氮化镓射频开关在高功率射频设计中的应用
在大功率射频前端(RFFE)设计中，PIN 二极管技术一直是射频开关的常规选择。由于射频频段的数量有限，而且电路板的空间也不是一个制约因素，一般这种技术是足够的。然而随着现代高功率基站和军事通信射频链路需要覆盖更多频段，以满足安全语音和数据通信的需求，同时优化 SWaP(尺寸、重量和功耗)。在 mMIMO 架构的推动下，5G 基站远端射频头(RRH)的结构正变得极为复杂，许多 RFFE 必须在有限的电路板空间内实现。RRH 通常安装在高高的柱子上，这在总尺寸和重量方面增加了额外的限制，以方便基站设备的安装和维护。RFFE的效率和总功耗对于管理总热耗散也很关键。降低前端滤波器和射频开关的损耗有助于减少总功耗，放宽散热要求，也减少了 RFFE 的尺寸和重量。大功率相控阵雷达就像 5G 基站一样，需要在有限的电路板空间内集成许多RFFE。由于需要复杂的偏置方案和众多的无源元件，用传统的 PIN 二极管开关实现多频段和分布在大频率范围内的多个 RFFE 已经变得非常困难。
Tagore technology（http://www.tagoretech.com）新的射频开关技术可以帮助解决许多这些问题，Tagore Technology成立于2011年，是一家同时具备氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）及砷化镓(GaAs)芯片工艺技术创新解决方案的公司，目前射频器件产品主要包括射频开关、低噪声放大器、射频功率放大器，在移动通信基站、专网无线电、雷达、卫星设备等射频微波领域具有大量广泛的成功应用案例。Tagore Technology（http://www.tagoretech.com）全系列射频开关内置驱动控制电路，不需要复杂的外围偏置高电压驱动电路，相比传统的PIN射频开关设计方案，可以极大简化产品的设计，降低整体BOM成本，大幅度提高电路的集成度，同时在信号插损以及隔离度等方面指标具有明显的竞争优势。
军事通信 RFFE 的要求
基站和雷达 RFFE 的要求
图 3 显示了一个典型的基站或 RRH。现代 5G 基站使用 mMIMO 进行电子波 束导向，根据阵列中发射器和接收器的数量，需要许多 RFFE。高功率相控阵雷达 也使用类似的架构。 在这两种应用中，射频开关提供了一个故障-保护功能，在天线出现不良驻 波比的情况下保护接收器。在 VSWR 不佳的情况下，由于损坏或物体，如鸟类阻 挡了部分天线孔径，发射功率会反射到射频链路。在没有故障-保护开关的情况 下，高反射功率可能会损坏敏感的接收器。在接收(Rx)链路中增加一个故障-保护开关可解决这个问题。 故障-保护开关在 Rx 时隙被切换到 Rx 端口，在 Tx 时隙被切换到 Tx 端口。 在 Tx 期间出现高驻波比的情况下，开关将来自天线的反射功率通过一个环行器 传送到连接在开关的 Tx 端口的 50Ω 负载，从而保护接收器免受高功率的影响。 故障-保护应用的关键射频开关的要求是 Rx 的低插入损耗和 Tx 的高功率处理能力。在 Rx 时隙，开关落在 Rx 路径上，因此它的损耗直接影响到整体的噪声，从而影响到接收器的灵敏度。在 Tx 期间，开关必须在 VSWR 不佳的情况下处理最大的发射功率，并向 Rx 端口提供高隔离度。系统的设计是为了检测不良的驻波比，然而开关必须处理高功率，直到系统检测到故障并降低 Tx 功率或关闭发射器。这个时间段通常是在系统做出反应之前的 10 秒，因此开关需要在这个时间段内处理高功率而不损坏。典型的隔离度从 25 到 35dB 不等，取决于发射器的最大峰值功率和低噪声放大器的最大功率处理能力。基站应用的开关时间要求是小于 1 秒。对于雷达来说，开关时间的要求更为严格，因为它直接影响到雷达探测范围。
GaN 射频开关技术
GaN 在高功率功率放大器中的优势是众所周知的。宽带隙 GaN 器件由于其高击穿电压和高载流子密度而具有高功率密度。GaN 在大功率开关技术方面的优势并不为人所知; 然而GaN 改善功率放大器性能的特性也适用于实现卓越的大功率射频开关。 以我们两款常用的50W连续波功率SPDT TS8021N和10W连续波功率SP4T TS8242FK 举例说明 GaN 射频开关的性能和能力。
上图显示了 TS8242FK 4T 开关的性能，Pcw_0.1dB 为 30 W,非常适合滤波器组扇出，如图 1 所示，用于便携式 10 W LMR/PMR 或军事通信射频链路。该开关在 2.5 GHz 时具有 0.3 dB IL，在 10 W 时谐波性能优于 85 dBc。
大功率开关要在驻波比方面承受非常苛刻的条件，特别是靠近天线的开关。 GaN 射频开关具有出色的热性能和驻波比性能。上图显示了一个 TS8021N 开关在 50W 输人功率和 8:1 驻波比的情况下的热性能。热图像是在部件暴露在这种条件下 1 分钟后拍摄的。驻波比显示的是最差的条件，就功率耗散而言，它发生在低阻抗状态。
总结
使用 GaN 开关的高功率前端已经得到证明，GaN 射频开关解决了军事通信和基站射频链路中与电路板空间和 SWaP 有关的主要问题。GaN 开关消除了与 PIN 二极管开关相关的复杂性，并使设计可移植，这对于 mMIMO 和相控阵至关 重要，因为 Tx 和 Rx 阵列的尺寸在不断增长。随着技术的进步和 FoM 的改进，新一代 GaN 开关将为许多应用打开大门，如大功率可调谐匹配电路、可调谐天线和可调谐滤波器，以上相关产品资料均可以在http://www.tagoretech.com获取。