射頻開(kāi)關(guān)的研究及其在新一代智能手機(jī)前端模組中的應(yīng)用.pdf

1、現(xiàn)代無(wú)線移動(dòng)終端設(shè)備如智能手機(jī)、平板電腦都集成了不同模式不同頻帶(GSM/EDGE，TD-SCDMA/WCDMA，F(xiàn)DD/TD-LTE)的多項(xiàng)無(wú)線通信服務(wù)。同時(shí)，這些移動(dòng)終端設(shè)備還需要提供WiFi、GPS、藍(lán)牙、調(diào)頻收音機(jī)/移動(dòng)電視、RFID等非蜂窩式通信服務(wù)。此外，為了提高敏感性和避免串音，多天線設(shè)計(jì)越來(lái)越流行。這些原因使得射頻開(kāi)關(guān)在無(wú)線移動(dòng)終端設(shè)備的射頻前端設(shè)計(jì)中扮演越來(lái)越重要的角色。本論文圍繞新一代4G移動(dòng)終端的射頻前端需求，針對(duì)

2、開(kāi)關(guān)技術(shù)和電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究:
　　1.為了比較GaAs pHEMT和SOI CMOS開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的異同與性能的優(yōu)劣，采用這兩種工藝實(shí)現(xiàn)了同一款雙刀五擲(DP5T)頻帶選擇開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)被應(yīng)用于3GWCDMA/4G FDD-LTE的頻帶切換。SOI開(kāi)關(guān)采用了正與負(fù)壓偏置結(jié)構(gòu)和層疊晶體管技術(shù)實(shí)現(xiàn)，GaAs pHEMT版本采用直流電壓懸浮結(jié)構(gòu)和基于多柵晶體管的前饋電容技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在0.9GHz和1.9GHz時(shí)，pHEMT開(kāi)關(guān)的插入損耗為

3、0.27dB和0.52dB，SOI版本為0.41dB和0.65dB，pHEMT開(kāi)關(guān)最小的隔離度為24.1dB和31.3dB，SOI版本為26.9dB和25.7dB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，pHEMT開(kāi)關(guān)優(yōu)勢(shì)在于高控制電壓和低擲數(shù)開(kāi)關(guān)應(yīng)用，而SOI技術(shù)在低控制電壓和高擲數(shù)開(kāi)關(guān)應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)?？紤]到未來(lái)的移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)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(shù)展開(kāi)。
　　2.出于減小開(kāi)銷和提升性能，提出了一種不集成負(fù)電

4、壓產(chǎn)生器的SOI開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)僅采用正電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)管的偏置。采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的同一款DP5T開(kāi)關(guān)與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)版本在0.9GHz時(shí)的插入損耗分別為0.37dB和0.41dB;在1.9GHz時(shí)的插入損耗分別為0.53dB和0.65dB。在0.9GHz時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的隔離度分別為24.2dB和26.9dB;在1.9GHz時(shí)，兩者的最小隔離度分別為325dB和23.6dB。改進(jìn)的結(jié)構(gòu)因?yàn)榭梢愿纳贫丝谠诟哳l下因寄生效應(yīng)惡化的阻抗失配，從而實(shí)現(xiàn)較

5、低的插入損耗和較高的隔離度。結(jié)果表明，雖然對(duì)于高擲數(shù)或高功率的SOI開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，集成負(fù)電壓產(chǎn)生器是更好的選擇，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)更杰出的線性度。但是在頻帶切換和接收分集應(yīng)用中，采用不集成負(fù)電壓產(chǎn)生器的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)不僅可以簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)，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(kāi)關(guān)應(yīng)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(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)了同一款0.18μm SOI單刀八擲(SP8T)天線開(kāi)關(guān)。測(cè)試結(jié)果顯示FB和BC SP8T開(kāi)關(guān)在1.9GHz時(shí)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)B開(kāi)關(guān)可以獲得較低的插入損耗和占用較小的芯片面積;而B(niǎo)C開(kāi)關(guān)有助于大信號(hào)性能的提升，如功率處理能力和諧波性能。
　　4.為了同時(shí)兼顧低的插入損耗和良好的大信號(hào)性能，提出了一種體區(qū)自適應(yīng)偏置技術(shù)。該技術(shù)采用“二極管連接”的FB器件用于連接BC開(kāi)關(guān)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(shù)實(shí)現(xiàn)了同一款0.18μm SOI SP8T天線開(kāi)關(guān)。在1.9GHz時(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本技術(shù)實(shí)現(xiàn)的BC開(kāi)關(guān)不僅獲得了與FB開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān);與采用傳統(tǒng)偏置結(jié)構(gòu)的BC開(kāi)關(guān)相比，不僅獲得了良好的功率處理能力和線性度性能，同時(shí)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(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在所有開(kāi)

9、關(guān)并聯(lián)支路上采用兩重電阻偏置網(wǎng)絡(luò)，可以使得流過(guò)層疊鏈每個(gè)晶體管的泄露交流電流基本保持不變。采用該技術(shù)設(shè)計(jì)了一款0.13μm SOI大功率單刀四擲(SP4T)天線開(kāi)關(guān)。在1.9GHz時(shí)，采用本技術(shù)實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)測(cè)得的P-0.1dB分別為38.7dBm和36.4dBm。在Pin=33dBm條件下，兩種結(jié)構(gòu)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)結(jié)構(gòu)可以顯

10、著提高功率容量并改善諧波失真。
　　6.針對(duì)新一代手機(jī)更高集成度的需求，基于SOI CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了一款單一芯片高集成度MIPI單刀十四擲(SP14T)天線開(kāi)關(guān)模組(ASM)，該ASM包括十二個(gè)3G、4G收發(fā)通路(TRx)、兩個(gè)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)單一芯片超高集成度的多模多頻功率放大器模組(PAM)，該P(yáng)AM涵蓋3GPP的多個(gè)頻帶，包括Ban