南京郵電大學(xué) 陸 遙

南京國博電子有限公司 黃貞松 匡 珩 宋 艷

本文采用氮化鋁陶瓷基板、PIN二極管芯片，優(yōu)化傳統(tǒng)射頻開關(guān)結(jié)構(gòu)電路圖和版圖設(shè)計(jì)，通過合理的熱設(shè)計(jì)結(jié)合電磁仿真，研制出一種新型的寬帶大功率高集成單刀雙擲開關(guān)。在1.9～4GHz頻帶內(nèi)發(fā)射通道插入損耗小于0.5dB，接收通道隔離度大于43dB，可通過CW功率120W。PIN和電容芯片均選擇國產(chǎn)芯片，確保元器件自主可控。研制出的大功率高集成開關(guān)模塊大幅減小了一般射頻接收前端電路物理尺寸，應(yīng)用MCM（多芯片模塊）微組裝技術(shù)設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)開關(guān)無法在當(dāng)前5G大功率條件下工作的缺陷，實(shí)現(xiàn)了插損小，隔離度高，承受功率更大，集成度更高等優(yōu)勢(shì)，適用于目前商用5G模式下的通信標(biāo)準(zhǔn)。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)在商用領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，射頻接收前端對(duì)于射頻開關(guān)在功率和集成度上有著更高的要求。在射頻前端中，射頻開關(guān)是一個(gè)不可或缺的功能模塊，應(yīng)用于以時(shí)分多址技術(shù)工作方式為首的各類通訊系統(tǒng)內(nèi)射頻前端模塊中實(shí)現(xiàn)其對(duì)信號(hào)的接收和發(fā)送，其本身是一種控制或切換微波信號(hào)通斷的電路。目前，高性能、高集成度的射頻開關(guān)在各類商用的射頻通信系統(tǒng)和微波測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用變的越來越廣泛。

傳統(tǒng)大功率開關(guān)通常有三種結(jié)構(gòu)：機(jī)械開關(guān)、鐵氧體開關(guān)、PIN開關(guān)。機(jī)械開關(guān)、鐵氧體開關(guān)雖然承受功率較高，但受到速度和壽命的影響，不能高速、頻繁切換，不適用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的高速切換要求。PIN二極管通過直流電流控制二極管導(dǎo)通或截止，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率的射頻信號(hào)的控制。PIN二極管開關(guān)速度快，開關(guān)次數(shù)不受限制，成本低廉。

1 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)要求本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)射頻接收前端開關(guān)模塊的研制，工作頻率在1.9～4GHz內(nèi)滿足如下指標(biāo)：

發(fā)射通道插損：≤0.5dB

接收通道隔離度：≥37dB

通過功率：120W

工作頻帶：1.9GHz～4GHz

工作電壓：55V

ESD：Class 1B

2 電路結(jié)構(gòu)

PIN二極管在P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體之間夾了一層I型半導(dǎo)體(即本征半導(dǎo)體)，加大了兩個(gè)電極之間的距離，隨著反向偏壓的增加，P/N型半導(dǎo)體的耗盡層寬度也在增加，導(dǎo)致結(jié)電容進(jìn)一步減小，這使得PIN的結(jié)電容比普通二極管的結(jié)電容小很多。當(dāng)PIN二極管正偏時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的多子會(huì)注入I區(qū)復(fù)合使I區(qū)阻抗變低，呈現(xiàn)低阻抗特性；反偏時(shí)，PIN等效為電阻串聯(lián)電容，一般等效電阻呈高阻狀態(tài)。

二極管開關(guān)的電路和結(jié)構(gòu)形式有很多種，按照PIN二極管的連接方式，最主要的二極管開關(guān)電路分為串聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示。

圖1 串聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)

圖2 并聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)

圖1中PIN二極管構(gòu)成串聯(lián)型開關(guān)，控制端輸入正電平時(shí)，PIN正偏，等效為零點(diǎn)幾歐姆的小電阻，開關(guān)導(dǎo)通；控制端輸入負(fù)電平時(shí)，PIN反偏，等效為電阻和零點(diǎn)幾皮法電容串聯(lián)，高頻下阻抗很大，此時(shí)整個(gè)開關(guān)截止。串聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于不受波長(zhǎng)的影響，所以適用的頻段更寬。但同時(shí)，由于二極管串聯(lián)在電路中在大功率下管芯散熱較困難，容易產(chǎn)生損耗形成熱能進(jìn)而影響整個(gè)開關(guān)通路的工作狀態(tài)，所以必須要對(duì)于串聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。

