射频开关的研究及其在新一代智能手机前端模组中的应用

摘要

现代无线移动终端设备如智能手机、平板电脑都集成了不同模式不同频带(GSM/EDGE，TD-SCDMA/WCDMA，FDD/TD-LTE)的多项无线通信服务。同时，这些移动终端设备还需要提供WiFi、GPS、蓝牙、调频收音机/移动电视、RFID等非蜂窝式通信服务。此外，为了提高敏感性和避免串音，多天线设计越来越流行。这些原因使得射频开关在无线移动终端设备的射频前端设计中扮演越来越重要的角色。本论文围绕新一代4G移动终端的射频前端需求，针对开关技术和电路结构进行了深入的研究:
　　1.为了比较GaAs pHEMT和SOI CMOS开关设计的异同与性能的优劣，采用这两种工艺实现了同一款双刀五掷(DP5T)频带选择开关，该开关被应用于3GWCDMA/4G FDD-LTE的频带切换。SOI开关采用了正与负压偏置结构和层叠晶体管技术实现，GaAs pHEMT版本采用直流电压悬浮结构和基于多栅晶体管的前馈电容技术实现。在0.9GHz和1.9GHz时，pHEMT开关的插入损耗为0.27dB和0.52dB，SOI版本为0.41dB和0.65dB，pHEMT开关最小的隔离度为24.1dB和31.3dB，SOI版本为26.9dB和25.7dB。实验结果表明，pHEMT开关优势在于高控制电压和低掷数开关应用，而SOI技术在低控制电压和高掷数开关应用中更具优势。考虑到未来的移动通信发展趋势必定是低功耗和高集成度，后续的研究工作主要围绕SOI CMOS技术展开。
　　2.出于减小开销和提升性能，提出了一种不集成负电压产生器的SOI开关结构。这种结构仅采用正电压实现对开关管的偏置。采用改进结构实现的同一款DP5T开关与传统开关版本在0.9GHz时的插入损耗分别为0.37dB和0.41dB;在1.9GHz时的插入损耗分别为0.53dB和0.65dB。在0.9GHz时，两种结构的隔离度分别为24.2dB和26.9dB;在1.9GHz时，两者的最小隔离度分别为325dB和23.6dB。改进的结构因为可以改善端口在高频下因寄生效应恶化的阻抗失配，从而实现较低的插入损耗和较高的隔离度。结果表明，虽然对于高掷数或高功率的SOI开关来说，集成负电压产生器是更好的选择，因为可以实现更杰出的线性度。但是在频带切换和接收分集应用中，采用不集成负电压产生器的开关结构不仅可以简化整体设计，还可以降低芯片面积。
　　3.旨在提供一种半定量的方法用于选择合适器件用于特定的开关应用，首次从器件模型切入，系统研究了部分耗尽型(PD)SOI工艺中基于浮体和体接触器件(FB和BC FET)实现的开关插入损耗、隔离度、功率处理能力和谐波失真性能差异。采用两种器件分别设计了同一款0.18μm SOI单刀八掷(SP8T)天线开关。测试结果显示FB和BC SP8T开关在1.9GHz时，两者插入损耗分别约为0.53dB和0.65dB，最低隔离度分别为27.6dB和29.3dB，P-0.1dB分别为38.0dBm和38.4dBm，在Pin=33dBm条件下，二次谐波分别为-70.6dBc和-75.5dBc，三次谐波分别为-60.4dBc和-79.9dBc。实验数据表明，FB开关可以获得较低的插入损耗和占用较小的芯片面积;而BC开关有助于大信号性能的提升，如功率处理能力和谐波性能。
　　4.为了同时兼顾低的插入损耗和良好的大信号性能，提出了一种体区自适应偏置技术。该技术采用“二极管连接”的FB器件用于连接BC开关管的栅极与体区，不再需要额外的体区偏置电阻和偏置电压。基于该技术实现了同一款0.18μm SOI SP8T天线开关。在1.9GHz时，插入损耗为0.52dB，P-0.1dB为39.2dBm。在Pin=33dBm条件下，二次和三次谐波分别约为-80.7dBc和-79.9dBc。实验结果表明，采用本技术实现的BC开关不仅获得了与FB开关可比拟的插入损耗性能，而且线性度和功率容量均优于FB开关;与采用传统偏置结构的BC开关相比，不仅获得了良好的功率处理能力和线性度性能，同时还降低了插入损耗。
　　5.基于提高功率容量的目的，创新性地首次提出一种改善层叠晶体管链电压摆幅不平衡分布的开关结构，该结构在所有开关并联支路上采用两重电阻偏置网络，可以使得流过层叠链每个晶体管的泄露交流电流基本保持不变。采用该技术设计了一款0.13μm SOI大功率单刀四掷(SP4T)天线开关。在1.9GHz时，采用本技术实现的开关与传统结构开关测得的P-0.1dB分别为38.7dBm和36.4dBm。在Pin=33dBm条件下，两种结构测得的二次谐波失真分别为-83dBc和-74dBc，三次谐波失真分别-83.5dBc和-77dBc。实验结果表明，改进结构可以显著提高功率容量并改善谐波失真。
　　6.针对新一代手机更高集成度的需求，基于SOI CMOS工艺实现了一款单一芯片高集成度MIPI单刀十四掷(SP14T)天线开关模组(ASM)，该ASM包括十二个3G、4G收发通路(TRx)、两个2G GSM发射通路并集成了片上GSM滤波器。此外，基于CMOS/GaAs-HBT/SOI混合工艺实现了一个单一芯片超高集成度的多模多频功率放大器模组(PAM)，该PAM涵盖3GPP的多个频带，包括BandsⅠ，Ⅱ，Ⅲ/Ⅳ，Ⅴ和Ⅷ频段，并以双功率模式运行。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 射频开关国内外研究现状

