SPDT PIN 二極體切換器。如圖 6-2 所示。
極體射頻發射或接收切換器
一 SPDT PIN 二極體切換器的符號與方塊圖顯示於圖 6-1。其為串 聯一 PIN 二極體於發射端與天線端間、分路一 PIN 二極體於接收 端與接地端間、並於天線端與接收端間連接一四分之一波長的傳 輸線； 即構成一完整的
圖 6-1 SPDT 的 (a)符號, 與 (b)方塊圖
圖 6-2 SPDT 電路架構圖
圖 6-3 用以表示 SPDT 電路中的四分之一波長傳輸線原理圖
圖 6-3 說明 輸於天線端
(Antenna) 與發射端 (Tx) 之 。此時接收端 (Rx) 被一四分之 一波長的傳輸線或射頻抑制電感 L 轉換成短路現象；並形成一分 路二極體。而由天線端朝向接收端看，其在共同介面上形成開路 現象；並產生一高輸入阻抗。
在設計射頻切換器電路時，我們會發現此開路現象將會只工作於 一限制的頻寬；甚至在一受限的三度空間 LTCC 結構中設計，其可 能只工作於一個頻率。其意思是說，當訊號由發射端 (Tx) 傳送 至天線端 (Antenna) 時，會有部分的訊號功率洩漏到接收端
了當二 PIN 二極體皆導通時，訊號將會傳 間
(Rx)。圖 6-4 顯示了 SPDT 電路在共同介面上的工作頻寬 f1 至 f2 與單一工作頻率 fo的示意圖。
圖 6-4 SPDT 電路在共同介面的工作頻寬圖
影響 SPDT PIN 二極體切換器電路傳送路徑插入損失的因素有：
1. PIN 二極體插入損失，
2. 連接 PIN 二極體元件的焊墊，
3. 切換器輸入與輸出阻抗匹配電路，
4. 在共同介面上開路現象所產生的高阻抗。
以上因素，其中 PIN 二極體插入損失已固定於二極體被選擇後、
出阻抗匹配電路有其能力限制；因此在共同介面上開路現象所產 生的高阻抗將會是設計 PIN 二極體切換器的一個重要的因素。
由四分之一波長的傳輸線或射頻抑制電感 L 在訊號由發射端 (Tx) 傳送至天線端 (Antenna) 形成的發射迴路的共同介面上所產生 的開路現象，其上的高阻抗只工作於一限制的頻寬；甚至在一受 限的區域設計中，其只工作在一個單點頻率。若高阻抗的工作頻 寬有其限制；則當訊號由發射端 (Tx) 傳送至天線端 (Antenna) 時，會有部分的訊號功率洩漏到接收端 (Rx)。此訊號功率的洩漏
在工作頻 射迴路上
有較大的插入損失。
有兩種影響開路現象效果的因素，一為如同圖 6-4 顯示的，如前
所述 換器電路，在工作頻寬 f1
至 f 發射迴路上會是最小
的。 說在此介面上
所產生的阻抗越高其對發射迴路得影響越小；而在發射迴路上可 寬之外尤其嚴重；換言之，工作頻寬之外在發
在一受限區域設計的 PIN 二極體切
2間；其在單一工作頻率 fo的插入損失在
另一影響因素是共同介面上的高阻抗，也就是
得較低的插入損失。圖 6-5 顯示說明了發射迴路插入損失與高阻 抗在共同介面上的關係圖。
0.000 4.000 6.000 8.000 12.000
10 100 190 380 560 740 1050 1500 1950 4000 8500 20 00 0 r (ohms)
Insertion Loss (dB)
Insertion Loss 10.000
2.000
圖6-5 發射迴路插入損失與高阻抗在共同介面的關係圖
一使用圖 6-2 SPDT 電路架構及 Infineon BAR50-02L PIN 二極體設計 於 GSM 頻段的電路，其模擬與量測結果分別顯示於圖6-6、圖6-7、與 圖6-8。
0.85 0.9 0.95 1
Frequency (GHz) GSM tx-mode
-40 -30 -20 -10 0
0.9151 GHz -0.88023 dB 0.88 GHz
-0.90574 dB
0.91503 GHz -0.56617 dB 0.88 GHz
-0.52955 dB
GSM tx-ant I.L. sim.
GSM rx-tx Iso. sim.
GSM tx R.L. sim.
GSM tx-ant I.L. meas.
GSM rx-tx Iso. meas.
GSM tx R.L. meas.
圖6-7 SPDT 電路於 GSM 發射頻段之模擬與量測結果
0.85 0.9 0.95 1
Frequency (GHz) GSM Rx-mode
-40 -30 -20 -10
0 -0.40562 dB -0.66611 dB
0.96059 GHz -16.601 dB 0.92483 GHz
-14.236 dB
-1.362 dB -1.3641 dB
GSM rx-ant I.L. meas.