圖2中PIN二極管構(gòu)成并聯(lián)型開關(guān)，控制端輸入正電平時(shí)，PIN正偏，等效為阻值很小的電阻，中間點(diǎn)接地，輸入信號(hào)被全反射，開關(guān)截止；控制端輸入負(fù)電平時(shí)，PIN反偏，等效為電阻和零點(diǎn)幾皮法電容串聯(lián)，高頻下阻抗很大，對(duì)信號(hào)支路影響很小，開關(guān)等效為導(dǎo)通。由于傳輸線通路沒有開關(guān)元器件，因而損耗較小。在熱設(shè)計(jì)方面，由于PIN管芯直接到地，易于散熱，隔離度也比較好，所以適合于大功率的場(chǎng)合。但是，并聯(lián)電路受波長(zhǎng)影響大，頻率改變會(huì)造成阻抗失配，直接影響了帶寬特性，且整個(gè)電路尺寸受限，不利于提高集成度。

除此之外，還有利用PIN二極管搭建的串并聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該電路中PIN二極管采用串、并聯(lián)混合方式。當(dāng)控制端1輸入正電平，控制端2輸入負(fù)電平時(shí)，PIN管D1正偏，等效為小電阻，呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)；PIN管D2反偏，等效為電容，對(duì)地接近開路。當(dāng)控制端1輸入負(fù)電平，控制端2輸入正電平時(shí)，PIN管D1反偏，等效為電容，呈現(xiàn)隔離狀態(tài)；PIN管D2正偏，等效為小電阻，對(duì)地接近短路，進(jìn)一步起到隔離作用。串并聯(lián)電路比串聯(lián)電路可以實(shí)現(xiàn)更高的隔離，比并聯(lián)電路可以實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬。但是由于電路中有串聯(lián)管芯，與單串聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)類似，必須進(jìn)行熱設(shè)計(jì)以滿足大功率條件下的使用要求。

圖3 串并聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)

對(duì)于一般的大功率射頻開關(guān)，常用采用并聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)，但由于本文設(shè)計(jì)目標(biāo)希望縮小版圖尺寸提高集成度，且一般在設(shè)計(jì)過程中選用單刀雙擲開關(guān)來完成收發(fā)通道的設(shè)計(jì)，所以在整體的結(jié)構(gòu)選擇上本文在收發(fā)通道采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)和串并聯(lián)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，并進(jìn)一步通過非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和熱設(shè)計(jì)完成設(shè)計(jì)目標(biāo)改善傳統(tǒng)射頻開關(guān)的缺陷。

3 電路設(shè)計(jì)

在單刀雙擲的開關(guān)電路設(shè)計(jì)中，由于整個(gè)射頻接收前端模塊在發(fā)送和接收兩個(gè)工作模式下不同通路對(duì)于隔離度、插損、功率和響應(yīng)時(shí)間的具體要求不同，所以在開關(guān)電路的設(shè)計(jì)中將電路設(shè)計(jì)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。在發(fā)送狀態(tài)模式下，發(fā)送通路需滿足系統(tǒng)的高功率要求，此時(shí)接收通路要保證高隔離度；在接收狀態(tài)模式下，接收通路是小功率信號(hào)傳輸，需要嚴(yán)格控制通路的插損，降低噪聲系數(shù)。因此，本文設(shè)計(jì)了如圖4所示的射頻接收前端開關(guān)電路原理圖。

如圖4所示，在整個(gè)開關(guān)電路中，分為RFin-TX和RFin-RX兩個(gè)通道，分別代表天線-發(fā)射通道和天線-接收通道。電路中共有四處電壓，其中VCC為常加電狀態(tài)，接+5V電壓，VC1、VC2電壓在不同模式下電位會(huì)發(fā)生改變。

圖4 射頻接收前端開關(guān)電路原理圖

在發(fā)送狀態(tài)模式下，將電位設(shè)置為VC2>VCC>VC1，VC2接55V正電壓，VC1接地，此時(shí)PIN1和PIN2處于正偏狀態(tài)，RFin-TX通道導(dǎo)通，PIN3處于反偏狀態(tài)，RFin-RX通道關(guān)閉，滿足發(fā)送模式的工作狀態(tài)需求，同時(shí)，由于PIN4處于正偏狀態(tài)，將接收通道并聯(lián)經(jīng)過電容C5接地。此時(shí)若有信號(hào)泄露進(jìn)入接收通道可以確保信號(hào)直接接地而不會(huì)影響接收端，進(jìn)一步保證了發(fā)送模式下接收通道的高隔離度。

