用于4G/5G的下一代射频开关解决方案

无线技术发展的历史可以总结为数据速度不断提高的历史。从20世纪90年代引入的、仅传话音的模拟1G标准开始，蜂窝标准已经走了很长的路。1G标准当初调制的是 150MHz频率的单频段。到了2G时代，首个数字蜂窝标准引入了四频段的系统解决方案，而增加频段分配的趋势到3G时得到了进一步延续。为了支持全球漫 游和更高的数据速度和容量需求，3G通常支持多达8个频段。今天，随着4G先进的长期演进(LTE-A)的推广使用，我们正在目睹分配频段的爆炸式增长。鉴于对全球漫游和更宽频率带宽的需求，LTE开发已经成为主导力量。

目前给LTE FDD和LTE TDD应用分配的频段已经超过40个。随着频段的扩展，我们体验到了数据速度和容量的显著增加。从2G下行链路(DL)和上行链路(UL)的 14.4kps速度开始，如今的LTE cat6将提供高达300Mbps的下行链路和50Mbps的上行链路数据速率。诚然，客户和市场要求还在不断提高。LTE-A上行链路的峰值数据速率目 标将高达1Gbps。即使这个值也只是第一步，目标还在不断的快速提高。与这个挑战一起，增加移动宽带容量是必须的。据爱立信研究报告预测，2012年和 2018年之间的移动数据业务有望增长12倍，而且到2018年底，智能手机用户将超过30亿。

在无线行业中，对数据速率和 数据容量需求的显著增加被称为"实现1000倍移动数据挑战"。可以帮助我们应对这个1000倍移动数据挑战的解决方案将要求更多的频谱。我们已经知道， 日本将在2015年引入3.5GHz(LTE TDD频段42和43)，其他国家也将跟进。下一步是引入100MHz的下行链路载波聚合(CA)。

只是为了比较，LTE cat6在2×1MIMO移动手机配置中使用了40MHz(20MHz+20MHz)的载波聚合。对于100MHz载波聚合带宽来说，有必要将TDD和FDD LTE频段组合起来。虽然从LTE cat1到LTE cat6，下行链路数据速率已经增加了30倍，即从10Mbps增加到了300Mbps，但上行链路的数据速率只增加了10倍，即从LTE cat1的5Mbps增加到了LTE cat6的50Mbps。但是，在最近举办的大型公众活动(如世界杯、奥运会等)期间，运营商们经历了上行链路数据容量超过下行链路数据容量的情况。这种 情况当然引起了运营商们对下行链路/上行链路发展矛盾的关注，他们越来越迫切地希望找到一种能够减小下行链路/上行链路数据速度比值的方法。顺着这个方向 走出的前几步将是在手机配置中引入发送的分集路径(或2×2 MIMO)，并引入上行链路(或发送)载波聚合。

随着"实现1000倍移动数据挑战"目标的进一步深入，在越来越接近5G标准的过程， 移动手机或用户设备(UE)的射频性能正在变成市场中一个真正关键的瓶颈。

高端智能手机中的射频前端(RF-FE)架构已经变得异常复杂，必须支持满足全球漫游需求的大量频段和最少手机型号变化的方法。因此所需射频前端元件的清单 变得越来越长。这种复杂的射频环境引起了元件方面的诸多挑战：插损(IL)、隔离和线性性能。频段间载波聚合要求在单个射频前端内使用多个有效的接收/发 送路径，其对成本、性能和功耗的影响带来了更多的复杂性，进而导致需要减少来自两条或更多条有效的接收和发送路径的互调和交调。在这种环境中，射频天线开 关的线性性能变得至关重要(见图1)。业内通常用3GPP标准来衡量为了避免与网络上的其它设备发生干扰所要求的线性程度。这是通过规定三阶输入截取点 (IIP3)实现的。根据英特尔移动公司的数据来源，2G对开关线性度的要求是IIP3=55dBm，3G开关要求是65dBm，LTE开关的IIP3要 求是72dBm，具有上行链路载波聚合功能的LTE-A天线开关必须满足IIP3=90dBm的要求。

图1：未来手机的线性度要求。

目前固态开关技术(如SOI或SOS)正在接近技术极限，将无法达到IIP3＝90dBm的要求(见图2)。问题在于它们较差的Ron×Coff=120品质因数(FoM)开关和内部关断状态下SOI/SOS晶体管的漏电流，它将影响开关的线性度、插入损耗和隔离度。针对高的多掷开关配置和更高频段增加开关掷数将进一步快速劣化性能，使得这类开关不适合LTE-A的切换。能够达到IIP3>90dBm这个射频性能目标的唯一一种开关是射频MEMS开关。

图2：SOI不再能够应对。

DelfMEMS射频MEMS开关是表贴式微电机器件，使用机械运动切换射频传输线是导通还是关断(见图3)。这种技术不受频率依赖性和高多掷开关配置极限的影响。由于其品质因数小于10，这种开关与现有固态解决方案相比可以提供极其优异的线性度、插损和隔离性能。

图3：DelfMEMS射频开关。

DelfMEMS开关已经成为典型的LTE-A射频前端的理想解决方案，因为这时的低插损是关键。高的插损将直接负