使用 MEMS 射頻開關(guān)解決高級無線應(yīng)用的設(shè)計(jì)和集成問題

頻率更高和帶寬更寬的無線通信飛速發(fā)展，再結(jié)合多個(gè)射頻 (RF) 接口與天線的集成，使得傳統(tǒng)的射頻開關(guān)方法達(dá)到極限?；?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/10980/" target="_blank">微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)的射頻開關(guān)已發(fā)展成為一種可行且易用的解決方案，可幫助設(shè)計(jì)人員解決高級無線系統(tǒng)中空間、開關(guān)速度、前端濾波和靈活性等問題。

本文首先介紹傳統(tǒng)機(jī)電開關(guān)、各種固態(tài)模擬開關(guān)和 PIN 二極管等傳統(tǒng)射頻開關(guān)方法，然后以Analog Devices的產(chǎn)品為例探討基于 MEMS 射頻開關(guān)的關(guān)鍵屬性。此外，本文還將討論性能特點(diǎn)和可用的開發(fā)支持，從而幫助設(shè)計(jì)人員了解如何運(yùn)用 MEMS 射頻開關(guān)來確保操作的長壽命和可靠性。

射頻開關(guān)應(yīng)用及選項(xiàng)

除了使用單天線支持多個(gè)無線電集成外，射頻開關(guān)還需支持多輸入多輸出 (MIMO) 配置的多天線，引導(dǎo)信號至所需內(nèi)部路徑，或管理自動(dòng)測試設(shè)備 (ATE) 相關(guān)的開關(guān)矩陣。射頻開關(guān)動(dòng)作可包括選擇多個(gè)輸入信號之一并將其引導(dǎo)至單一輸出路徑；或者恰恰相反，將單一輸入信號引導(dǎo)至指定的多個(gè)輸出路徑之一。

直至最近，射頻開關(guān)一直都使用以下主要方式實(shí)現(xiàn)：

?傳統(tǒng)機(jī)電式射頻開關(guān)：這類開關(guān)采用手動(dòng)或電機(jī)控制；通過簡單的 12/24 V 線路或 USB 端口支持遠(yuǎn)程操作。這類開關(guān)易于使用（包含同軸連接器），開關(guān)速度達(dá)數(shù)十吉赫，性能表現(xiàn)出色，但顯然不適合要求尺寸小、重量輕或開關(guān)速度快的應(yīng)用。盡管設(shè)計(jì)陳舊，這類開關(guān)卻仍然應(yīng)用廣泛，并且在許多情況下往往是唯一解決方案。

? 基于 PIN 二極管的開關(guān)：這些開關(guān)具有良好的射頻性能和較快的開關(guān)速度。不過，需要相關(guān)專業(yè)知識才能發(fā)揮其潛力。作為無獨(dú)立開/關(guān)控制線路的雙端子器件，這類開關(guān)的相關(guān)電路比較復(fù)雜，輸入需將直流控制和射頻路徑合并，而輸出則需將其分離。因此，基于 PIN 的射頻開關(guān)大多都以包含支持電路的完整模塊形式提供。

? 場效應(yīng)晶體管 (FET) 和混合固態(tài)開關(guān)：這種固態(tài)開關(guān)采用先進(jìn)的半導(dǎo)體材料和工藝來提供基本低頻晶體管開關(guān)的射頻等效電路。作為電子開關(guān)，這些器件可實(shí)現(xiàn)快速開/關(guān)轉(zhuǎn)換（幾微秒內(nèi)），易于設(shè)計(jì)導(dǎo)入，但在隔離及其他性能屬性方面受到限制。

近來，基于 MEMS 的射頻開關(guān)已成為可行選項(xiàng)，而且現(xiàn)已推出標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。這些器件的開關(guān)機(jī)構(gòu)基于懸臂式 MEMS 元件，雖與某些 MEMS 加速計(jì)類似，但新增了電子控制開關(guān)所需的功能和特性，為射頻信號路徑提供金屬對金屬觸點(diǎn)。

例如，我們來看看 Analog Devices 的ADGM1004，一款 0 Hz (DC) 至 13 GHz 的單刀四擲 (SP4T) 開關(guān)，以及同類產(chǎn)品ADGM1304，一款 DC 至 14 GHz 的 SP4T 開關(guān)（圖 1）。

