射頻 （RF） 開關是各種應用的復雜前端系統的主要構建模塊，包括發射或接收切換、分集切換、頻段切換和保護切換。圖1顯示了典型RF信號鏈中的開關使用情況。開關在系統架構中的位置對插入損耗、功率處理、隔離和開關速度等性能特征提出了很高的要求。ADI公司的RF開關采用絕緣體上硅（SOI）工藝，提供反射、吸收和不對稱功能，可為無線通信、航空航天或國防提供更高的頻率或功率處理能力，以及 儀器儀表應用。

圖1.典型RF信號鏈中的開關使用

RF開關通常由一系列開或關器件以及分流器件組成，滿足插入損耗和隔離要求，如圖2所示。器件上充當電阻器，關斷器件充當電容器，這決定了開關的整體性能。

圖2.典型射頻開關架構

盡管RF開關的設計和特性是針對理想的50 Ω條件而設計的，但實際應用在所有端口上可能滿足也可能不滿足首選的50 Ω條件。綜合性能參數， 例如插入損耗和隔離，取決于從RF端口看到的回波損耗幅度和相位，因為開關端子通過低電阻（<10 Ω）連接。例如，典型的發射/接收開關可能暴露于來自天線的 1：2 電壓駐波比 （VSWR） （~10 dB） 和功率放大器或低噪聲放大器的 ~10 dB 回波損耗，因為放大器針對最大功率或最小噪聲進行了調諧，這可能不同于 50 Ω 端接的高回波損耗。

本應用筆記強調了任意負載條件對插入損耗、隔離和功耗處理的影響，采用基于負載拉動的方法。端到端插入損耗和隔離 由于RF端口上的回波損耗差和任意相位，可能會降低性能。至于功率處理，RF端口上的任意電阻和電抗都可能導致電壓或電流峰值，這可能超出器件限制。因此，討論了可靠運行所需的降額。

回波損耗差時的性能

在典型的RF信號鏈中，RF開關的輸入和輸出端口很少與理想的回波損耗元件接口。RF元件通常具有標量回波損耗和未知相位，如圖3所示。結合任意RF走線長度，在恒定的VSWR圓中產生隨機相位。隨著RF端口的回波損耗降低，插入損耗、隔離和功率處理的不確定性也會增加。

圖3.單刀雙擲 （SPDT） RF 開關的負載阻抗不確定性

失誤

當理想端接呈現給RF開關的輸入和輸出時，由于沒有信號反射，因此可以最佳地觀察開關的固有性能。但是，如果采用低回波損耗端接，則會發生反射，它們加起來就是開關的固有插入損耗，也稱為失配損耗。如圖4所示，失配損耗隨著端接回波損耗的降低而增加。例如，終端中的10 dB回波損耗會給系統帶來額外的~0.45 dB失配損耗，而20 dB的回波損耗對應于~0.05 dB的失配損耗。

圖4.失配損耗與端接回波損耗

為了演示實際器件上的失配損耗現象，對20 W峰值、1 GHz至20 GHz反射開關ADRF5144進行了實驗。ADRF5144具有高功率處理能力，是高功率應用的理想發射接收開關。另一方面，ADRF5144的RF端口連接到天線、低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA），這可能會導致潛在的低回波損耗。

圖5.ADRF5144 任意負載阻抗的插入損耗

當5144 Ω的理想端接連接到其端子時，ADRF0在8 GHz時的插入損耗為20.50 dB。圖5顯示了ADRF5144插入損耗與終止回波損耗相關的失配損耗。對于理想情況，例如30 dB端接回波損耗，任意相位的插入損耗為0.8 dB。對于20 dB回波損耗情況，可能會觀察到額外的0.05 dB失配損耗，對于10 dB回波損耗情況，可以觀察到額外的0.45 dB失配損耗，如圖4所示。

回波損耗差下的隔離

任意負載阻抗不僅會影響插入損耗，還會影響RF開關未選定臂的泄漏，這稱為隔離。RF開關的隔離性能對于某些應用至關重要，例如發送/接收開關、低噪聲放大器（LNA）等精密電子器件的保護開關以及濾波器組切換。具有低回波損耗且具有任意相位的端接會導致未選擇的RF臂泄漏更高。