GSM rx R.L. meas.
GSM tx-ant Iso. meas.
GSM rx-ant Iso. sim.
GSM rx R.L. sim.
GSM rx-ant I.L. sim.
圖6-8 SPDT 電路於 GSM 接收頻段之模擬與量測結果
0.96012 GHz 0.92488 GHz
0.92491 GHz 0.96035 GHz
6.2 SP3T PIN 二極體射頻發射或接收切換器
通常 SP3T PIN 二極體切換器可如同圖 6-6 所示串接兩個 SPDT PIN 二極體切換器的設計而成。但由於設計空間的限制，我們使用了 如同圖 6-7 所示的單一輸入輸出端及三個輸入輸出端的電路型式 去架構 SP3T PIN 二極體切換器電路。
由圖 6-8 所示的 SP3T PIN 二極體切換器電路結構圖。我們發現其 不但簡化了電路、節省了設計空間、和元件使用的數量與成本。
圖 6-9 一 SP3T 結合兩個 SPDT 的 (a)符號, 與 (b)方塊圖
圖 6-11 SP3T 電路架構圖
然而，如同 SPDT PIN 二極體切換器一樣，其發射迴路的插入損失 會被在共同介面的開路效果所影響。於 SP3T PIN 二極體切換器 中，當發射或接收迴路從端至端形成後，其開路現象是由其它兩 端至共同介面所產生的高阻抗所形成；換言之，其中一路徑是由 四分之一波長的傳輸線或射頻抑制電感 L 所形成，而另一路徑是 由 PIN 二極體的隔離度所形成。譬如如圖 6-8 中所示，若訊號傳 輸迴路由發射端 (Tx) 至天線端 (Antenna) 形成後，其迴路上的 插入損失會受到其它二端 (Rx1 和 Rx2) 在共同介面上所產生的 開路現象所影響。表 6-1 顯示了 SP3T 發射或接收迴路插入損失在 共同介面之影響關係。
表 6-1 SP3T 發射或接收迴路插入損失在共同介面之影響關係
情 況 訊號發射或接收迴路 發射或接收迴路插入損失在共同介面 受到其它二端訊號迴路的影響 1 發射端 Tx 至天線端 Ant 接收端 Rx1 及接收端 Rx2 2 天線端 Ant 至接收端 Rx1 天線端 Tx 及接收端 Rx2 3 天線端 Ant 至接收端 Rx2 天線端 Tx 及接收端 Rx1
一使用圖 6-11 SP3T 電路架構及 Infineon BAR50-02L PIN 二極體設 計於 DCS 及 PCS 頻段的電路及其模擬與量測結果分別顯示於圖 6-12、圖6-13、與圖 6-14。
1.5 2 2.5 Frequency (GHz)
DPS tx-mode
-50 -10 0.
1.93 GHz -1.3313 dB 1.7099 GHz
-1.3915 dB
1.9303 GHz -0.92899 dB 1.7097 GHz
-1.1181 dB
DPS.tx R.L. sim.
. DPS.tx-ant I.L. sim.
DPS.tx-PCS.rx Iso. meas, eas.
DPS.tx R.L. meas.
DPS.tx-ant. I.L. meas.
-30 5
DPS.tx-PCS.rx Iso. sim.
DPS.tx-DCS.rx Iso. sim
DPS.tx-DCS.rx Iso. m
圖6-13 DCS 及 PCS 發射頻段模擬與量測結果
1.5 1.7 1.9 2.1 2.2
Frequency (GHz)
DCS rx-mode
-30 -20 -10 0
1.8049 GHz -0.61756 dB 1.8048 GHz -0.71324 dB
1.8802 GHz -0.7503 dB
1.8802 GHz -0.73033 dB
DCS.rx-ant. I.L. sim.
DCS.rx R.L. sim.
DCS.tx-ant. Iso. sim.
DCS.rx-ant. I.L. meas.
DCS.rx R.L. meas.
DCS.tx-ant. Iso. meas.
圖6-14 DCS 接收頻段模擬與量測結果
1.8 1.9 2 2.1 2.2 Frequency (GHz)
PCS rx-mode
-30 -20 -10 0 1
1.9929 GHz -1.5534 dB 1.9298 GHz
-1.5975 dB
2.0185 GHz -26.163 dB 1.9293 GHz
-0.94083 dB 1.9907 GHz
-0.95052 dB
PCS.rx-ant I.L. sim.
PCS.rx R.L. sim.
PCS.tx-ant Iso. sim.
PCS.tx-ant Iso. meas.
PCS.rx-ant I.L. meas.
PCS.rx R.L. meas.
