射频天线开关在WLAN和蓝牙方面的应用是什么？

　　什么是射频天线开关
　　先通过一篇射频前端原理框图来了解一下什么是射频天线开关。图1展示的是一个无线电接收与发射设备简单的射频前端原理框图，可以看到，天线与射频IC之间有发射与接收两条通路，无线电信号可以分别通过这两条通路进出基带芯片，而对发射和接收信道的选择则需要射频天线开关来实现。简单来讲，天线开关就是一个用来切换或选择信道的被动器件。从图中还可以看到，在无线电信号的接收通路，我们可以使用LNA缔造声放大器来改善信号的接收灵敏度，而在信号的发射通路，可以使用功率放大器来放大功率强度，从而实现信号的远距离传输。瑞萨电子同样可以提供缔造声放大器和功率放大器产品，本次研讨重点将放在射频天线开关部分。
　　
　　图1 无线电接收与发射设备简单的射频前端原理框图
　　现代通信系统日新月异，射频天线开关的应用也日趋广泛，比如手机和WLAN等，图2中左边是两种射频天线开关在手机中的应用，第一种是天线开关对手机频段的切换，可以利用一个单刀五制的天线开关来实现手机3G和2G频段的切换，以及GSM发射和接收信道的选择，另外一种应用是用是天线开关对内部天线和外部天线进行切换，从第二种应用可以看出，射频天线开关是一种没有方向性的被动器件，信号通过天线开关的方向不会影响天线开关的性能。在图2的右边是射频天线开关在WLAN方面的应用，由于WLAN信号的单工特性，我们需要使用一个单刀双制的天线开关进行信号接收和发射通路的选择。在笔记本或上网本中通常有两个天线，这就要求不仅要对信号的接收和发射的通路进行选择，同时也要对天线进行选择，在这种情况下我们推荐使用双刀双制的天线开关来实现双重选择。
　　
　　图2 射频天线开关的应用
　　可以通过信号的强度来区分天线开关的各种应用。在GSM和UMTS手机、WiMAX客户端设备以及小型基站收发台中，需要用到可通过信号强度在4W以上的射频天线开关，而2W的射频天线开关则可以用在CDMA手机、数据卡、WiMAX终端、WLAN接入点和Felica的产品中。如果用在WiFi、机顶盒和数据调整解调器的产品时，可选择信号强度在1W左右的射频天线开关。在一些信号强度较低的应用场合，比如蓝牙、ZigBee、GPS、电视天线开关、家庭安防系统、以及无线抄表领域，也可以选择信号强度小于0.5W的射频天线开关。
　　瑞萨电子射频天线开关的特性、种类及优点
　　信道的切换其实可以通过使用机械继电器或者开关二极管来实现，但是这两种并不适合手持设备高集成度和低功耗的要求，反观砷化镓和C-MOS工艺的射频天线开关，具有低插损、小尺寸、低功耗、容易控制及高集成度的优点，特别适用于手持设备的使用。
　　从应用功能来区分，瑞萨电子可以提供单刀双制、单刀三制、单刀多制及双刀双制等多种类型的射频天线开关，单刀双制的射频天线开关特别简单，应用也最为广泛，主要应用于接收和发射信道的切换、两条天线的选择等。单刀三制的射频天线开关广泛应用于同时具有WLAN和蓝牙功能的射频产品中。CDMA和NFC产品中也有用到。双刀双制的射频天线开关主要用于同时需要信号接收和发射的切换以及天线选择的应用当中。
　　图3以一个双控制电压的单刀双制开关为例，简单讲述射频天线开关的工作原理框图。射频天线开关利用控制电压的高低控制电平来控制信道的开通和关断。一般来讲，控制电压的高电平在1.8V-3V，低电平为0V。当左下角的控制电压为高电平，同时左上角的控制电压为低电平时，信号通路2打开，信号可以在RFC引脚和RF2 引脚之间传输，图中三个蓝色圆圈中的电容为搁置电容。
　　
　　图3 双控制电压的单刀双制开关
　　为了简化电路设计，瑞萨电子可以提供单控制电压的单刀双制开关。对于单电压控制的单刀双制射频天线开关，VDD可以始终接高电平，只需要改变芯片左下角控制电压的高低电平就可以完成通道RF1和通道RF2之间的切换。
　　射频天线开关的主要性能参数
　　我们最关注的是EBD压缩点，即通常所说的可以通过信号的强度，这个指标可以直接关系到信号传输的失真；第二个主要参数是隔离度，这个指标是针对关断信道而言的，隔离度越高说明信号的泄露越少，指标越好；最后还应当关注射频天线开关的开通速度，开通速度越快越好。
　　瑞萨电子致力于提供高性能和高集成度的射频天线开关，从信号功率要求来看，瑞萨电子可以提供从0.5W到4W的射频天线开关，从封装尺寸来分，瑞萨电子射频天线开关封装最小可以做到1mm×1mm×0.4mm尺寸的产品，从应用角度来分，瑞萨电子射频天线开关包括了单刀双制到双刀四制等产品。
　　
　　图4 两个WiFi射频前端的原理框图
