基于射頻開(kāi)關(guān)的MEMS/NEMS狀態(tài)

BY JEAN-JACQUES （JJ） DELISLE

RF開(kāi)關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域一直存在一個(gè)難題。從歷史上看，只有兩種類(lèi)型的射頻開(kāi)關(guān)可用：機(jī)電繼電器 （EMR） 和固態(tài) （SS） 開(kāi)關(guān)。這兩種技術(shù)都提供了權(quán)衡，并在某些方面超越了另一種。

也就是說(shuō)，EMR 往往表現(xiàn)出更好的射頻特性，例如插入損耗、線(xiàn)性度、駐波比、隔離和功率處理。但是，SS 交換機(jī)通常更可靠，執(zhí)行更快的切換，并且更緊湊。但是，沒(méi)有很多開(kāi)關(guān)選項(xiàng)適合這些參數(shù)的中間位置。

在這里，可行的微機(jī)械電氣系統(tǒng)（MEMS）和納米機(jī)械電氣系統(tǒng)（NEMS）開(kāi)關(guān)在高射頻頻率下運(yùn)行良好且可靠，在二十年的大部分時(shí)間里一直受到追捧。據(jù)預(yù)測(cè)，MEMS/NEMS的機(jī)械特性將在EMR和SS開(kāi)關(guān)的性能之間提供一個(gè)令人滿(mǎn)意的中間地帶。

已經(jīng)有許多嘗試將MEMS / NEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)投入全面生產(chǎn)，并建立提供這些類(lèi)型開(kāi)關(guān)的可持續(xù)業(yè)務(wù)。有一些競(jìng)爭(zhēng)者，但對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，MEMS/NEMS技術(shù)仍然有太多的權(quán)衡。下面仔細(xì)看看。

微機(jī)電系統(tǒng)/NEMS開(kāi)關(guān)

許多MEMS/NEMS開(kāi)關(guān)的插入損耗建立時(shí)間較長(zhǎng)。這是開(kāi)關(guān)后開(kāi)關(guān)的插入損耗穩(wěn)定所需的時(shí)間。許多MEMS/NEMS開(kāi)關(guān)也不能可靠地穩(wěn)定在精確的插入損耗下，而是產(chǎn)生一系列取決于許多不同內(nèi)部因素的損耗。其他因素與MEMS/NEMS開(kāi)關(guān)的可靠性和生命周期有關(guān)。一些商用交換機(jī)提供合理的性能和可靠性，但在性能下降之前提供有限的生命周期。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為MEMS/NEMS開(kāi)關(guān)性能的圣杯是能夠?qū)ζ骷M(jìn)行熱切換。這是在RF信號(hào)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)的操作，這在歷史上一直是MEMS產(chǎn)品中的一個(gè)極端限制因素。其他考慮因素包括傳統(tǒng)MEMS/NEMS開(kāi)關(guān)解決方案中的線(xiàn)性度、最大頻率和隔離限制。另一個(gè)主要問(wèn)題是MEMS射頻開(kāi)關(guān)業(yè)務(wù)的成功和壽命，其持續(xù)的業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)是一個(gè)足夠重要的問(wèn)題，足以阻止一些尋求長(zhǎng)期可靠供應(yīng)的客戶(hù)。

由于這些缺點(diǎn)，MEMS/NEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)在從事自動(dòng)化測(cè)試、測(cè)試設(shè)備、關(guān)鍵系統(tǒng)或任何優(yōu)先考慮可靠性和高性能的系統(tǒng)方面的模擬/RF設(shè)計(jì)人員中獲得了不盡如人意的聲譽(yù)。十多年來(lái)，優(yōu)質(zhì)的MEMS/NEMS技術(shù)一直以其他形式出現(xiàn)，即加速度計(jì)、慣性測(cè)量單元（IMU）、打印機(jī)壓電部件、氣壓計(jì)、麥克風(fēng)、帶微鏡的數(shù)字顯示器、光子開(kāi)關(guān)、振蕩器以及許多其他傳感器和微傳感器。

兩個(gè)設(shè)計(jì)示例

在開(kāi)關(guān)能力超過(guò)18 GHz的MEMS/NEMS RF開(kāi)關(guān)選擇方面取得了一些進(jìn)展。Menlo Microsystems（通用電氣MEMS研究的商業(yè)化分拆）和ADI公司現(xiàn)在都提供RF MEMS開(kāi)關(guān)，以解決早期RF MEMS開(kāi)關(guān)解決方案的可靠性問(wèn)題。ADI的ADGM1001（SPDT）聲稱(chēng)致動(dòng)壽命為100億次循環(huán)，而Menlo的理想開(kāi)關(guān)解決方案的額定驅(qū)動(dòng)壽命為3億次循環(huán)。

考慮到即使是高可靠性 EMR 交換機(jī)也只能聲稱(chēng)數(shù)百萬(wàn)到最多大約 10 萬(wàn)次循環(huán)壽命，這是非常了不起的。相比之下，SS 開(kāi)關(guān)提供幾乎無(wú)限的循環(huán)壽命;但是，ADI和Menlo開(kāi)關(guān)的插入損耗在1 GHz時(shí)分別為5.34 dB和1 GHz（超端口模式）時(shí)和26 dB。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了在類(lèi)似頻率范圍內(nèi)提供典型3至8 dB插入損耗的SS開(kāi)關(guān)。

圖1演示板與ADI公司的RF MEMS開(kāi)關(guān)圖ADGM1001一起顯示。

然而，ADI的ADGM1001在極端情況下僅表現(xiàn)出19 dB的隔離，而Menlo的MM5130在超端口模式下在20 GHz時(shí)表現(xiàn)出26 dB的隔離。類(lèi)似的 EMR 開(kāi)關(guān)在這些頻率下的隔離度幾乎是其兩倍。在這里，需要注意的是，可以結(jié)合使用多個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)增強(qiáng)隔離。

在Menlo的M5130的情況下，還可以使用多個(gè)開(kāi)關(guān)路徑來(lái)增強(qiáng)隔離，從理論上講，這應(yīng)該在增加隔離的同時(shí)增加插入損耗。對(duì)于某些對(duì)插入損耗不那么敏感的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這可能是一個(gè)值得的交換，只要它是一致的，并且可以?xún)?yōu)先考慮隔離。在這兩種情況下，這些MEMS/NEMS開(kāi)關(guān)解決方案仍然比同類(lèi)EMR緊湊得多。

準(zhǔn)備好出風(fēng)頭了嗎？

最近商用的RF MEMS開(kāi)關(guān)器件似乎與過(guò)去RF MEMS解決方案的趨勢(shì)背道而馳，現(xiàn)在可能最終為高頻RF應(yīng)用提供MEMS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。時(shí)間會(huì)證明這些解決方案是否像聲稱(chēng)的那樣可靠。

然而， 隨著 Pickering Electronics 的 測(cè)試 和 測(cè)量 部門(mén) 選擇 Menlo Microsystems RF MEMS 開(kāi)關(guān) 技術(shù) 來(lái) 開(kāi)發(fā) 高 可靠性 PXI/ PXIE 開(kāi)關(guān) 產(chǎn)品， 因此 這種 技術(shù) 現(xiàn)在 很可能 已經(jīng) 得到 驗(yàn)證， 并 可以 與 主流 RF 開(kāi)關(guān) 應(yīng)用 中的 EMR 和 SS 開(kāi)關(guān) 相抗衡。

編輯：黃飛