中心論題：
- 多頻手機對開(kāi)關(guān)技術(shù)要求
- 射頻開(kāi)關(guān)的設計要求
解決方案：
- 射頻開(kāi)關(guān)要求具有低插損、高隔離和線(xiàn)性度特點(diǎn)
- 使用UltraCMOS制造的開(kāi)關(guān)應對多頻手機體積縮小的挑戰
現在手機中的射頻信號通道越來(lái)越擁擠。蜂窩電話(huà)已經(jīng)從雙頻向三頻甚至四頻快速發(fā)展。這些復雜手機還需要處理來(lái)自外圍無(wú)線(xiàn)設備的各種信號，如藍牙、Wi-Fi和GPS。而隨著(zhù)WiMAX和LTE(4G)的加入，這種復雜度將越來(lái)越高。在移動(dòng)電話(huà)中，天線(xiàn)開(kāi)關(guān)控制著(zhù)天線(xiàn)接入所有這些無(wú)線(xiàn)信號，實(shí)質(zhì)上起著(zhù)網(wǎng)守的作用。
多頻手機設計面臨著(zhù)很大的挑戰，因為所有這些信號工作在不同的帶寬，而且它們都需要接入天線(xiàn)。為了取得最優(yōu)的性能和外形尺寸，它們最好能通過(guò)單個(gè)射頻開(kāi)關(guān)接入天線(xiàn)。對開(kāi)關(guān)制造商來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)從單刀四擲(SP4T)相應發(fā)展到SP7T甚至SP9T配置才能處理越來(lái)越多的信號。這種先進(jìn)的開(kāi)關(guān)需要能夠處理由寬帶CDMA(WCDMA)和低功率I/O無(wú)線(xiàn)設備帶來(lái)的額外移動(dòng)通信頻段的接入。
可以預期的是，手機復雜性會(huì )越來(lái)越高，要求能夠處理更多頻段的信號。市場(chǎng)將至少標準化七個(gè)頻段，并且要留出一個(gè)空間給第八個(gè)頻段(LTE)使用。即使今后發(fā)生合并，射頻電路中由于合并留出的空間也會(huì )很快被越來(lái)越流行的、也需要接入天線(xiàn)的外圍無(wú)線(xiàn)電設備和功能所擠占。
為了支持互聯(lián)網(wǎng)、多媒體和視頻，3G移動(dòng)手機市場(chǎng)已經(jīng)轉向WCDMA。相應的GSM也演變成GSM/WCDMA雙模技術(shù)。為了滿(mǎn)足全球需求，目前的GSM手機最多有4個(gè)發(fā)送(Tx)和4個(gè)接收(Rx)通道。增加WCDMA后每個(gè)新的頻段都要增加另外一個(gè)Tx/Rx通道。目前的移動(dòng)手機設計傾向于采用4xGSM(850、900、1800、1900MHz)和3xWCDMA(850、1900、2100MHz)前端。因此，手機復雜度已經(jīng)達到空前的水平。
多頻手機中的任何設計折中都要求滿(mǎn)足或超過(guò)所有標準提到的性能等級。一般情況下，多模多頻的移動(dòng)手機使用單個(gè)功放模塊來(lái)處理四頻GSM/EDGE信號。另一方面，每個(gè)WCDMA頻段需要使用它自己的獨立功放。因此，具有一個(gè)WCDMA頻段的四頻GSM手機至少需要一個(gè)單刀六擲(SP6T)開(kāi)關(guān)來(lái)管理所有的信號通道。當然，設計師也可以使用一個(gè)雙工器和兩個(gè)SP3T(流行的GaAs配置)，但與使用單個(gè)SP6T開(kāi)關(guān)相比這種方法將產(chǎn)生較高的插入損耗。
射頻設計師需要特別關(guān)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(gè)效率水平才能確保較長(cháng)的電池使用時(shí)間，因為手機總電流的一半用在功放上。鑒于此，設計師需要將保持功放的PAE定在最高優(yōu)先等級。一些早期的多頻WCDMA/GSM手機使用獨立的WCDMA和GSM信號鏈，并采用獨立的天線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)設計。盡管這種方案在原型和第一代設計中非常有效，但市場(chǎng)需要具有更高性?xún)r(jià)比且節省空間的方案。顯然，業(yè)界要求集成式ASM能夠處理7個(gè)甚至9個(gè)信號。
圖1：IP3與器件的三階交調失真(IMD3)性能有關(guān)。
針對這個(gè)需求，業(yè)界開(kāi)發(fā)出了SP7T開(kāi)關(guān)來(lái)支持具有1個(gè)WCDMA和4個(gè)GSM頻段的手機架構。例如PE42672就是采用UltraCMOS工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)的單片SP7T，它能提供+68dBm的三階交調截取點(diǎn)(IP3)，這個(gè)線(xiàn)性度性能值可以滿(mǎn)足3GPP IMD3規范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(guān)聯(lián)，這些相位上的指標如圖1所示。
