效果，以满足谐波抑制的要求。

图2 军事射频链路的谐波滤波器要求。

由于有一个至少10MHz的保护带，频率范围必须分成8个不连续的频段，才能有从30MHz到2.6MHz的连续覆盖。其中，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，并将信号合并，再次通过谐波滤波器后，将其路由到天线。射频开关的性能对射频链路的整体性能至关重要。

开关插入损耗是减少总功耗的最重要因素之一。较低的开关插入损耗也减少了功率放大器所需的总功率。功率放大器输出功率的减少降低了其直流电能消耗。减少功率，从而减少总的热耗散，也有助于减少散热器的尺寸，这反过来又有助于减少射频组件的总尺寸和重量，这在许多军事通信应用中也非常重要。

第二个关键因素是开关的谐波性能，特别是在谐波滤波器之后使用的开关。陆地移动/专用移动射频链路（LMR/PMR）被规定在额定功率下满足75至80dBc的谐波要求。放大器为了获得更高的效率而深入饱和运行，其中谐波水平在10到20dBc之间。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。

对于军用射频链路，在谐波滤波器之后使用的开关没有谐波滤波器抑制的好处，因此其谐波性能需要优于总体要求，以满足总发射（Tx）要求。根据PA+滤波器的谐波性能，开关的谐波性能必须优于80dBc，以满足监管要求。

图1还显示了与开关隔离有关的另一个关键问题。低频开关的隔离度通常很高，所以它不是一个问题；然而，它可能会对高频段造成问题。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。2GHz路径的谐波滤波器不提供任何抑制，因此组合输入和输出开关隔离必须高于谐波滤波器提供的抑制，以满足整体谐波要求。

基站和雷达RFFE的要求

图3显示了一个典型的基站或RRH。现代5G基站使用mMIMO进行电子波束导向，根据阵列中发射器和接收器的数量，需要许多RFFE。高功率相控阵雷达也使用类似的架构。

图3 RRH前端。

在这两种应用中，射频开关提供了一个故障-保护功能，在天线出现不良驻波比的情况下保护接收器。在VSWR不佳的情况下，由于损坏或物体，如鸟类阻挡了部分天线孔径，发射功率会反射到射频链路。在没有故障-保护开关的情况下，高反射功率可能会损坏敏感的接收器。在接收（Rx）链路中增加一个故障-保护开关可解决这个问题。

故障-保护开关在Rx时隙被切换到Rx端口，在Tx时隙被切换到Tx端口。在Tx期间出现高驻波比的情况下，开关将来自天线的反射功率通过一个环行器传送到连接在开关的Tx端口的50Ω负载，从而保护接收器免受高功率的影响。

故障-保护应用的关键射频开关的要求是Rx的低插入损耗和Tx的高功率处理能力。在Rx时隙，开关落在Rx路径上，因此它的损耗直接影响到整体的噪声，从而影响到接收器的灵敏度。在Tx期间，开关必须在VSWR不佳的情况下处理最大的发射功率，并向Rx端口提供高隔离度。

系统的设计是为了检测不良的驻波比，然而开关必须处理高功率，直到系统检测到故障并降低Tx功率或关闭发射器。这个时间段通常是在系统做出反应之前的10秒，因此开关需要在这个时间段内处理高功率而不损坏。

典型的隔离度从25到35dB不等，取决于发射器的最大峰值功率和低噪声放大器的最大功率处理能力。基站应用的开关时间要求是小于1秒。对于雷达来说，开关时间的要求更为严格，因为它直接影响到雷达探测范围。

GaN射频开关技术

GaN在高功率功率放大器中的优势是众所周知的。宽带隙GaN器件由于其高击穿电压和高载流子密度而具有高功率密度。GaN在大功率开关技术方面的优势并不为人所知；然而，GaN改善功率放大器性能的特性也适用于实现卓越的大功率射频开关。

如图4所示，对用于高功率射频开关的射频器件有两个要求：射频开关的ON臂必须处理非常高的射频电流，而OFF臂必须处理非常大的射频电压。表1列出了射频开关的峰值射频电压和电流要求与射频功率的关系。

图4 GaN射频开关。

例如，在一个50Ω的系统中产生的10W射频功率产生32V的峰值电压和600mA的峰值电流。在4:1的驻波比下，在典型的射频前端部分，开关必须处理超过50V和1A的峰值电压和电流。对于产生的100W射频功率，开关必须处理160V的峰值电压和3.2A的峰值电流。因此，射频开关必须处理高电压和高电流。

高性能、高功率开关的另一个重要参数是FoM (figure of merit) (Ron*Coff/V_BV)。Ron是开关的导通电阻，Coff是关断电容，V_BV是击穿电压。FOM越小，技术就越优越。Tagore的第二代GaN技术的FoM为3 fs/V。随着技术的成熟和改进，新一代的FoM应进一步提高，使开关性能得到进一步改善。

GaN与PIN二极管射频开关的比较

Tagore的GaN射频开关采用耗尽模式GaN HEMT技术。具有高击穿电压的GaN HEMT的饱和电流接近1 A/mm，因此理论上2至3毫米的器件可以满足50Ω系统中100W功率的峰值电流要求。开关功能就像绝缘体上硅（SOI）开关，通过在栅极施加电压来打开/关闭器件。然而，与SOI不同的是，SOI的击穿电压非常低，通常在3V左右，而GaN器件的击穿电压非常高。

