5G通信的触角: 毫米波MIMO天线开关

些地方将PR与PT倒过来计算，MACOM的Datasheet经常两种方法混着使用。但是总而言之我们希望PT与PR比例越接近1越好，如此IL的绝对值也就越校

假设按照典型损耗1.3 dB来计算：

PR = PT*0.74

假设按照典型损耗2.0 dB来计算：

PR = PT*0.63

隔离度(关断):

图、M器件的隔离度

图、A器件的隔离度

隔离度这个参数好理解，就是开关关闭之后引脚之间的相关性。比如RF1与RFcommon相连之后，RF2与RFcommon信号的耦合的一个衡量参数。这个参数绝对值越大越好，这个参数越大表明关断之后两个引脚的信号耦合度越小。从上图可以看出在M器件的设计工作频段中，隔离-40dB左右。对于如此高频信号来讲此参数非常优秀了。而A器件因为工作频率较低，隔离可以达到60 dB甚至更高。但工作频率不同不能相提并论，这里只是提供参考。

回波损耗：

图、M器件的回波损耗

图、A器件的回波损耗

回波损耗与插入损耗类似，回波损耗是指的插入该器件后其对反射回去信号的损耗度。因为反射回去的信号是不被希望的，所以反射越少越好，这样希望回波损耗越大越好。计算公式跟插入损耗计算类似。这个参数可以简单理解为器件对产生的反射的抑制或者衰减程度。

图、回波损耗公式

上面公式中，Pi是产生的入射功率，Pr是实际反射回去的功率。跟插入损耗一样，MACOM也混着使用Pi/Pr或者Pr/Pi。所以这个参数有时正有时负，只是绝对值越大越好。影响这个参数的主要因素是驻波比和材料的反射常数。

总体来讲，M器件使用AlGaAs工艺，能在7W的功率提供类似于0.25W功率的CMOS工艺的产品的射频性能，使得其适合应用在基站类的场合。而CMOS工艺的A产品因为功率、频率的因素，适合于应用终端类的场合。CMOS工艺的产品目前成本较低，且能使用TTL/CMOS电平来控制，但是由于工艺上先天性的缺陷使得其会逐渐被AlGaAs，GaN这样材料工艺的器件替代。

RF天线开关：PIN二极管，硅(Si)，砷化镓(GaAs)与砷化铝镓(AlGaAs)

PIN二极管

如前所述，目前5G的核心依旧在于新型的无线接口。目前研究的重点频段在26GHz-40GHz，也就是所谓的Ka波段。2016年7月14日，美国的FCC为5G批准的频段正是28GHz, 37GHz和39GHz。

此处简介一下Ka频段的核心器件：PIN二极管天线开关。无论是波束形成还是MIMO都离不开这个器件。到目前为止的低频射频系统的天线开关主要采用的硅工艺的PIN(也称为正-本-负)二极管，但是新型的GaAs与AlGaAs的器件与硅工艺的产品有显著的优点(与缺点)。这里先介绍一下子PIN二极管。

图、PIN二极管示意图

跟一般的二极管不同的是，PIN二极管故意把i区也就是本征区做得很宽。这样做的结果是此二极管如果被用作一般的低频线路，其特性会变弱化。但是在高频线路中，PIN二极管是目前性能最好的天线开关器件。原因在于导通时其等效为一个电感加一个电阻，关断时其表现为一个电感+电阻+电容(某些文档会把电感省去以方便讨论)。除了用于高频开关之外，还有用于光电感应。但此处仅仅讨论它作为高频开关的特性。

它的特性主要由本征区的宽度来决定。假设i区宽度为W。

前向导通时的等效电路：

图、前向导通等效电路

公式：

图、前向导通公式

其中：

Q为电荷，单位为库伦，W为本征区宽度，单位为微米，Un和Up分别为电子与空穴的移动常数。L为寄生电感，一般<1nHy。此公式在f>(1300/(W*W))MHz时候成立。

零或者负偏置时的等效电路：

图、关断时的等效电路

公式：

图、关断时公式

其中e是材料的介电常数，A为节点横截面积，W依然为本征区宽度。

此公式在f>(1/2*Pi*p)时候成立，低于此频率时PIN表现为一个变容二极管。其中Pi为圆周率，p为本征区的电阻。Rp与偏置电压成正比，与频率成反比，一般实际应用电路终此电阻因为远高于Ct产生的阻抗而可以不计。

GaAs制作的PIN与Si材料PIN优缺点对比

Si材料的PIN作为老牌的开关器件材料，在无线系统中做开关已经很多年了。但是随着频率的提升，Si材料开始体现出一些局限性能。这些局限性体现在纳秒级的所谓"快速"PIN二极管上。局限的原因在于从关断转至导通而需要消除的电荷的载流子的速度。本征区越窄，电荷越少，也就越快，但同时要保持一个30-100V的击穿壁垒电压，本征区又必须保持一定宽度。

优点

· GaAs材料的本征带隙比Si材料要高。意味着同等击穿电压的GaAs工艺PIN能够使用更薄的本征区。也就是说能有更快的开关速度。同时此特性还能使得GaAs的PIN拥有更高的阻抗(即在低的前向偏置电压下拥有更小电容)，故此能够使用一般的TTL电路来直接驱动。因为TTL电平的低允许有0.2-0.3V的偏置，这个偏置如果直接接在Si材料的PIN，那么会使得该PI