在接收狀態(tài)模式下，將電位設(shè)置為VC1>VCC>VC2，VC1接55V正電壓，VC2接地，此時(shí)PIN1和PIN2處于反偏狀態(tài)，RFin-TX通道關(guān)閉，PIN3處于正偏狀態(tài)，RFin-RX通道導(dǎo)通，滿足接收模式的工作狀態(tài)需求。此時(shí)，PIN4也處于反偏狀態(tài)，并聯(lián)支路截止，減小對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響。

在PIN1和PIN2正偏狀態(tài)下，PIN二極管兩端存在較大的導(dǎo)通壓降，而此時(shí)PIN二極管呈現(xiàn)低阻抗特性，等效為小阻抗值電阻，這會(huì)導(dǎo)致二極管上偏置電流過大進(jìn)而燒毀元件。所以在偏置電源的電路上添加電阻R1和R2，以確保導(dǎo)通狀態(tài)下的PIN二極管上偏置電流不會(huì)超過最大值，起到保護(hù)二極管的作用。同理，電阻R3和R4也保護(hù)在發(fā)射模式下處于正偏狀態(tài)的PIN4不會(huì)發(fā)生熱燒毀。

PIN二極管在大功率射頻信號(hào)下的管芯溫度計(jì)算公式如下：

其中Tj是管芯溫度，Rth是管芯熱阻，Ta是環(huán)境溫度，Pdiss是管芯耗散功率，Rs是管芯結(jié)電阻，Z0是特征阻抗，PAV是輸入射頻信號(hào)平均功率。

為了提高發(fā)射通道的最大功率，對(duì)比SKY公司的SKY12207-478LF芯片最大功率50W和南京國博電子有限公司的上一代自研開關(guān)芯片最大功率100W，本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)芯片電路提高到適用于5G射頻接收前端的120W。在發(fā)射通道的設(shè)計(jì)中，不改變發(fā)射通道的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，將單一PIN二極管改為兩個(gè)二極管PIN1和PIN2并聯(lián)；在接收通道的并連接地支路上增加接地電容，進(jìn)一步提升接收通道隔離度。如圖5所示，使用PIN二極管的傳統(tǒng)低功率開關(guān)電路設(shè)計(jì)方法不能滿足大功率的低損耗高隔離度的設(shè)計(jì)需求。

圖5 傳統(tǒng)低功率開關(guān)電路原理圖

考慮到耗散功率、溫升因素，如圖5所示，由于PIN二極管PIN1、PIN2和PIN3是分別串聯(lián)在發(fā)送和接收通道上的，在大功率條件下?lián)p耗會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能釋放，所以這幾個(gè)PIN二極管在版圖設(shè)計(jì)時(shí)都不能夠直接和基板連接，要需要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。在大功率射頻信號(hào)下工作時(shí)，管芯溫度Tj>環(huán)境溫度Ta，擴(kuò)散熱流通過管殼或基板向外釋放，若散熱速度過慢，Tj累積上升到一定程度時(shí)，則會(huì)對(duì)PIN二極管造成損害。

PIN二極管的溫升因素主要取決于二極管熱阻和整體散熱速度，二極管的熱阻又可以分為外熱阻和內(nèi)熱阻。外熱阻方面主要和二極管的管殼封裝有關(guān)；內(nèi)熱阻則取決于二極管管芯、外殼材料的導(dǎo)熱率、截面積、工藝和厚度。

在發(fā)射通道采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，PIN管的熱損耗較大，如圖5所示，發(fā)射通道使用傳統(tǒng)單一PIN二極管串聯(lián)結(jié)構(gòu)，必須盡量選擇內(nèi)阻小的PIN管，降低產(chǎn)生的熱損耗。但按照本文的電路設(shè)計(jì)，由于需要滿足發(fā)射通道的大功率需求，如圖4所示，發(fā)射通道采用PIN并聯(lián)雙二極管取代原來的單一PIN二極管，所以必須選取各方面參數(shù)更適合的PIN二極管進(jìn)行連接，本文在設(shè)計(jì)時(shí)選用了WPX0074H作為發(fā)射通道PIN管。根據(jù)表1可知，該管在單位面積下具有更小的內(nèi)阻，產(chǎn)生的熱損耗更低，同時(shí)，因?yàn)镻IN管的面積更大且為兩個(gè)PIN管并聯(lián)，整體尺寸900um×450um×150um，對(duì)比使用單一更大功率的PIN管，本文的結(jié)構(gòu)增大了PIN二極管區(qū)域的散熱面積，同時(shí)分散了發(fā)熱點(diǎn)。本文選取的PIN二極管正面為金屬層Au，背面為Au系多層金屬，可采用導(dǎo)電膠等粘接，進(jìn)一步降低熱損耗。

