第四章 智慧型天線於基地台之應用
4.2 射頻切換器
4.2.1 射頻切換器介紹
射頻切換器(RF switch)在許多系統上均有廣泛應用，它是一種半導體控制電路，用 來控制能量流向。射頻切換器電路型式主要有兩種，PIN 二極體及砷化鎵(GaAs, Gallium arsenide)微波單晶積體電路(MMIC)，其中 PIN 二極體射頻切換器一般用於低功率、高速 率及高可靠度之應用；而砷化鎵微波單晶積體電路通常使用於更高的工作頻率範圍、更 快的切換速度。而應用於微波系統的開關有數種切換模式，圖 4-2 為本論文中所使用的 類型：單刀四擲開關( single-pole four-throw, SP4T)。
input switch
圖 4-1 四組單一導體洩漏波帶狀天線陣列搭配微波高頻開關切換輻射主波束的 示意圖。
本文中射頻切換器使用 HEXAWAVE 之型號 HWS451 的 IC，圖 4-3 為此砷化鎵 SP4T 切換器(GaAs SP4T switch)之封裝後尺寸大小規格，封裝後 IC 大小約為 3mm×3mm，圖 4-4 為此射頻開關之偏壓電路圖，其操作頻率範圍從 DC 至 6GHz，RFC 為射頻訊號輸入 端，RF1、RF2、RF3、RF4 為射頻訊號輸出端，VC1、VC2、VC3、VC4 為直流偏壓，
此四值之邏輯值可控制射頻訊號由哪埠輸出，CA為 8pF 之旁路電容(by pass capacitor)，
CB為 8pFf 之直流阻絕電容(DC blocking capacitor)。表 4-1 為此 SP4T 射頻切換器之邏輯 表，可依此邏輯表控制偏壓，切換訊號輸出方向。
(a) (b)
圖 4-2 單刀四擲射頻切換器(a)符號；(b)方塊圖。
圖 4-3 砷化鎵 SP4T 切換器(GaAs SP4T switch)之封裝尺寸大小規格。
4.2.2 射頻切換器實作與量測結果
實作 SP4T 射頻切換器，我們利用與單一導體洩漏波帶狀天線相同之板材 RO4003，
其介電常數為 3.55，板材厚度為 0.508mm(20mil)，由於 IC 除了旁邊三支腳位需要接地 外 ， 背 面 也 有 需 要 接 地 的 部 分 ， 故 我 們 採 用 CBCPW(Conductor Backed Coplanar Waveguide)作為放置 IC 之電路布局，圖 4-5 為完整射頻切換器實作圖，圖中之四條電線
1
VC VC 2 VC 3 VC 4 RFC RF 1 RFC RF 2 RFC RF 3 RFC RF 4
1 0 0 0Insertion
Loss
Isolation Isolation Isolation 0 1 0 0 IsolationInsertion
Loss
Isolation Isolation 0 0 1 0 Isolation IsolationInsertion
Loss
Isolation 0 0 0 1 Isolation Isolation IsolationInsertion
Loss
“1”= +3V to +5V ： “0”= 0V to +0.2V
圖 4-4 砷化鎵 SP4T 切換器(GaAs SP4T switch)之偏壓電路圖。
表 4-1 砷化鎵 SP4T 切換器(GaAs SP4T switch)之邏輯表。
外接直流偏壓可以控制輸出訊號之流向，中間即為 HWS451 之砷化鎵 SP4T 射頻切換器 元件，透過反射損耗(Return Loss)之量測，我們能夠確認射頻訊號之能量是否完全傳入 切換器而不被大量反射影響輸入之訊號，透過介入損耗(Insertion Loss)的量測，我們能 確認射頻訊號經過切換效果所產生之諧波衰減程度，透過隔離度(Isolation)之量測我們能 確定當開關切換至某埠時，其他未使用之埠所受之干擾程度。
由表 4-1 可知當邏輯輸入 VC1=1、VC2=0、VC3=0、VC4=0 即為 RFC 切換至 RF1 之效果，而切換至 RF2、RF3、RF4 之邏輯輸入方法雷同，而圖 4-6 分別為切換至 RF1、
RF2、RF3、RF4 之情況下的介入損耗以及輸入端之反射損耗。圖 4-7 為切換至 RF1 輸 出之情況下其他三個輸出端之隔離度，切換至其他埠時隔離度大致相同，故不贅述。
VC1 VC2
VC4 VC3
RFC RF1
RF4
RF2
RF3 30mm
20mm
圖 4-5 砷化鎵 SP4T 切換器(GaAs SP4T switch)之實作圖。
2 4 6 8
insertion loss of port1 insertion loss of port2 insertion loss of port3 insertion loss of port4 return loss of input -10dB
isolation of port 2 isolation of port 3 isolation of port 4
Frequency(GHz)
dB
圖 4-7 切換至 RF1 輸出之情況下其他三個輸出端之隔離度
由上述圖表可看出，射頻切換器之反射損耗於 IC 之適用頻段 DC~6GHz 內均低於
insertion loss of port1 insertion loss of port2 insertion loss of port3 insertion loss of port4
圖 4-8 應用頻段下切換至 RF1、RF2、RF3、RF4 之介入損耗。
Frequency(GHz)