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射频开关是一种能够让手机在不同射频信号通路之间切换的器件，它就好像是信号的“桥梁”，不断将信号通路连接或切换。射频开关应用的范围也很广泛，在2G/3G/4G5G蜂窝通信系统、Wi-Fi蓝牙、GPS等系统中，均是不可或缺的器件。
和家里电灯开关一样，对于射频开关来说，只有“打开”、“关闭”两种状态，功能非常简约。但这种简约的功能背后，却隐藏着复杂而精妙的设计思路，以及不简单的技术挑战。
本文将从目前手机中最常用的开关：SOI开关出发，讨论“简约而不简单”的射频开关设计。
正如其名称一样，开关的功能就是“开”和“关”。射频开关也不例外，射频开关是工作在射频频段的开关，其功能就是控制射频信号的“通”与“断”。
目前手机中应用最广泛的是半导体器件开关，如RF-SOI开关，pHEMT开关等。这些半导体开关的功能与普通的电气开关相同，符号表示也一致。
在《除了调匹配，射频人还要掌握系统知识》中，能够正常的看到，射频开关器件大量分布在射频前端系统中，在天线切换层、频段开关层及子路径实现层中要使用到多个射频开关器件。
开关的评价也非常简约：开启的时候能量尽可能多的传过去；关闭的时候能量尽可能少的漏过来。
的乘积是定值。理解起来也比较直观：当设计中想要用多个晶体管并联来实现低的串联电阻时，
成为衡量开关特性的简约衡量指标，评价一个工艺作为开关使用的优劣，不论取什么尺寸的晶体管，只需要将其
相乘，就能够获得其特性参数。如下图为文章[1]中不同RF-SOI工艺的对比，能够正常的看到，不同工艺的
乘积会有不同，大致在115fs至165fs之间，但相同工艺下的多种器件得到的乘积基本相同。
乘积决定了开关插损与泄露能量的大小，所以在设计低插损、高隔离开关时，应尽量选择低
虽然对于一个射频来说，功能、应用评价都非常简约、直观，但想要将开关做好却并不是特别容易。根本原因在于射频系统越来越复杂，对于“架桥铺路”功能的射频开关也提出了慢慢的升高的要求：
这就像是将原来只负责通过40公里时速小车的一分二岔路口，变成大型立交桥，并且还需要保证重型大车以120公里时速的快速通过。这对“立交桥”设计提出了极高的要求。
根据YOLE的预测[2]，至2023年，全地球手机市场所用到的开关主要集中于SOI与MEMS两种工艺，并且SOI会是绝对的主流工艺。
除了MEMS之外，能够适用于手机的工艺还有很多，比如半导体工艺中的GaAs pHEMT、GaAs FET等，这些工艺在微波毫米波、卫星通信等有广泛应用。另外，普通CMOS工艺也能够适用于低频、高插损的开关设计。SOI之所以能够从这些工艺中竞争胜出，还是因为其作为开关使用时的重要优势：
低插入损耗：SOI开关具有低阻抗和低电容，能够大大减少RF路径中的信号衰减和功耗；
宽带宽：SOI开关可以在很宽的频率范围内工作，从9 kHz到44 GHz甚至更高，这使得它们能够支持多种标准和频段；
CMOS兼容的正极控制接口：SOI开关可以与CMOS逻辑电路轻松集成，并由正电压信号控制，这简化了设计并降低了成本；
坚固的ESD保护：SOI开关在所有引脚上设计具有高ESD耐受性电路，这增强了RF系统的可靠性和耐用性。
与SOI相比，GaAs pHEMT开关虽然拥有非常良好的线性度和隔离度，以及低的通态电阻和截止电容。但它们需要负的栅极电压、有限的集成能力和低的ESD保护，并且GaAs pHEMT工艺价格高，不利于低成本规模应用。这些都使得SOI能轻松实现射频开关后，迅速将GaAs pHEMT等工艺取代。
但SOI进军开关市场的路径也并不顺利，SOI要解决的最要紧的麻烦就是功率问题。
对于手机来说，发射通路中的功率一般在1W量级附近，对于50 Ohm系统来说，射频摆幅会到10V以上，考虑到负载变化带来的影响，这个电压甚至可能会超过20V。而SOI中的MOSFET器件击穿电压只有2V左右，功率耐受在最初的时候成为SOI在手机开关应用中的最大问题。
但这并不是技术不能解决的问题，一些SOI的先驱厂商的工程师做了聪明的尝试。2015年，Peregrine公司的工程师Dylan Kelly等人成功利用SOS（Silicon on Sapphire，蓝宝石上硅）工艺，采用叠管技术，支持高的耐压摆幅，设计制造出能够完全满足手机GSM应用的6T射频开关，并且性能与GaAspHEMT媲美[3] 。由此拉开了SOI设计手机射频开关的序幕。
的乘积依然保持不变，开关的损耗与隔离特性并没有受一定的影响。耐压增加又不影响射频性能，叠管设计这一方法瞬间在射频开关应用中普及开来。