圖 1：ADGM1004 MEMS 開關(guān)框圖顯示了基本 SP4T 架構(gòu)及靜電放電 (ESD) 保護(hù)二極管等其他關(guān)鍵特性。ADGM1304 與其類似但不含二極管，某些規(guī)格細(xì)節(jié)也有所不同。（圖片來源：Analog Devices）

ADGM1004 和 ADGM1304 可實(shí)現(xiàn)典型的機(jī)械開/關(guān)、觸點(diǎn)閉合功能，采用小型射頻兼容的 24 引腳引線框芯片級封裝 (LFCSP)，尺寸為 5 × 4 × 1.45 mm。這兩款器件可實(shí)現(xiàn) 30 μs 內(nèi)快速開關(guān)，帶寬分別從 DC 至 13 或 14 GHz。雖然規(guī)格總體相近，但兩者在導(dǎo)通電阻 (Ron)、三階交調(diào)截取點(diǎn) (IIP3) 和射頻功率（最大值）等方面存在細(xì)微卻不容小覷的差別（表 1）。

表 1：Analog Devices 的 ADGM1004 和 ADGM1304 基于 MEMS 的射頻開關(guān)，由其頂級規(guī)格可知兩者性能相似，卻存在細(xì)微差別。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

這兩款機(jī)械開關(guān)器件具有金屬對金屬觸點(diǎn)，允許信號能量在任一方向上流動(dòng)，即四極中任一極的信號都可發(fā)送至公共端，而公共端的信號也可發(fā)送至四個(gè)開關(guān)極中的任意一個(gè)。

MEMS 射頻開關(guān)的原理及實(shí)現(xiàn)

隨著各種技術(shù)不斷進(jìn)步，談及概念雖簡單明了，實(shí)際應(yīng)用卻不盡然，MEMS 射頻開關(guān)正是如此。MEMS 射頻開關(guān)使用微機(jī)械懸臂梁和金屬化尖端作為開關(guān)元件。設(shè)計(jì)問題在于如何“激活”懸臂，使其在導(dǎo)通時(shí)移動(dòng)并接觸相應(yīng)的金屬表面，并在關(guān)斷時(shí)斷開連接。MEMS 射頻開關(guān)通過靜電驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)懸臂移動(dòng)（圖 2）。習(xí)慣上雖將各開關(guān)端子稱作“源極”、“柵極”和“漏極”，但該器件仍是機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)，而非 FET 開關(guān)器件。

圖 2：MEMS 射頻開關(guān)的原理是，器件采用一對金屬觸點(diǎn)（分別稱作源極和漏極）以及懸臂梁上的可動(dòng)觸點(diǎn)（柵極），通過靜電力移動(dòng)?xùn)艠O從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)轉(zhuǎn)換。（圖片來源：Analog Devices）

就許多方面而言，MEMS 射頻開關(guān)都與機(jī)械式繼電器極其相似，但其帶觸點(diǎn)的電樞卻建立在微米尺度上。懸臂通過靜電力而非磁場力致動(dòng)。整個(gè)開關(guān)采用 MEMS 專用硅 IC 工藝制造，從而充分利用與該工藝相關(guān)的豐富設(shè)計(jì)和制造專業(yè)知識，提高產(chǎn)量，降低成本（圖 3）。

圖 3：MEMS 射頻開關(guān)的實(shí)際設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)涉及一系列由硅及其他材料構(gòu)成的復(fù)雜層板和涂層，以及蝕刻區(qū)域。（圖片來源：Analog Devices）

為了提高性能并降低直流接觸電阻和射頻阻抗，每個(gè)觸點(diǎn)其實(shí)都由一組并聯(lián)觸點(diǎn)組成；由于采用 MEMS 技術(shù)，這一方式相當(dāng)實(shí)用（圖 4）。

圖 4：為了降低直流接觸電阻和射頻阻抗，MEMS 開關(guān)的觸點(diǎn)由多個(gè)并聯(lián)觸點(diǎn)組成。（圖片來源：Analog Devices）

