射頻開關的研究及其在新一代智能手機前端模組中的應用.pdf

1、現代無線移動終端設備如智能手機、平板電腦都集成了不同模式不同頻帶(GSM/EDGE，TD-SCDMA/WCDMA，FDD/TD-LTE)的多項無線通信服務。同時，這些移動終端設備還需要提供WiFi、GPS、藍牙、調頻收音機/移動電視、RFID等非蜂窩式通信服務。此外，為了提高敏感性和避免串音，多天線設計越來越流行。這些原因使得射頻開關在無線移動終端設備的射頻前端設計中扮演越來越重要的角色。本論文圍繞新一代4G移動終端的射頻前端需求，針對

2、開關技術和電路結構進行了深入的研究:
　　1.為了比較GaAs pHEMT和SOI CMOS開關設計的異同與性能的優(yōu)劣，采用這兩種工藝實現了同一款雙刀五擲(DP5T)頻帶選擇開關，該開關被應用于3GWCDMA/4G FDD-LTE的頻帶切換。SOI開關采用了正與負壓偏置結構和層疊晶體管技術實現，GaAs pHEMT版本采用直流電壓懸浮結構和基于多柵晶體管的前饋電容技術實現。在0.9GHz和1.9GHz時，pHEMT開關的插入損耗為

3、0.27dB和0.52dB，SOI版本為0.41dB和0.65dB，pHEMT開關最小的隔離度為24.1dB和31.3dB，SOI版本為26.9dB和25.7dB。實驗結果表明，pHEMT開關優(yōu)勢在于高控制電壓和低擲數開關應用，而SOI技術在低控制電壓和高擲數開關應用中更具優(yōu)勢?？紤]到未來的移動通信發(fā)展趨勢必定是低功耗和高集成度，后續(xù)的研究工作主要圍繞SOI CMOS技術展開。
　　2.出于減小開銷和提升性能，提出了一種不集成負電

4、壓產生器的SOI開關結構。這種結構僅采用正電壓實現對開關管的偏置。采用改進結構實現的同一款DP5T開關與傳統(tǒng)開關版本在0.9GHz時的插入損耗分別為0.37dB和0.41dB;在1.9GHz時的插入損耗分別為0.53dB和0.65dB。在0.9GHz時，兩種結構的隔離度分別為24.2dB和26.9dB;在1.9GHz時，兩者的最小隔離度分別為325dB和23.6dB。改進的結構因為可以改善端口在高頻下因寄生效應惡化的阻抗失配，從而實現較

5、低的插入損耗和較高的隔離度。結果表明，雖然對于高擲數或高功率的SOI開關來說，集成負電壓產生器是更好的選擇，因為可以實現更杰出的線性度。但是在頻帶切換和接收分集應用中，采用不集成負電壓產生器的開關結構不僅可以簡化整體設計，還可以降低芯片面積。
　　3.旨在提供一種半定量的方法用于選擇合適器件用于特定的開關應用，首次從器件模型切入，系統(tǒng)研究了部分耗盡型(PD)SOI工藝中基于浮體和體接觸器件(FB和BC FET)實現的開關插入損耗、

6、隔離度、功率處理能力和諧波失真性能差異。采用兩種器件分別設計了同一款0.18μm SOI單刀八擲(SP8T)天線開關。測試結果顯示FB和BC SP8T開關在1.9GHz時，兩者插入損耗分別約為0.53dB和0.65dB，最低隔離度分別為27.6dB和29.3dB，P-0.1dB分別為38.0dBm和38.4dBm，在Pin=33dBm條件下，二次諧波分別為-70.6dBc和-75.5dBc，三次諧波分別為-60.4dBc和-79.9dB

7、c。實驗數據表明，FB開關可以獲得較低的插入損耗和占用較小的芯片面積;而BC開關有助于大信號性能的提升，如功率處理能力和諧波性能。
　　4.為了同時兼顧低的插入損耗和良好的大信號性能，提出了一種體區(qū)自適應偏置技術。該技術采用“二極管連接”的FB器件用于連接BC開關管的柵極與體區(qū)，不再需要額外的體區(qū)偏置電阻和偏置電壓?；谠摷夹g實現了同一款0.18μm SOI SP8T天線開關。在1.9GHz時，插入損耗為0.52dB，P-0.1d

8、B為39.2dBm。在Pin=33dBm條件下，二次和三次諧波分別約為-80.7dBc和-79.9dBc。實驗結果表明，采用本技術實現的BC開關不僅獲得了與FB開關可比擬的插入損耗性能，而且線性度和功率容量均優(yōu)于FB開關;與采用傳統(tǒng)偏置結構的BC開關相比，不僅獲得了良好的功率處理能力和線性度性能，同時還降低了插入損耗。
　　5.基于提高功率容量的目的，創(chuàng)新性地首次提出一種改善層疊晶體管鏈電壓擺幅不平衡分布的開關結構，該結構在所有開

9、關并聯(lián)支路上采用兩重電阻偏置網絡，可以使得流過層疊鏈每個晶體管的泄露交流電流基本保持不變。采用該技術設計了一款0.13μm SOI大功率單刀四擲(SP4T)天線開關。在1.9GHz時，采用本技術實現的開關與傳統(tǒng)結構開關測得的P-0.1dB分別為38.7dBm和36.4dBm。在Pin=33dBm條件下，兩種結構測得的二次諧波失真分別為-83dBc和-74dBc，三次諧波失真分別-83.5dBc和-77dBc。實驗結果表明，改進結構可以顯

10、著提高功率容量并改善諧波失真。
　　6.針對新一代手機更高集成度的需求，基于SOI CMOS工藝實現了一款單一芯片高集成度MIPI單刀十四擲(SP14T)天線開關模組(ASM)，該ASM包括十二個3G、4G收發(fā)通路(TRx)、兩個2G GSM發(fā)射通路并集成了片上GSM濾波器。此外，基于CMOS/GaAs-HBT/SOI混合工藝實現了一個單一芯片超高集成度的多模多頻功率放大器模組(PAM)，該PAM涵蓋3GPP的多個頻帶，包括Ban