圖6-15 PCS 接收頻段模擬與量測結果
七、設 計 程 序
由設計流程，我們將會從天線開關模組的系統架構作介紹，其包含了 系統的主要方塊圖、訊號輸入輸出端、和邏輯訊號控制端。接著我們 會顯示說明了在 LTCC 結構中被動電路的佈置圖，再來顯示說明了取自 模擬軟體的天線開關模組實際電路佈置圖。
而由電磁模擬軟體所得到的一些參數，我們架構了一個驗證系統；證 明整個天線開關模組的特性。最後，我們將會比較此整個模組系統的 量測與模擬結果。
7.1 系統架構
-1 一簡單的天線開關模組系統圖
一已經省略輸入輸出端阻抗匹配電路、及直流電源濾波電路之簡 單的天線開關模組 (ASM, antenna switch module) 系統圖，如 圖 7-1 所示。此圖包含了三個邏輯訊號控制輸入端 (Vctl_1, Vctl_2, Vctl_3)；其為控制訊號發射或接收迴路的狀態，一天線 訊 號 輸 入 輸 出 端 適 用 於 發 射 或 接 收 訊 號 ， 兩 個 訊 號 發 射 端 (DCS/PCS Tx 及 GSM Tx) 其為發射來自功率放大器的訊號，和三 個訊號接收端 (GSM Rx, DCS Rx, 及 PCS Rx ) 其為將接收訊號透
圖 7
7.2 天線開關模組方塊電路在 LTCC 多層結構上的佈置
關的連接端亦定義於其外圍，
圖 7-2 用於電磁模擬的天線開關模組方塊佈置圖
圖 7-2 顯示說明了用於電磁模擬軟體的天線開關模組 (ASM, antenna switch module) 電 路 方 塊 佈 置 圖 。 整 個 模 組 是 一 長 4.5mm、寬 3.2mm，使用 Dupont951 材質的 LTCC 結構。
此圖中顯示包含了三個電路方塊；分頻器區分來自天線端的訊號 為高頻段及低頻段、用於 GSM 發射迴路的低通濾波器、及用於 DCS/PCS 發射迴路的低通濾波器。有
其三個邏輯訊號控制輸入端 (Vctl_1, Vctl_2, Vctl_3) 為控制 訊號發射或接收迴路的狀態，一天線訊號輸入輸出端適用於發射 或接收訊號，兩個訊號發射端 (DCS/PCS Tx 及 GSM Tx) 其發射 訊號由 DCS/PCS 及 GSM 發射模式所產生，和三個訊號接收端 (GSM Rx, DCS Rx, 及 PCS Rx ) 其接收訊號是由 GSM、DCS、及 PCS 接 收模式所產生。兩個接地端是用於訊號接地。
7.3 天線開關模組元件在 LTCC 多層結構上的佈置
圖 7-3 取自模擬軟體的天線開關模組電路佈置圖
圖 7-3 顯示自模擬軟體的天線開關模組的被動電路佈置圖。此多 層結構圖主要是用於架構出電容或電感的被動元件。
此圖中可相對應於圖 7-2 的三個電路方塊；分頻器位於其左半部 區域、用於 GSM 發射迴路的低通濾波器位於右上方區域、而用於 DCS/PCS 發射迴路的低通濾波器位於其右下方區域。由圖中，我們 亦可得知其建構了十六個電容或電感的被動元件。
7.4 系統驗證
此圖中，
們可區分整個系統為方框內的 LTCC 模組；其包含了組裝於 LTCC 圖 7-4 天線開關模組系統驗證圖
在經過電磁模擬之後，我們可獲得一些 S 參數用以驗證整個系統 的特性。圖 7-4 顯示了天線開關模組的系統驗證圖。由
我
表層的四個 PIN 二極體和六個集總被動元件、以及建構於 LTCC 內 的十六個電容或電感的被動元件。而方框外部是相關的微調阻抗 匹配電路。
7.5 模擬與量測結果
由前述的天線開關模組 (ASM, antenna switch module) 驗證系 統，我們可區分模擬與量測結果為 GSM 發射模式、GSM 接收模式、
DCS/PCS 發射模式、DCS 接收模式、及 PCS 接收模式。
圖 7-5 將顯示用於天線開關模組的測試板圖。圖 7-6 將顯示用於 測試板的較正板圖及其量測結果；其作為較正補償各模式量測值。
圖 7-5 測試板圖(左上方為放大的天線開關模組)
0.85 1.25 1.65 2 Frequency (GHz)
-25 -15 -5 0.5
1.9297 GHz
0.8802 GHz -22.905 dB
1.9912 GHz -17.347 dB
1.9902 GHz -0.17363 dB
1.9102 GHz -0.16879 dB 1.8803 GHz
1.8052 GHz 1.7102 GHz -0.13628 dB
0.96006 GHz 0.92499 GHz -0.076307 dB 0.91532 GHz
0.87963 GHz -0.080124 dB
Calibration Kit R.L. meas.
