浅谈射频开关

出处：网络整理发布于：2025-09-03 11:47:26

一、射频开关是什么？

射频开关是一种用于控制射频信号通道导通与关断的电子元件。您可以把它想象成一个由电信号控制的阀门，但它控制的不是水流，而是高频的无线电信号。

它的基本功能是在多个射频通路之间进行切换，例如：

将一根天线连接到多个不同的收发信机之一。
在测试仪器中，将信号源切换到不同的被测设备上。
在手机中，在4G、5G、Wi-Fi、GPS等不同频段的天线之间进行切换。

二、性能参数（如何衡量一个射频开关的优劣？）

衡量一个射频开关好坏的关键指标非常多，以下是几个重要的：

工作频率范围
- 开关能正常工作的频率区间（如DC-6 GHz）。必须覆盖应用系统的所有频段。
插入损耗
- 当开关处于“导通”状态时，信号穿过它所产生的能量损耗。这个值越小越好（例如0.5 dB），意味着信号绝大部分能量都能通过。
隔离度
- 当开关处于“关断”状态时，对泄漏过去的信号的阻挡能力。这个值越大越好（例如40 dB），意味着关断得非常彻底，通道间串扰小。
开关时间
- 从控制指令发出到开关状态稳定切换所需要的时间。对于需要快速跳频的系统（如雷达、电子战），这个时间至关重要（可达纳秒级）。
功率容量
- 开关能安全处理的射频功率（通常以dBm或瓦特为单位）。大功率应用（如基站发射端）需要高功率容量的开关，否则会被烧毁。
电压驻波比
- 衡量开关与传输线之间的阻抗匹配程度。VSWR越接近1越好，表示信号反射小，传输效率高。
线性度
- 通常用三阶交调截断点来衡量。线性度越高，开关在传输大信号时产生的失真和杂散信号就越少，对通信质量至关重要。

三、主要类型与技术

射频开关可以根据不同的标准进行分类：

1. 按通道结构分（常用）

SPST：单刀单掷。简单的开关，一个输入，一个输出，只有通和断两种状态。像一个简单的电灯开关。
SPDT：单刀双掷。一个公共端，可以在两个输出端之间切换。这是常见的类型。像一个三通阀门。
SPnT：单刀n掷。一个公共端，可以在n个输出端之间切换（如SP4T、SP6T）。用于多通道切换。
DPDT：双刀双掷。可以同步控制两路独立的SPDT开关。用于差分信号或MIMO系统。

2. 按实现技术分（决定了性能和成本）

PIN二极管开关：
- 原理：利用PIN二极管在正向偏置下呈低阻抗（导通）、反向偏置下呈高阻抗（关断）的特性。
- 优点：开关速度极快（纳秒级），功率容量大，线性度好。
- 缺点：需要提供较大的直流偏置电流和控制电路，功耗较高，集成度低。
- 应用：、雷达、测试测量等高性能领域。
GaAs pHEMT FET开关：
- 原理：利用砷化镓伪态高电子迁移率晶体管作为开关元件。
- 优点：开关速度快，功耗极低（几乎是零直流功耗），易于集成，性价比高。
- 缺点：功率容量和线性度通常不如PIN二极管。
- 应用：这是目前消费电子（手机、Wi-Fi路由器）和商用设备中主流的技术。
CMOS / SOI 开关：
- 原理：采用标准的或特殊的硅基工艺（如SOI-硅绝缘体）制造MOSFET作为开关元件。
- 优点：成本，易于与数字控制电路单片集成，功耗低。
- 缺点：传统CMOS性能较差（插入损耗、隔离度、线性度），但先进的SOI技术已极大改善，性能可以媲美GaAs。
- 应用：智能手机天线调谐和开关、物联网设备等对成本和集成度要求极高的领域。
机电继电器：
- 原理：通过机械触点来实现物理通断。
- 优点：近乎理想的射频性能（插入损耗极低、隔离度极高、线性度极好、功率容量超大）。
- 缺点：速度极慢（毫秒级），寿命有限（有机械磨损），体积大，怕振动。
- 应用：高精度、大功率的测试测量设备（如矢量网络分析仪）。