　　工程师在选择瑞萨电子射频天线开关时可以从以下几个角度来考虑，首先明确可以通过信号的强度，其次是开关的功能，再决定选择几刀几制的产品，另外还需要考虑工作频率、性能指标，比如说插损、隔离度等，控制电压的幅值和个数、封装以及价格都是考虑的因素。
　　在瑞萨电子射频天线开关中，uPG2155TB和uPG2156TB是可通过信号强度最高的两颗单刀双制的射频天线开关，他们的控制电压高电平为2.6V，在1GHz处的0.1DB压缩点为37.5DBM，uPG21565TB更可以实现单电压控制。uPG2179TB是市场占有率非常高的一颗射频天线开关，隔离度比较高，可以达到27DB。如果需要更高隔离度的产品，可以使用uPG2012TB，它的隔离度可以达到30DB，同时插损也非常低，在0.3DB左右，并且也可以实现单电压控制。如今越来越多的基带芯片要求使用1.8V的供电，大家可以关注uPG2159等产品，它们都可以实现1.8V的低电压供电。
　　表1展示的是用于中高功率的砷化镓工艺的单刀三制的射频天线开关，uPG2404T6Q可以用在NFC和CDMA的应用中，0.1DB压缩点是33DBM，隔离度为26DB，uPG2405T6Q可以用在NFC和蓝牙、WiFi的应用中，0.1DB压缩点是31DBM，但隔离度可以达到28DB。
　　表1 用于中高功率的砷化镓工艺的单刀三制的射频天线开关
　　
　　表2展示的是专门用于2.5GHz WiFi和蓝牙应用的射频天线开关，单刀双制的射频天线开关主要用于2.5GHz信号的接收和发射信道的选择，其中uPG2214和uPG2030在方案厂商处已经得到了认证。单刀三制的天线开关主要用于同时集成了WiFi和蓝牙功能的应用中，其中uPG2143T6M应用很广泛，它的隔离度是18DB。
　　表2 用于2.5GHz WiFi和蓝牙应用的射频天线开关
　　
　　现在越来越多的上网本带了双频的WLAN功能，瑞萨电子的射频天线开关同样可以覆盖5.8GHz的频率范围，客户可以选择uPG2163T5N，这是一颗单刀双制的射频天线开关，隔离度高达38DB；另外还有单刀三制的，隔离度为28DB。
　　瑞萨电子的射频天线开关除了基于砷化镓工艺的之外，还有基于C-MOS工艺的产品，C-MOS工艺的射频天线开关更具有价格竞争力，适合于频率和功率都比较低的应用，例如收音机、电视和游戏机等，主推的型号有uPD5713TK，以及uPD5738T6N和uPD5731T6M。
　　应用实例
　　首先来看在中国大规模崛起的WiFi的应用，WiFi有2.4GHz和5.8GHz两个频段，射频信号的功率平均在20DBM左右，如果对功率的要求比较高，也可以选用用于WiMXA功能的射频天线开关。
　　图4是两个WiFi射频前端的原理框图，我们需要一个单刀双制的射频天线开关进行接收和发射信道的选择。瑞萨电子积极同主芯片厂商合作，许多射频天线开关已经通过了主芯片厂商的测试和认证，客户可以放心的使用。2.4GHz单频的应用有uPG2158T5K和uPG2179TB等。在2.4GHz和5.8GHz双频的应用中，有uPG2163T5N和uPG2168TBR等。
　　uPG2179TB是一颗在WLAN市场上非常主流的产品，它出现在许多主芯片厂商的参考设计当中，uPG2179TB差损很小，只有0.3DB，隔离度却很高，达到27DB，它是ST363封装的产品。
　　uPG2406T6R和uPG2158T5K性能相似，除了可以用于WLAN之外，还可以用于天线的选择、频段的切换等。它的封装很小，只有1mm×1mm×0.37mm，另外它还可以实现低电压1.8V供电；uPG2185T6R是一颗宽频率范围的产品，它的体积很小只有1毫米见方，但它的频率范围却可以覆盖2GHz~6GHz，同时它的隔离度也比较高，在6GHz时可以达到27DB。
　　前面提到，在一些双天线的产品当中需要双刀双制的射频天线开关来实现天线和信道的双重选择，例如uPG2162T5N和uPG2164T5N。
　　在WLAN和蓝牙方面的应用
　　接下来看一组同时拥有WLAN和蓝牙功能的应用。WLAN有2.4GHz和5.8GHz两个频段，射频信号的功率平均在20DBM左右，峰值功率在28DBM，蓝牙的工作频率也是2.4GHz，但是功率比较低，对于蓝牙第二等级的功率来说，只有4DBM。
　　WLAN和蓝牙共用一根天线，同时WLAN的接收和发射需要两个信道，蓝牙的接收和发射公用一个信道，我们可以使用一个单刀三制的天线开关或者两个单刀双制的天线开关进行信道的选择。左边的框图中我们使用一个单刀三制的天线开关，一次性区分WLAN和蓝牙的信道以及WLAN接收和发射的信道，可以使用的产品有uPG2150T5L、uPG2413T6M和uPG2413T6Z。在右边的框图中信道的选择被分为两个步骤，首先使用一个单刀双制的天线开关来区分WiFi和蓝牙的信道，然后再利用一个单刀双制的天线开关来选择WLAN的接收或发射的信道，在这样的应用中可以使用的产品有uPG2406TK、uPG2179TB等，这两种产品被媒体播放机和手机广泛采用。