Calibration Kit I.L. meas.
Calibration Kit measurement results -0.079608 dB
-0.18326 dB -0.15656 dB
-0.15668 dB -0.080526 dB
圖 7-6 用於測試板的較正板圖及其量測結果
7.5.1 GSM 發射模式
圖 7-7 GSM 發射模式相關訊號流程.
GSM 發射模式的規格包含了插入損失、折返損失、隔離度、和訊號 諧波衰減度。由圖 7-7 得知系統在 GSM 發射模式時，訊號插入損 失是從 GSM 發射端 (Tx) 經由一低通濾波器通過介於 880MHz 和 915MHz 之間的頻段訊號、一 SPDT PIN 二極體切換器、和分頻器 至天線端得到。在此同時，訊號諧波衰減度特性是獲得自低通濾波 器和分頻器二者的訊號阻止頻段。折返損失是記錄自 GSM 發射端。
隔離度有三個訊號迴路部份要考慮；訊號從 GSM 接收端到 GSM 發射 端、訊號從 DCS 接收端到 GSM 發射端、和訊號從 PCS 接收端到 GSM 發射端。此三個訊號迴路是檢查當 GSM 訊號傳送至天線時，如何避 免被三個接收端訊號影響的能力。
0.85 1.35 1.851.9 Frequency (GHz)
GSM Tx - mode
0.91513 GHz -10.979 dB 0.88086 GHz
-19.215 dB
0.91498 GHz -2.5014 dB 0.8792 GHz
-2.2302 dB
1.8303 GHz -37.254 dB 1.7602 GHz
-39.025 dB
1.8 GHz -72.873 dB 0.89061 GHz
-34.29 dB
0.91508 GHz -17.988 dB 0.88014 GHz
-22.057 dB
1.8302 GHz -69.772 dB 1.7601 GHz
-66.019 dB 0.88025 GHz
-1.1756 dB 0.91573 GHz -1.2326 dB
GSM Tx R.L. sim.
GSM Tx-Ant I.L. sim.
GSM Tx-Ant I.L. means.
GSM Tx R.L. means.
圖 7-8 GSM 發射模式插入損失、折返損失和訊號諧波衰減度圖
Frequency (GHz)
Isolation of GSM Tx - mode
-100 -80 -60 -40
0.88019 GHz -50.473 dB
0.91501 GHz
0.9 GHz -66.408 dB -57.653 dB
0.91501 GHz 0.87988 GHz
-27.732 dB
-63.412 dB
0.91 GHz -84.837 dB
0.91519 GHz
0.91548 GHz 0.91515 GHz
0.88019 GHz 0.8798 GHz
-46.669 dB
0.87967 GHz -30.22 dB
GSM Tx-GSM Rx sim.
GSM Tx-DCS Rx sim.
x R
GSM Tx-GSM Rx means.
GSM Tx-DCS Rx means.
0.8 0.84 0.88 0.92 0.96
-20 0
-54.897 dB
0.88001 GHz
-29.052 dB
0.91 GHz -30.891 dB
-78.71 dB -57.683 dB
-67.549 dB
GSM Tx-PCS Rx sim.
GSM T -PCS x means.
表 7-2 GSM 發射模式模擬與量測結果的紀錄 量測迴路或端 模擬結果 量測結果 GSM Tx-Ant I.L. 1.17 ~ 1.23 2.23 ~ 2.5 Att on 2*fo 66.12 ~ 72.87 37.25 ~ 39.03 GSM Tx R.L. 18 ~ 34.3 10.98 ~ 19.22 Isolation GSM.Tx - GSM.Rx 30.22 ~ 30.89 27.73 ~ 29.05 Isolation GSM.Tx - DCS.Rx 46.52 ~ 58 50.41 ~ 66.47 Isolation GSM.Tx - PCS.Rx 67.33 ~ 80 54 ~ 57.65
表 7-2 GSM 發射模式模擬與量測結果的紀錄 量測迴路或端 模擬結果 量測結果 GSM Tx-Ant I.L. 1.17 ~ 1.23 2.23 ~ 2.5 Att on 2*fo 66.12 ~ 72.87 37.25 ~ 39.03 GSM Tx R.L. 18 ~ 34.3 10.98 ~ 19.22 Isolation GSM.Tx - GSM.Rx 30.22 ~ 30.89 27.73 ~ 29.05 Isolation GSM.Tx - DCS.Rx 46.52 ~ 58 50.41 ~ 66.47 Isolation GSM.Tx - PCS.Rx 67.33 ~ 80 54 ~ 57.65