典型的發射/接收應用場景包括 1：2 VSWR 天線、最佳噪聲匹配 LNA 和阻抗為 50 Ω的最佳功率匹配 PA。同樣，在LNA保護應用中，除了天線VSWR和LNA回波損耗外，通常使用笨重的50 Ω端接電阻來耗散高功率，而高功率的回波損耗較差。至于濾波器切換應用，帶外濾波器響應通常是全反射的，需要特別注意。根據應用要求，反射式或吸收式開關更適合將未知負載狀態導致的隔離不確定性降至最低。

發送/接收開關應用示例

放置在天線接口上的開關通常需要處理高功率，對于所選路徑，插入損耗盡可能低，對于未選擇路徑，以盡可能高隔離度，以提高前端性能。在圖6所示的典型發射場景中，由于低回波損耗和開關端口的任意相位，可以觀察到隔離的不確定性因子增加。因此，觀察到更糟糕的隔離。

圖6.典型發送/接收開關應用

對于典型的PA至LNA泄漏情況，理想情況下，開關的RFx至RFx隔離僅取決于S32參數。但是，當端接不理想且回波損耗較低時，反射會導致發送/接收開關的總泄漏，如公式1所示。

其中：
PPA_to_LNA是PA到LNA泄漏。
ΓANT是天線反射系數。
ΓLNA是LNA反射系數。

圖7顯示了理想發射/接收開關的PA至LNA泄漏，RFC至RFx （S31） 和 RFx 到 RFx （S32） 隔離，當天線和 LNA 上存在 10 dB 回波損耗時。

圖7.PA 至 LNA 泄漏理論計算

圖8顯示了前端使用的典型發送/接收開關的隔離性能如何隨其端口的任意回波損耗和相位而變化。ADRF5144在49 GHz時具有43 dB RFx至RFx隔離度和20 dB RFC至RFx（使用50 Ω端接時）。如果LNA回波損耗較高，則從低回波損耗天線反射回來會導致從發射到接收的泄漏不確定性最小。然而，當天線和LNA回波損耗都很低且相位任意時，泄漏不確定性會增加。例如，當天線和LNA都有20 dB回波損耗時，泄漏不確定度為1.5 dB。但是，當天線和LNA都有10 dB的回波損耗和任意相位時，不確定性增加到5 dB。

圖8.發射以接收ADRF5144在發射模式下的泄漏不確定性;見表1

液化天然氣保護示例

從事時分復用（TDD）的無線電系統通常切換LNA和PA相互補充，它們通過環行器共享同一天線，如圖9所示。因此，接收路徑需要保護某些高功率情況，例如干擾、PA泄漏和天線反射。對于這些場景，LNA前面采用保護開關，LNA必須具有最小的插入損耗和高功率處理能力。在保護模式下，開關傳導至外部終端電阻，該電阻通常是一個笨重的 50 Ω電阻。人們期望50 Ω端接具有高回波損耗，但由于其大尺寸和寬印刷電路板（PCB）焊盤，其回波損耗在毫米波頻率下并不高。因此，LNA的泄漏高于預期。

圖9.典型的LNA保護開關應用

對于典型的環行器到LNA泄漏場景，理想情況下，開關的RFC到RFx僅取決于S31參數。但是，當端接和開關回波損耗不高時，反射會導致開關的總泄漏，如公式2所示。

其中：
PCIRC_to_LNA是LNA泄漏的循環器。
ΓTERM是終止反射系數。
ΓLNA是LNA反射系數。

圖10顯示了環行器至LNA泄漏，作為理想保護開關相對于RFC至RFx （S31） 和 RFx 到 RFx （S32） 隔離，當終端和 LNA 上存在 15 dB 回波損耗的實際情況時。

圖 10.循環器到LNA泄漏理論計算

圖11顯示了所選端口端接時ADRF5144的隔離性能。由于高功率處理要求，端接電阻不是 體積小，PCB焊盤笨重。除非使用進一步的阻抗匹配，否則20 GHz的典型高功率終端電阻具有15 dB的回波損耗。端接回波損耗和LNA回波損耗的任意相位在LNA泄漏的公共端口上引入了不確定性。如果任意相位的LNA回波損耗較低，則端接端接處的高50 Ω可能不足以減輕不確定性。然而，電感調諧端接電阻可改善隔離度，即使LNA輸入回波損耗在任意相位時較低。

