專欄文章

5G毫米波頻段無線通訊標準採用分時多工(time division duplex，TDD)的技術，因此在射頻前端電路需要一個切換收發訊號的開關 (switch)。由於收發開關位於系統最前端，其損耗與線性度會直接影響接收機的靈敏度與發射機的輸出功率級線性度。讓我們來了解在毫米波頻段的開關的架構與特性。

開關的主要特性是導通時的損耗(insertion loss)、關閉時的隔離度(isolation)與可承受之訊號功率強度 (power handling)或線性度(linearity)。用來設計開關的元件主要可以分為電晶體與二極體(diode)。電晶體的部分過去主要是使用場效電晶體，近年來也有許多使用異質接面雙極性電晶體開發的開關。二極體的部分則是PIN二極體。

使用電晶體作為開關設計的原理是改變閘極電壓來控制場效電晶體的通道(channel)導通或關閉。而此時電晶體的汲極與源極間的跨壓為零，不會消耗直流電流，因此通常稱之為被動式場效電晶體(passive FET)開關。當閘極電壓高於門檻電壓(threshold voltage，V_T )，電晶體的通道導通，其通道特性可以視為一小電阻。當閘極電壓低於門檻電壓時，電晶體通道關閉，其通道效應可以視為一小電容。二極體的直流電流對電壓的關係如圖一所示。

在二極體跨壓為零時，電流並不會隨著電壓增加而改變，因此可知二極體此時為關閉，其特性可等效為一小電容。隨著電壓上升到一定的大小，電流會隨著電壓增加而急遽上升，此時二極體為導通狀態，其特性可等效為一小電阻。這邊我們要注意的是，相對於二極體導通狀態時需要消耗直流電流，使用被動式場效電晶體設計的開關電路不會消耗直流電流。

圖一、二極體電壓電流關係圖。

開關元件的寄生效應，主要即為前述的導通狀態的等效小電阻(Ron)與關閉狀態的等效小電容(Coff )。Ron越大，開關元件的導通效果越差；Coff越大，開關元件的隔離效果越差。Ron與Coff分別會與開關元件的尺寸增加而減小與增大，因此在設計開關時，開關元件的尺寸選擇就需要對Ron與Coff做取捨。我們可以用開關元件的性能指標為，截止頻率(cut-off frequency，fco)

 來評斷一個製程中的開關元件的特性 [1]。表一所列為幾種不同製程中的開關元件之截止頻率。從表中來看，被動場效電晶體開關元件截止頻率約為數百GHz；PIN二極體的截止頻率較高，可以達到幾個THz，因此其寄生效應較小。但在導通狀態時需消耗直流功耗。

表一、開關元件特性比較表。

高頻的開關可以分為串接式(series)與並接式(shunt)設計，圖二所示為使用備動場效電晶體作為開關元件的串接式與並接式開關電路圖。串接式開關，當開關元件導通，其訊號可以通過。此時開關元件的通道等效為一小電阻，此電阻會造成訊號的損耗。當開關元件關閉，因為開關元件的等效小電容呈現高阻抗，其輸入訊號會反射，無法通過。並接式開關，當開關元件導通，因為開關元件等效為小電阻，輸入訊號會反射，無法通過；當開關元件關閉，輸入訊號可以通過。

(a)

(b)

圖二、(a) 串聯式，與(b) 並聯式開關。

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