下图为Peregrine公司2005年设计的GSM手机开关[3]。开关采用8个叠管的设计，共有6个支路。支路1和2对开关插损有高要求，所以选了较大的晶体管尺寸，而3/4/5/6之路插损和尺寸之间做了折衷，晶体管尺寸比1和2之路小了一半，所以Ron电阻也会增大一倍。
需要说明的是，以上分析均是假定开关几个叠管之间可以完美的将功率进行均分，但在实际设计中，想要控制电压均匀分布也不是易事，需要仔细设计偏置电路，并将寄生效应完整考虑进来。否则虽然设计上进行了叠管设计，但有很大的可能性对于应对大功率无济于事。
如果在大功率方面处理不好，很好会造成开关烧毁，造成不可恢复的可靠性问题。所以开关的大功率问题，是开关设计不简单的首要注意问题。
为了实现更优的射频体验，5G引入了很多新特性。比如更灵活的子载波配置、天线轮发系统等，这些功能都对开关的切换时间有了进一步要求。在4G时代，开关切换时间的设计目标一般在2us左右，但在5G系统中，这个设计目标已经降低到0.5us以下。
快速切换给开关设计提出了很高的要求。在开关设计中，切换速度的提升主要通过在偏置电路中的优化实现。比如能够最终靠以下方式来提升开关切换速度：
为了实现更高的切换速度，一些创新的方法也被引入进来。比如文献中提出，可以在开关切换的过程中，可以将用于隔离射频与偏置的偏置电阻暂时切除，以达到快速控制切换的目的。在切换完成后，再将偏置电阻补充回来，保证射频性能不受影响。采用这种方法，文章完成了0.35us切换时间的5G开关设计。
偏置电路的优化需要结合射频性能进行，速度的提升要建立在射频性能尽量不受影响的基础上。开关速度的处理是开关设计中另外一个不简单的问题。
在从“岔路口”到“立交桥”的演进过程中，开关的拓扑结构越来越复杂，由此也带来一系列的设计问题。比如其他支路的寄生处理、多支路之间的耦合、多通道同时开启的相互影响等。这样一些问题都给5G手机开关带来挑战。
开关一般用“刀”和“掷”来定义架构。刀的英文是的英文名称是Pole，简称P，指开关中的活动刀轴；掷的英文名称是Throw，简称T，指开关的活动刀头可以通向的触点数目。
比如，1P2T开关，指的就是开关有1个活动刀轴，可以通向2个通路；而2P6T，指的就是开关有2个活动刀轴，可以通向6个通路。在日常开关使用中，“1”也被称为Single，“2”也被称为Double，以1P2T与2P6T开关为例子，日常也被称为SPDT，与DP6T。
多T指的就是开关有非常多输出口。在使用中，同一时刻只会有一个开关开启，但其他关闭状态的开关都是寄生的电容负载。
在多T开关的设计中，为减少过多关断开关对导通支路电容寄生的影响，同时增加隔离度，能够使用将多T开关分组的方式来进行设计。文献[5]中16T开关分为四组，分别为GSM、LTE1、LTE2与Rx，在减小互相之间影响的同时，可以针对性的对不一样的需求进行设计。
多P指的是开关有多个活动刀轴。和机械开关多放置几个活动刀头就能解决不同，半导体开关必须要通过通路矩阵的方式依靠拓扑来实现。
以DPDT开关为例，文献[6]中给出了其中一种实现方式。能够准确的看出，与SPDT开关相比，其通路数目增加一倍。如果开关的P数与T数进一步增加，开关设计复杂度也会指数级增加。
多通需求的原因是因为手机载波聚合（Carrier Aggregation，CA）以及4G/5G双连接（LTE/NR-DualConnection，EN-DC）的需求。这些需求中需要两个射频通道同时工作，所以就需要开关支持多通功能。
在MTK所发布的射频前端规划中，也提出过对多通开关的需求。例如在MTK提出的支持CA的架构中，就依赖于天线开关的两通道同时打开[7]。
开关的双通道打开也对开关提出了新的需求，第一步是要开关能处理好两个频段之间的干扰问题，同时还需要使两频段间的工作状态尽量少的相互影响。
以上框图为互相独立的两个射频通路间同时打开，在5G的系统架构中，有时还需要将同一个开关口同时连接到不同的输出口，这对开关设计提出了新的要求。
在射频前端的四大件中，和PA、LNA、滤波器比起来，射频开关看起来是最简约、最常见的器件，也经常被人们认为是最简单的射频器件。
但射频开关也是应用场景最为复杂的器件，不管是在复杂射频系统构建、还是在射频通路切换中，都能够正常的看到射频开关的身影。不同系统需求下，对开关的要求也是千差万别。要应对好不同场景下的需求，开关设计并不简单。
随着5G的到来，射频前端系统越来越复杂，射频开关也在5G系统构建中大显身手。随着对射频性能要求的提升，以及未来6G的到来，开关应用会更广泛。