1．3 本论文研究目标

1．4 本论文主要内容和章节安排

第二章 射频开关理论分析

2．1 无线收发机系统简介

2．2 射频开关类别

2．2．1 天线开关

2．2．2 频带选择开关

2．2．3 分集开关

2．2．4 非蜂窝系统中的收发开关

2．3 射频开关关键性能指标

2．3．1 插入损耗

2．3．2 隔离度

2．3．3 功率容量

2．3．4 谐波失真

2．3．5 三阶互调

2．3．6 开关速度

2．4 射频开关技术趋势

2．4．1 GaAs pHEMT技术

2．4．2 SOI CMOS技术

2．4．3 GaAs pHEMT和SOI CMOS对比

2．5 射频开关设计原理

2．5．2 栅电阻与漏-源电阻

2．5．3 静态偏置结构

2．5．4 功率容量与非线性分析

2．5．5 对称与非对称拓扑结构

2．5．6 控制信号协议

2．6 本章小结

第三章 3G WCDMA／4G LTE双刀五掷频带选择开关设计

3．1 基于GaAs pHEMT和SOI CMOS的DP5T开关对比设计

3．1．1 选用工艺简介

3．1．2 器件选择

3．1．3 直流偏置电路

3．1．4 整体电路结构

3．1．5 开关RF-core

3．1．6 仿真结果对比

3．1．7 芯片版图

3．1．8 测试平台搭建

3．1．9 测试结果及分析

3．2 不集成负电压产生器的SOI DP5T开关的设计

3．2．1 一种不集成负电压产生器的S01开关结构

3．2．2 插入损耗与隔离度分析

3．2．3 芯片版图

3．2．4 测试结果及分析

3．3 本章小结

第四章 高性能0．18μm SOI CMOS天线开关的设计

4．1 基于FB和BC器件的单刀八掷天线开关对比设计

4．1．1 插入损耗分析

4．1．2 隔离度分析

4．1．3 功率容量分析

4．1．4 谐波失真分析

4．1．5 SP8T开关拓扑结构

4．1．6 芯片版图

4．1．7 测试平台

4．1．8 仿真与测试结果对比分析

4．2 基于体区自适应偏置技术实现的低插损高线性SP8T天线开关

4．2．1 一种体区自适应偏置开关结构

4．2．2 体区自适应偏置技术的优势

4．2．3 芯片版图

4．2．4 仿真与测试结果对比分析

4．3 本章小结

第五章 大功率0．13μm SOI CMOS天线开关的设计

5．1 关断层叠链电压摆幅不均匀分布效应

5．1．1 产生机理

5．1．2 对开关的影响

5．2 一种改善电压摆幅不平衡分布的高功率开关结构

5．3 基于改进结构实现的大功率0．13μm SOI单刀四掷天线开关

5．4 芯片版图

5．5 大信号仿真与测试结果

5．6 本章小结

第六章 射频开关在新一代智能手机前端模组中的应用

6．1 高集成度的含GSM滤波器SOI SP14T MIPI天线开关模组设计

6．1．1 MIPI SOI天线开关模组架构

6．1．2 SP14T RF-core设计

6．1．3 ASM芯片版图

6．1．4 芯片测试结果

6．2 高集成度的CMOS／GaAs／SOI混合工艺多模多频功放模组设计

6．2．1 功率放大器简介

6．2．2 包含频带选择开关的多模多频功放模组架构

6．2．3 宽带线性双功率模式功放设计

6．2．4 MMMB PAM芯片版图

6．2．5 芯片测试结果及分析

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的成果

声明

致谢