一个高功率开关可以在不堆叠许多器件的情况下实现，这对于减少Ron和Coff是至关重要的。由于这些器件处于耗尽模式，它们需要负电压才能关闭，而零电压才能开启。所有Tagore开关都有一个与GaN芯片共同封装的控制器芯片。该控制器产生栅极电压信号，以控制所有的GaN器件。负电压在控制器内部产生，因此它只需要最低2.7V（最高5.5V）的电源和1.2V（最高5.25V）的逻辑信号来控制射频开关状态。唯一需要的外部元件是电荷泵引脚上的一个旁路电容，如图5。

图5 PIN二极管（a）和GaN（b）SP4T射频开关。

与GaN射频开关不同，PIN二极管射频开关要复杂得多，需要多次迭代来实现和优化。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，因为许多无源偏置器件被连接到射频信号路径。PIN二极管控制需要高电流和高电压。PIN二极管的导通电阻是偏置电流的函数，其中关断状态的功率处理是通过施加高的反向偏置电压来控制。它需要高的正向偏置电流，对于100W的开关来说，其范围在200到400毫安，同时需要高的反向偏置电压，其范围在140V。

图5a显示了基于PIN二极管的SP4T 100 W开关的典型实现，其最低工作频率为50 MHz。该图显示了RF1路径接通时的偏置条件。为了保持低的导通电阻，导通路径二极管的偏置电流为400 mA，用红色字和箭头表示。关路并联二极管的偏压为25 mA，串联二极管的反向偏压为140 V。ON状态的偏压功率要求为2 W（5 V × 400 mA），每个路径的关路偏压功率要求为3.5 W（140 V × 25 mA）。对4T开关进行偏置的总直流偏置功率要求为12.5 W。大部分偏置功率耗散在偏置电阻中，因此它们必须具有高功率耗散能力。需要额外的升压电路来产生高电压，以便从低电源轨对二极管进行反向偏置。

如图5所示，PIN二极管需要32个无源元件，这还不算升压转换器电路，而GaN开关可以用3 V和200微安的电流实现，即0.6 mW的总功耗和两个元件。由于射频端口是50Ω，没有连接任何无源元件，该结构可以实现并移植到任何电路板上，消除了与二极管开关有关的复杂性。

基于GaN的解决方案所需的电路板空间是PIN二极管的1/10——3×3至5×5毫米，而且直流功耗几乎为零，这就减少了对散热器的要求，进一步减少了整体尺寸和重量。图1所示的军事通信RFFE需要176个元件，不包括高压升压电路的元件，而基于GaN的解决方案只需要7个开关和7个电容。

GaN射频开关的性能

以下是Tagore的集成了控制器的GaN射频开关的例子，将说明GaN的性能和能力。图6显示了TS8021N 2T开关的性能。图6（a）和6（b）显示了小信号性能。它的插入损耗（IL）非常低，在1GHz时为0.2dB，到4GHz时小于0.5dB。图6(c)显示该开关的P_{CW_}0.1dB为50 dBm（100 W）。如图6(d)所示，在90W的功率下，谐波性能优于80dBc。5×5毫米的QFN封装只需要一个外部电容。该开关非常适合高功率的人形封装、树干安装应用。

图6 TS8021N开关性能：插入损耗（a），隔离（b），压缩（c）和谐波（d）。

图7显示了TS8242FK 4T开关的性能，P_{CW_}0.1dB为30 W，非常适合滤波器组扇出，如图1所示，用于便携式10 W LMR/PMR或军事通信射频链路。该开关在2.5 GHz时具有0.3 dB IL，在10 W时谐波性能优于85 dBc。

图7 TS8242FK开关性能：插入损耗（a）、隔离（b）、压缩（c）和谐波（d）。

TS8329FK开关（图8）是为大规模MIMO（mMIMO）基站应用中的故障-保护功能而设计的。该开关在新发布的5G C波段中具有0.5 dB Rx IL和35 dB隔离度。它的P_{PEAK_}0.1dB为100 W，开关时间为0.5微秒。TS8242FK和TS8329FK开关都集成在3×3毫米的小型QFN封装中，与PIN二极管解决方案相比，只有一个外部电容，可节省大量的电路板空间。

图8 TS8329FK开关性能：插入损耗（a），隔离（b）和压缩（c）。

大功率开关要在驻波比方面承受非常苛刻的条件，特别是靠近天线的开关。GaN射频开关具有出色的热性能和驻波比性能。图9显示了一个TS8021N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。反之，在峰值电压最差的条件下，温度要低得多，由于GaN器件特有的高击穿电压，可以轻松承受。

图9 TS8021N开关与50Ω匹配时的温度曲线（a）、8:1的驻波比（b）。

总结

使用GaN开关的高功率前端已经得到证明。GaN射频开关解决了军事通信和基站射频链路中与电路板空间和SWaP有关的主要问题。GaN开关消除了与PIN二极管开关相关的复杂性，并使设计可移植，这对于mMIMO和相控阵至关重要，因为Tx和Rx阵列的尺寸在不断增长。随着技术的进步和FoM的改进，新一代GaN开关将为许多应用打开大门，如大功率可调谐匹配电路、可调谐天线和可调谐滤波器。