表1 各PIN二極管的基本參數(shù)(IF=100mA Ta=25℃)

由表1可以見，本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電路中選用的PIN二極管WPX0042H、WPX0059H以及WPX0074H并聯(lián)雙二極管的管芯結(jié)電阻和管芯熱阻均低于同類芯片。在采用多芯片組裝工藝（MCN）時(shí)，可以對(duì)二極管芯片直接加工，避免了管殼封裝產(chǎn)生額外的外熱阻，同時(shí)選用高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電性的導(dǎo)電膠進(jìn)行粘連，增大二極管的熱傳導(dǎo)能力，也減小了芯片和AlN基板之間的熱阻，增加了整個(gè)工藝的可操作性。

對(duì)比同類產(chǎn)品，為減小開關(guān)模塊的整體面積，本文在版圖設(shè)計(jì)中，將接收通道中的串聯(lián)二極管PIN3與PIN1、PIN2放在了同一塊AlN基板上，同時(shí)將隔直接地電容C5放大，把C5和PIN4改為疊層的形式設(shè)計(jì)，將PIN4直接粘連在電容上，這樣設(shè)計(jì)既可以降低原本連接在PIN二極管和隔直接地電容之間的間合金絲在大功率射頻狀態(tài)下產(chǎn)生的損耗，進(jìn)一步減小插損增大隔離度，也可以幫助縮小版圖面積，提高模塊集成度。開關(guān)模塊的整體版圖尺寸從原來上一代的3.3mm×2.3mm縮小到了本文現(xiàn)在設(shè)計(jì)的2.7mm×1.6mm，節(jié)省了43%的版圖面積。如圖6和圖7所示。

圖6 上一代100W開關(guān)模塊產(chǎn)品版圖

圖7 120W開關(guān)模塊改進(jìn)版圖

4 測(cè)試結(jié)果

在電流80mA，電壓VCC=5V，VC1接地，VC2=60V的測(cè)試條件下，發(fā)送模式1.9～4GHz時(shí)發(fā)射通道的插入損耗和接收通道的隔離度如圖8所示，其中包含測(cè)試電路板損耗扣除。

圖8 發(fā)送模式發(fā)射通道插損和接收通道隔離度

在電流80mA，電壓VCC=5V，VC2接地，VC1=60V，的測(cè)試條件下，接收模式1.9～4GHz時(shí)接收通道的插損和發(fā)射通道的隔離度如圖9所示。

圖9 接收模式接收通道插損和發(fā)射通道隔離度

兩種模式下的測(cè)試條件下輸入輸出端口的電壓駐波比如圖10所示。

圖10 輸入輸出電壓駐波比

開關(guān)響應(yīng)時(shí)間實(shí)測(cè)方面，在測(cè)試接收通道，功率模式測(cè)試下，本文設(shè)開關(guān)電路在上升沿和下降沿的響應(yīng)時(shí)間分別達(dá)到231ns和581ns，均小于1us，如圖11所示。

圖11 開關(guān)響應(yīng)測(cè)試

可以看到，實(shí)測(cè)情況在1.9～4Ghz頻段內(nèi)，在包含測(cè)試電路板損耗扣除的情況下，發(fā)送模式開關(guān)電路發(fā)射通道在測(cè)試板上的損耗小于0.5dB，駐波小于1.2，接收通道隔離度為43～45dB。接收模式下接收通道損耗小于1dB，駐波小于1.1，發(fā)射通道隔離度大于10dB。整體開關(guān)響應(yīng)時(shí)間小于1us，對(duì)比同類產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了在更大功率120W的工作頻率下，在1.9～4GHz大功率下發(fā)射模式下獲得更小的插損以及更高的隔離度，比上一代產(chǎn)品的插損降低0.2dB，隔離度提升3～5dB；小功率接收模式下插損降低0.1dB，提升了接收通道的接收靈敏度，完全滿足工程應(yīng)用需求。

結(jié)論：本文介紹了一種大功率高集成射頻前端開關(guān)模塊，模塊在高導(dǎo)熱氮化鋁陶瓷基板上粘連PIN二極管構(gòu)成大功率開關(guān)，并給出了改進(jìn)的單刀雙擲非對(duì)稱結(jié)構(gòu)式開關(guān)，克服了傳統(tǒng)開關(guān)無法在當(dāng)前5G頻段大功率條件下工作的缺陷，實(shí)現(xiàn)了插損小，隔離度高，承受功率更大，尺寸更小，集成度更高等優(yōu)勢(shì)，適用于目前商用5G模式下的通信標(biāo)準(zhǔn)。