　　射频天线开关在WiMAX的应用中主要有以下几个要求，首先必须支持三个频段：2.4GHz、3.5GHz和5.8GHz，同时可通过信号的强度不能低于36DBM，如果是用作客户端产品的话，信号强度还要可能更高一些。
　　带有WiMAX功能的产品最重要的特点就是信号功率比较高，瑞萨主推并且市场占有比较高的产品有uPG2176T5N以及uPG2409T6X。
　　问答选编
　　问：WLAN传输功耗？
　　答：WLAN的信号强度在1w左右。
　　问：请问贵公司的产品从哪些方面体现环保呢
　　答：我们遵循以下标准：REACH、Halogen free和ROHS 。
　　问：功率2W的有吗？
　　答：功率2W的天线开关有很多，你可以关注uPG2176T5N、uPG2010TB等。
　　问：有用在车载定位上的案例吗？
　　答：用于汽车导航的GPS需要外部和内部的天线。SWIC可以用于这两种天线间的转换。
　　问：切换路数最多的是哪类射频天线开关？
　　答：Renesas目前可以提供SP10T的天线开关。一般来讲，现在SP10T也是比较通用的。
　　问：瑞萨的供货周期怎么样？
　　答：我们的官方标准供货周期是8~10周。
　　问：无线开关微功耗进展如何？
　　答：开关控制电流在μA级。
　　问：瑞萨电子uPG/uPD系列天线开关主要应用于哪些领域？
　　答：Renesas天线开关主要用于手机、数据卡、上网本等领域。凡是需要信道选择的应用场合都可以选用Renesas的天线开关。
　　问：瑞萨电子uPG/uPD系列天线开关损耗是多少？
　　答：瑞萨电子uPG/uPD系列天线开关损耗最低在0.2DB左右。
　　问：RF双栅极MOSFET和一般MOSFET在性能上有何不同？
　　答：RF器件更加重视隔离度，插损等指标（具体请参考Presentation）。
　　问：目前有没有针对平板电脑相关应用的开关产品？
　　答：针对平板电脑SPDT/SP3T可用在WiFi和蓝牙中。但是电脑制造商通常使用含有我们的SWIC的模块。
　　问：天线开关会不会造成信号的衰减？
　　答：会有信号的衰减，天线开关有一个指标是Insertion loss，这个指标就体现了衰减的程度，一般大概在0.2dB~0.4dB。
　　问：请教专家：隔离度27dB的含义？
　　答：这个是针对关断信道而言的。拿一个SPDT的天线开关举例来说，在输入端输入一个30dBm的信号，天线开关信道1打开，2关断，那么在信道2的输出端最多只能输出3dB的信号。
　　问：Renesas用在Wi-Fi的器件有那些？ 能举例说明吗？
　　答：可以关注uPG2413，uPG2430等等。
　　问：功耗如何，毕竟我们不希望移动设备总需要充电。
　　答：开关电流都是μA级的，功耗很低。
　　问：请教专家：Pin（1dB）及Pin（0.1dB）的情况下，30dBm的含义？
　　答：Pin（1dB）指的是当信号的输出衰减1dB时输入信号的强度。同样的，Pin（0.11dB）指的是当信号的输出衰减0.1dB时输入信号的强度。
　　问：瑞萨电子uPG/uPD系列天线开关应用频率范围？
　　答：50MHz~6GHz.
　　问：RF产品的阻抗匹配很重要，如何做到这一点？
　　答：Renesas天线开关要求匹配阻抗是50ohm.
　　问：用于高频产品中天线开关的EMC特性如何？
　　答：天线开关是ESD敏感器件。在我们的可靠性报告中可以查阅人体模式和机器模式的耐压值。
　　问：uPG/uPD系列天线开关产品功率越大插损也就越大吗？
　　答：一般而言是这样的，但并没有必然的关系。
　　问：2.4GHz无线开关设计在PCB布局上需要注意的问题有那些？
　　答：如果你采用B/B或者RFIC厂商的参考设计，应该没有问题。
　　问：最小封装能做到多小？
　　答：最小封装是 1mm×1mm×0.4mm （T5k/T6R）
　　问：就无线开关设计而言，2.4GHz和5GHz在性能上有何差别？
　　答：通常频率越高，相应的指标（隔离度和插损）会弱一些。
　　问：PCB的走向是否也会形成天线效应而导致辐射或发射呢？
　　答：在射频设计当中，PCB的走线会影响射频性能。
　　问：PCB上多枚天线开关之间是否也会造成相互干扰或影响？
　　答：因为天线开关是被动器件，这个影响是很小的。