SP6T開(kāi)關(guān)是開(kāi)關(guān)架構方面的最新成果之一。經(jīng)過(guò)配置它可以處理多個(gè)頻段的WCDMA、GSM和外圍無(wú)線(xiàn)設備。例如圖2所示的開(kāi)關(guān)可以處理三頻段的WCDMA，并提供到雙工器和3個(gè)功放模塊的通道(每個(gè)WCDMA頻段要求使用自己的功放和雙工器)。這個(gè)開(kāi)關(guān)還能處理只有單個(gè)功放模塊與之相連的四頻GSM/EDGE(包含2個(gè)功放芯片)。從實(shí)際效果看，這個(gè)設備必須通過(guò)受簡(jiǎn)單解碼器控制的單個(gè)開(kāi)關(guān)傳送5個(gè)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(gè)功放模塊的通道。
隨著(zhù)多頻段架構的普及，對功放和相關(guān)濾波器的數量提出了嚴格的要求。事實(shí)上，對功放的技術(shù)要求沒(méi)有變化，但手機設計需要使用更多的功放。因此真正改變的是需要一個(gè)特別高效的方法將所有射頻信號傳送給天線(xiàn)-單片開(kāi)關(guān)。
手機中增加的頻段越多，對開(kāi)關(guān)的技術(shù)要求就越高，而且WCDMA的線(xiàn)性度和諧波要求對器件性能也帶來(lái)了很大的壓力。通過(guò)利用UltraCMOS制造工藝的線(xiàn)性?xún)?yōu)勢，圖2中的單片PE42693 SP6T可以保持其前代SP7T開(kāi)關(guān)+68dBm的IP3，而且IMD3性能超過(guò)業(yè)界標準的-105dBm(圖1)。
SP6T功能可以用GaAs器件實(shí)現，但它需要額外的器件，例如CMOS譯碼器和驅動(dòng)器，這將極大地影響所需I/O的數量。對要求高度線(xiàn)性和隔離的5個(gè)高功率端口來(lái)說(shuō)挑戰尤其艱巨，因為I/O數量越多，線(xiàn)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(xiàn)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(zhù)多頻段手機越來(lái)越流行，對高集成度、小型天線(xiàn)開(kāi)關(guān)的需求也越來(lái)越迫切。UltraCMOS SP7T開(kāi)關(guān)現在已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)，SP9T也在2007年底投入批量生產(chǎn)。在外形方面，GaAs SP7T為1.6x1.5mm，而采用SOS工藝SP7T開(kāi)關(guān)只有1.2x1.0mm，面積縮小了一半。目前的GaAs E/D pHemt或J-pHemt SP9T開(kāi)關(guān)外形尺寸為1.9x1.5mm。與之相比，采用UltraCMOS 0.5μm工藝制造的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(fā)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(kāi)關(guān)倒裝在結實(shí)的低溫共燒陶瓷(LTCC)基底上，無(wú)需占用以前線(xiàn)綁定所需的面積。目前晶圓級芯片尺寸封裝正在開(kāi)發(fā)中，它所生產(chǎn)的UltraCMOS開(kāi)關(guān)可以如同標準表貼封裝那樣處理。
在使用UltraCMOS制造的開(kāi)關(guān)后，設計師可以省去其它開(kāi)關(guān)技術(shù)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(shù)，這種工藝可以顯著(zhù)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(jiǎn)化實(shí)現和使用。UltraCMOS工藝的極高良品率和增加開(kāi)關(guān)方向的靈活性可以使未來(lái)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(lái)的挑戰。
多模多頻段GSM/WCDMA手機的技術(shù)要求已經(jīng)超過(guò)了傳統RFIC技術(shù)(如GaAs)的極限。受這些超高性能要求影響最嚴重的是天線(xiàn)和射頻開(kāi)關(guān)。
雖然本文主要討論的是天線(xiàn)開(kāi)關(guān)，但關(guān)鍵是要認識到對系統天線(xiàn)的顯著(zhù)影響。天線(xiàn)必須能夠高效輻射從800到2200MHz的信號，在微型天線(xiàn)允許的外形尺寸下這是一個(gè)相當艱巨的任務(wù)。目前業(yè)界正在尋找新的技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，考慮到天線(xiàn)匹配問(wèn)題，可能使用開(kāi)關(guān)和集總調諧元件?？傊?，射頻開(kāi)關(guān)必須能夠切換最多9條大功率射頻信號通道，并且要具有低插損、高隔離和線(xiàn)性度。
