射频开关在射频前端电路中扮演着至关重要的角色,是射频信号与天线之间不可或缺的桥梁。一个SPxT(单刀多掷)开关在常规应用中,通常只有一个RF端口导通将射频信号与天线相连。然而,射频开关的灵活性远不止于此,在某些特定的应用场景中,也可以让两条甚至更多通路同时导通。
以B1+B3+B7的载波聚合(CA)组合(如下图)为例,开关双开模式相比单开模式在设计上能够节省至少一颗Diplexer(分频器)的使用,不仅降低了硬件成本,还简化了系统架构,从而有可能提升信号传输的效率和质量,减少失真和衰减。艾为电子推出的AW13508TQNR、 AW13510TQNR、 AW13512TQNR等系列产品均支持双开多开功能。
图1 B1+B3+B7 CA组合设计示意图
开关双开应用注意点
将一路射频信号分成两路射频信号的措施有:二功分、 Diplexer、Dual Saw、Duplexer,严格来说,双工器不是将信号一分为二。
二功分的原理
能量是守恒的,对于任何一个3端口器件来说,1端口输入的能量等于2端口和3端口输出的能量以及器件自身消耗掉的能量之和。假设器件是无耗的,那1端口输入的能量等于2端口和3端口输出的能量之和。通过设计使两路输出相等,那么每路输出都对应输入能量的一半,即3dB插损,这就是二功分的原理。
对于射频应用,尤其是接收链路设计来说,3dB插损是不可接受的。那是不是意味着开关双开不适合实际应用?并不是,虽然能量是守恒的,但前提是同一频率的能量是守恒的。把不同频率的能量从不同的输出端口输出,这就实现了射频前端电路中所谓的分路,如Diplexer和Dual Saw。所以开关双开应用的关键在于赋予两个输出端口的频率选择特性,如Diplexer和Dual Saw一样,不同端口输出不同频率的能量。
Diplexer和Duplexer的区别
Diplexer用于区分两个跨度较大的频率,两个频率距离越远越好设计,两个输出端口就是两个Filter,可以是低通,高通和带通。Duplexer用于区分同一FDD频段的Tx和Rx,Tx和Rx的频率间隔很小。如下右图,可以把Duplexer认为是一个环形器,即端口1的信号被传输到端口2,端口2的信号被传输到端口3,端口1和3则是隔离状态。
图2 Diplexer和Duplexer示意图
开关双开应用举例
分析开关双开的应用场景,主要是观察开关双开后加上匹配网络的频率选择特性。以B1+B3+B7载波聚合(CA)组合为例,B1+B3的频率在1710-2170MHz之间,B7的频率在2500-2690MHz之间。为了简化分析,没有将B1+B3的Quadruplexer(四工器)以及B7的Duplexer添加到仿真链路中。参考Diplexer的设计,两个输出端口分别设计一个低通和一个高通滤波器。
图3 B1+B3+B7 CA组合设计示意图
- 具体步骤 -
1、设计LC Diplexer
最简单的方式就是在低通和高通通路上分别加一个LC谐振,如下图所示。
图4 LC Diplexer示意图
2、将LC Diplexer在仿真软件上进行建模及仿真
3、将设计好的LC Diplexer的低通和高通支路分别加在开关双开后的两个RF Port上。
此处仿真采用的是AW13508TQNR ANT-RF1和ANT-RF2同时导通的SNP文件。
图5 AW13508TQNR双开示意图
4、对增加AW13508TQNR双开SNP的模型进行仿真
这一步即使没有对LC diplexer设计好的值进行修改,直接仿真下来的结果也不错,这主要得益于AW13508TQNR开关优秀的回损。
开关双开后如果没有加低通和高通滤波器,此时开关类似于一个二功分,插损在3dB以上,对于实际应用来说是不可接受的。所以开关双开应用的关键在于赋予两个输出端口的频率选择特性。
5、对匹配网络进行微调优化性能
注:本文只是简单展示频率选择特性,在实际应用中,对于主集来说,B1+B3的Quadruplexer和B7的Duplexer本身就包含了频率选择特性,匹配网络只需调到50欧姆即可。对于分集来说,可以通过此设计来节约一个SAW。
总结
开关双开的应用本质通过赋予输出端口频率选择特性,将不同频率的能量分开。如上文举例AW13508TQNR RF1和RF2双开时在RF2后面接低通滤波器,RF1后面接高通滤波器。在分配能量的时候,低频能量大部分通往RF2口,高频能量大部分通往RF1口,从而实现双开应用。
艾为电子推出的AW13508TQNR、AW13510TQNR、AW13512TQNR等射频开关均支持双开功能。以AW13508TQNR为例,各端口控制逻辑如下图所示,每条通路的通断均有独立的寄存器比特位控制,通过寄存器屏蔽写功能可以实现不同通路的通断互不影响,因此可以实现双开功能。
图6 Register Detailed Description
- 产品选型表 -
表1 艾为电子支持双开多开功能的RF switches产品选型表
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