每種電子元器件都有一個(gè)或多個(gè)品質(zhì)因數(shù) (FOM)，用于描述其性能特征。對于開關(guān)器件而言，最重要的 FOM 值之一是 Ron乘以關(guān)斷電容 (Coff)，常記作 RonCoff乘積，單位為飛秒 (fs)。RonCoff越小，表示導(dǎo)通插入損耗越小，關(guān)斷隔離越高，這兩種屬性都很理想。當(dāng)然，在直流和交流電源線路以及低頻開關(guān)應(yīng)用中，Ron是主要因素，而 Coff很大程度上影響不大。Analog Devices MEMS 開關(guān)的 RonCoff乘積小于 8 fs，表示開關(guān)在導(dǎo)通和關(guān)斷模式下射頻性能都相當(dāng)出色。

驅(qū)動(dòng)和 ESD 將使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，但并不影響實(shí)際使用

對于某些器件類別，設(shè)計(jì)人員的一大顧慮在于該器件的驅(qū)動(dòng)與控制，以及實(shí)現(xiàn)所面臨的眾多難題。理想情況下，只需使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號進(jìn)行控制。（回想一下，連接并驅(qū)動(dòng) PIN 二極管射頻開關(guān)的實(shí)現(xiàn)難度正是其缺陷之一。）

鑒于 Analog Devices 的 MEMS 射頻開關(guān)靜電作用，電場需要約 89 V 直流電壓才能移動(dòng)開關(guān)懸臂，控制驅(qū)動(dòng)器和接口最初面臨的設(shè)計(jì)導(dǎo)入挑戰(zhàn)可能正出于此。事實(shí)上，這并不成問題：這些 3.1 至 3.3 V 的 MEMS 開關(guān)包含帶 DC/DC 升壓電路的獨(dú)立芯片，因此無需使用外部高壓驅(qū)動(dòng)器或電源（圖 5）。

圖 5：如圖所示，ADGM1004 驅(qū)動(dòng) IC（左）和 MEMS 開關(guān)芯片（右），射頻端口 ESD 保護(hù)芯片安裝在上部，利用引線鍵合到金屬引線框架（ADG1304 不含 ESD 芯片）。（圖片來源：Analog Devices）

ESD 敏感性幾乎是所有固態(tài)器件所面臨的共同問題。不過，傳統(tǒng)機(jī)械式射頻開關(guān)無需顧慮該問題，因?yàn)檫@類器件本質(zhì)上具有較高的 ESD 抗擾度。為解決 ESD 敏感性問題，Analog Devices 提供了 ESD 保護(hù)元件。在 ADGM1004 封裝中的這個(gè)第三獨(dú)立元件安裝在 MEMS 芯片上，對用戶透明。極引腳（RF1 至 RF4）和公共引腳 (RFC) 的 ESD 人體模型 (HBM) 額定電壓為 5 kV，所有其他引腳則為 2.5 kV。對于不需要 ESD 保護(hù)的應(yīng)用（的確有些應(yīng)用如此），ADGM1304 可去除這一保護(hù)功能元件，因此封裝更薄和帶寬更寬。

如上所述，盡管這兩款開關(guān)包含兩塊有源芯片，封裝卻仍然很小，這對于千兆赫射頻而言始終算作一大優(yōu)勢。此外，控制信號兼容 CMOS/LVTTL，因而易于使用。

操作、性能和可靠性

采用模擬開關(guān)或 PIN 二極管技術(shù)的固態(tài)射頻開關(guān)可處理的信號頻率最多只能低至 10 MHz，而機(jī)電開關(guān)及 MEMS 開關(guān)卻可處理低至 DC 的信號。由于相關(guān)信號范圍從數(shù)百兆赫至數(shù)千兆赫，這一性能擴(kuò)展貌似并無必要。

不過，許多射頻應(yīng)用不僅要求高頻性能，同時(shí)也需要處理接近 DC 甚至真正的 DC 信號。其中包括采用 455 kHz 等低中頻 (IF) 的系統(tǒng)，以及處理射頻頻段范圍較寬的軟件無線電 (SDR)。此外，在甚小孔徑終端 (VSAT) 天線和衛(wèi)星電視/互聯(lián)網(wǎng)接入的某些設(shè)計(jì)中，射頻路徑還需為低噪聲塊 (LNB) 的天線前端前置放大器提供直流電源路徑。在這些應(yīng)用中，通過單個(gè)小型元器件就能切換和引導(dǎo)直流電源和射頻信號不失為一大設(shè)計(jì)優(yōu)勢。