圖 11.ADRF5144終端的隔離不確定度;見表2

濾波器組切換示例

濾波器切換應用通常使用寬帶背靠背開關實現，其中窄帶帶通濾波器的輸入和切換輸出如圖12所示。因此，泄漏到未選擇的通道很重要。濾波器情況被忽視的情況是，它們在帶外完全反射，回波損耗非常低，這需要特別注意以評估最壞情況的信號泄漏。

圖 12.典型的濾波器組切換應用

ADRF5046是一款反射式SP4T，ADRF5042是一款吸收式SP4T。如圖13所示，反射開關的隔離衰減不確定度為~10 dB，回波損耗低，但吸收式開關的衰減僅為~3 dB。在功率處理允許的情況下，吸收式開關提供更高的固有隔離度，并且其隔離性能更能耐受高無功低回波損耗。

圖 13.反射式 SP4T 開關和吸收式 SP4T 開關的隔離比較

回波損耗差下的功率處理能力

RF開關的額定功率通常受到器件沿開關內部不同路徑的熱擊穿或電壓擊穿的限制，如圖14所示。熱限制通常與RF場效應晶體管（FET）的導通電阻有關，而電壓限制通常與RF FET的擊穿有關，尤其是在關斷狀態下。對于端接開關，內部 50 Ω 功率處理是另一個限制因素，它與熱或電壓有關，具體取決于架構。

圖 14.典型RF開關的電壓和熱限制

在理想的 50 Ω端接條件下，熱和電壓計算非常簡單。然而，需要進一步關注具有無功元件的RF端子上的顯著回波損耗。什么時候 RF開關采用低回波損耗端接，任意阻抗和相位可能導致電壓或電流峰值，最終導致電壓引起的擊穿或電流引起的熱故障。

圖 15.ADRF5144 ADRF5144在44 GHz時10 dBm時的恒定電壓和電流輪廓

對于高于5144 dB回波損耗的端接，ADRF44的額定峰值功率高達20 dBm，這是標準實驗室設置和評估板配置的典型限值。例如，當 ADRF5144以20 dB的回波損耗端接，在44 GHz時以10 dBm驅動，則可能會出現57 V峰值電壓或1.1 A峰值電流，具體取決于終止回波損耗相位。如果開關的回波損耗負載較低，則即使電源具有相同的RF功率，電壓峰值或電流峰值也會更高。圖15中的負載拉動圖顯示了當向開關提供不同負載時的恒壓等值線和恒流圖。給定負載阻抗的任意幅度和相位，開關上出現的電壓在30 V至80 V之間變化，而可靠峰值電壓限值低于57 V。 同樣，電流可能在0.6 A和1.6 A之間縮放，其中可靠峰值電流限值低于1.1 A。

圖 16.ADRF5144 44 GHz時10 dBm輸入功率和任意端接回波損耗/相位時的電壓不確定性

圖16顯示了在不施加降額的情況下，相對于任意端接回波損耗和相位可能出現的電壓峰值。正如預期的那樣，盡管輸入功率恒定為44 dBm，但相對于較低的回波損耗，電壓峰值會更高。為了將電壓峰值保持在允許的水平，需要降額。表3總結了最壞情況下可能的電壓峰值電平如何調整回波損耗，以及建議ADRF5144的額定功率。更廣義的降額 方法是遵循圖17，其中歸一化降額值與終止回波損耗作為基準。

任何RF開關上使用的更通用的方法是遵循圖17中推薦的降額值。

圖 17.推薦的歸一化降額與終止回波損耗的關系

總結

低回波損耗下的RF開關行為需要進一步關注，因為端到端插入損耗、隔離和功率處理規格可能因RF端口的回波損耗而異。ADI公司最新推出的ADRF5144或ADRF5141等高功率高頻開關的應用電路針對不同的前端場景進行了優化，以最大限度地降低不良回波損耗影響。訪問技術支持頁面以獲取更多建議。

審核編輯：郭婷