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。

在頻率較高時，開關元件通道關閉的等效電容，呈現的阻抗隨頻率下降，無法達到良好的開關效能。因此為了達到良好的開關特性，有許多文獻提出補償切換元件的寄生效應的技術，常用的有並聯共振 (parallel-resonant)與分布式(distributed)開關。

並聯共振開關架構如圖三所示^[5]，將一個小電感(Lp)與開關元件並聯，在開關元件關閉時，電晶體的寄生電容與Lp形成一並聯共振腔，在共振頻率

共振腔呈現高阻抗。藉此可以改善串聯開關的隔離度與並聯式開關的穿透損耗。而在開關元件導通時，其寄生電阻與電感並聯，仍提供一低阻抗，將訊號反射。

(a)

(b)

圖三、(a) 串聯式，與(b)並聯式共振型開關。

分布式開關架構如圖四所示^[6]，在數個並聯的開關元件間增加一串聯電感(Ls)。在開關元件關閉時，其寄生電容與Ls形成串聯電感與並聯電容的網路，這樣的電路與傳輸線的等效電路模型相同，其特徵阻抗為

我們稱之為人造傳輸線(artificial transmission line)。藉由適當設計特徵阻抗為50 W，則可以達到一個寬頻低反射的效果。而當開關元件導通時，其輸入為小阻抗，可將訊號反射。

圖四、分布式開關。

並聯共振開關架構簡單，所需面積小。但是因為使用到共振機制，操作頻寬較窄，容易受到製程變異的影響。分布式開關可視為傳輸線，具有寬頻的效果，但需要面積較大。

收發開關的功能為選擇天線連接到發射機或是接收機，因此所需要的是單刀雙擲(single-pole-double-throw，SPDT)開關。單刀雙擲開關是以兩組單刀單擲(single-pole-single-throw，SPST)開關組成，兩組SPST開關分別為導通與關閉狀態，而關閉的SPST開關輸入阻抗必須要為高阻抗，使SPDT開關的輸入訊號順利進入導通的SPST開關。最基本的SPDT開關架構可以利用兩個串聯開關組成，如圖五(a)所示。而為了提升隔離度，另一種常用的SPDT開關架構為利用兩個串聯-並聯(series-shunt)開關組成，如圖五(b)所示。在毫米波頻段，前述的串聯開關也可以以四分之一波長的傳輸線來取代，如圖五(c)所示。

(a)

(b)

(c)

圖五、(a) 串聯式，(b)串聯-並聯式，與(c)使用四分之一波長傳輸線之單刀雙擲開關。

       表二為數個採用不同製程、架構的SPDT開關特性比較表。在45 nm CMOS SOI製程中，使用基本的串聯-並聯開關架構，並以電感與電容改善阻抗匹配，達到dc到60 GHz的操作頻段 ^[7]。收發開關的操作上，接到發射機端需要可以承受較高的訊號強度，因此可以收發兩端作不對稱的設計。利用不對稱的設計與基極浮接(body floating)的技巧，可以有效提升發射端可承受的功率強度^[8]-[9]。

表二、SPDT開關比較表

在這兩篇文獻中，同時使用到共振的技巧，因此操作頻寬也較窄。在100-nm GaAs pHEMT製程中採用分布式架構與四分之一波長傳輸線設計的開關，達到35-70 GHz寬頻的操作。此外，同時使用堆疊式(stack)開關元件來改善可承受的功率 ^[11]。在開關特性較好的PIN二極體製程中使用簡單的並聯式開關搭配四分之一波長傳輸線設計而成的SPDT開關，在30-40 GHz頻帶中，達到優異的穿透損後與隔離度，其可承受功率更可達到5 W (37 dBm)以上 ^[12]。

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