與所有機(jī)械和機(jī)電器件一樣，核心機(jī)構(gòu)的使用壽命有限。對于金屬機(jī)電式射頻開關(guān)，額定工作壽命通常介于 500 至 1000 萬次之間。鑒于其開關(guān)時(shí)間約為數(shù)十毫秒，這一額定值尚可接受。然而，基于 MEMS 的射頻開關(guān)的開/關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間相當(dāng)短（ADGM1004 和 ADGM1304 為 30 μs）。對于動(dòng)態(tài) MIMO 系統(tǒng)配置等許多目標(biāo)應(yīng)用而言，1000 萬次的工作壽命太過有限。不過，只要在指定信號電平和功率范圍內(nèi)使用，MEMS 開關(guān)的額定工作壽命為 10 億次。相比傳統(tǒng)機(jī)械和機(jī)電開關(guān)，這一工作壽命等級整整提高了兩個(gè)數(shù)量級。

除了與電子和機(jī)電元器件相關(guān)的溫度循環(huán)應(yīng)力外，還有一些因素會(huì)影響 MEMS 和傳統(tǒng)機(jī)電式射頻開關(guān)的工作壽命。其中之一則是“熱”切換與“冷”切換。

熱切換模式下，開關(guān)閉合時(shí)信號源極和漏極之間存在電壓差，且在開關(guān)斷開后兩極之間存在電流。與之不同，冷切換模式并不存在信號功率。熱切換會(huì)縮短觸點(diǎn)表面的開關(guān)壽命，具體取決于源極和漏極之間的開路電壓大小。MEMS 開關(guān)規(guī)格書中的圖表顯示了熱切換對工作壽命及開關(guān)次數(shù)的影響。

開/關(guān)周期譜的另一個(gè)重要參數(shù)是連續(xù)導(dǎo)通壽命 (COL)，即在一段較長的時(shí)間內(nèi)，將開關(guān)設(shè)置為連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，這在儀器系統(tǒng)中時(shí)常發(fā)生，卻也會(huì)縮短開關(guān)觸點(diǎn)的工作壽命。經(jīng)設(shè)計(jì)和加速壽命測試，Analog Devices 的 MEMS 開關(guān)額定 COL 平均無故障時(shí)間 (MTBF) 在 50℃ 時(shí)為 7 年，85℃ 時(shí)為 10 年。

作為一項(xiàng)相對較新的技術(shù)，潛在用戶可能會(huì)謹(jǐn)慎看待這些基于 MEMS 的射頻開關(guān)，擔(dān)心由于電氣和機(jī)械應(yīng)力、溫度和沖擊/振動(dòng)而導(dǎo)致各種短期和長期可靠性問題。對于任務(wù)關(guān)鍵型軍事/航空航天以及汽車系統(tǒng)中的 MEMS 射頻開關(guān)應(yīng)用尤其如此。為了解除這些顧慮，Analog Devices 完成了諸多工業(yè)測試和 MIL 定義的測試（表 2）。

表 2：MEMS 開關(guān)技術(shù)鑒定測試的部分清單，由此可見這些器件的可靠性鑒定范圍之廣。（圖片來源：Analog Devices）

將 MEMS 開關(guān)設(shè)計(jì)到電路中

基于 MEMS 的射頻開關(guān)雖易于應(yīng)用，但相比標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電開關(guān)則略顯復(fù)雜。器件規(guī)格書中給出了若干設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，其中包括所有開關(guān)端子都必須連接至直流電壓基準(zhǔn)。該基準(zhǔn)可以是另一帶有內(nèi)部電壓基準(zhǔn)或是接地阻抗的有源器件（類似于 CMOS 柵極輸入或輸出不能“懸空”）。否則，會(huì)使端子貯存電荷，累積電壓可能升至未知水平，從而導(dǎo)致不可靠的致動(dòng)行為而損壞開關(guān)。

規(guī)格書闡示了意外造成節(jié)點(diǎn)懸空的幾種方式，并展示了解決方法。例如，在兩個(gè) ADGM1304 器件的典型級聯(lián)使用案例中，只需借助分流電阻器即可最大限度地減少潛在問題（圖 6）。

圖 6：在開關(guān)端子與地之間安裝分流電阻器，即可避免電荷和電壓累積，以免導(dǎo)致不穩(wěn)定行為，甚至損壞開關(guān)。（圖片來源：Analog Devices）

MEMS 射頻開關(guān)不乏應(yīng)用機(jī)會(huì)，其中一些已經(jīng)顯而易見且相當(dāng)重要。移動(dòng)無線電和智能手機(jī)等無線通信的發(fā)展趨勢，要求增加單條路徑支持的頻段和模式的數(shù)量；5G 標(biāo)準(zhǔn)則進(jìn)一步推動(dòng)了這一趨勢。動(dòng)態(tài)可重新配置的射頻濾波器允許覆蓋更多頻帶/模式，并且尺寸小、速度快，因此可以輕松解決這一問題。

使用一對 ADGM1304 器件即可實(shí)現(xiàn)可重新配置的帶通濾波器，采用由兩部分組成的電感耦合單端拓?fù)?，?biāo)稱中心頻率為 400 MHz（超高頻 (UHF) 頻段），如下圖所示（圖 7）。MEMS 開關(guān)與各分流電感器串聯(lián)，在低、平插入損耗、寬射頻帶寬、低寄生效應(yīng)、低電容和高線性度方面，滿足了應(yīng)用要求。

圖 7：對于無線手持設(shè)備而言，一大功能日趨重要，即單信號路徑能夠處理多個(gè)射頻頻段和模式。使用 MEMS 器件實(shí)現(xiàn)的開關(guān)電感濾波器能夠以小尺寸、高性能實(shí)現(xiàn)此功能。（圖片來源：Analog Devices）

總電感值為 15 nH 至 30 nH 的分流電感用于設(shè)置濾波器頻率，MEMS 開關(guān)則用于接通/斷開這些分流電感器，而且開關(guān)的低 Ron值可降低串聯(lián)電阻對分流電感器品質(zhì)因數(shù) (Q) 的不利影響。此外，依照開關(guān)設(shè)置要求，該設(shè)計(jì)在輸入和輸出端口保留了關(guān)鍵的 50 Ω 負(fù)載。

在千兆赫以上頻段的射頻設(shè)計(jì)，以及建立模型和 S 參數(shù)用于仿真時(shí)，合適的評估板是必要的設(shè)計(jì)工具，因?yàn)椴淮嬖谕昝赖哪Ｐ停膊豢赡茏プ?shí)際設(shè)計(jì)中所有瑣碎細(xì)節(jié)。Analog Devices 推出的EVAL-ADGM1304可以縮短產(chǎn)品上市所需的時(shí)間，最大限度地減少用戶的煩惱，提供全面而公正的設(shè)計(jì)評估（圖 8）。

圖 8：用于 ADGM1304 的評估板不僅簡單便捷，而且可確保元器件性能評估條件始終如一，并能執(zhí)行校準(zhǔn)和應(yīng)用性能測試。（圖片來源：Analog Devices）

評估板包括用于射頻信號的 SMA 連接器、用于開關(guān)控制信號的 SMB 連接器、用于分析儀校準(zhǔn)的板載“校準(zhǔn)通”傳輸線，以及詳盡的用戶指南 (UG-644)。

總結(jié)

隨著無線應(yīng)用飛速發(fā)展，對尺寸、成本和性能的要求日益嚴(yán)苛，基于 MEMS 的射頻開關(guān)憑借開關(guān)速度快、尺寸小、長期可靠及其他優(yōu)勢，給設(shè)計(jì)人員工具包新增了一種實(shí)用工具。

像 Analog Devices 的 ADGM004 和 ADGM1304 這樣的 MEMS 射頻開關(guān)，能夠在簡化老式設(shè)計(jì)的同時(shí)，讓設(shè)計(jì)人員滿足高頻產(chǎn)品的新設(shè)計(jì)要求，并提高電路密度。為了幫助設(shè)計(jì)人員充分利用這些器件的功能，該公司還推出了評估板、模型和說明文檔以提供廣泛支持。