Används MEMS-RF-omkopplare för att klara utmaningar inom avancerad trådlös design och integrering

Det blir allt vanligare med trådlös kommunikation vid högre frekvenser och större bandbredder, i kombination med flera RF-gränssnitt och antenner, vilket flyttar fram gränserna för konventionell RF-omkopplingsteknik. RF-omkopplare baserade på mikroelektromekanisks system (MEMS) har blivit en genomförbar, lättanvänd lösning för att hantera kraven på utrymme, omkopplingshastighet, front-end-filtrering och flexibilitet – utmaningar som ofta uppstår vid utveckling av avancerade trådlösa system.

I den här artikeln börjar vi med att beskriva konventionell RF-omkopplingsteknik, inklusive traditionella elektromekaniska och olika analoga solid-state- och PIN-dioder. I artikeln utforskar vi också viktiga egenskaper hos MEMS-baserade RF-omkopplare, och använder då exempel från Analog Devices. Vi beskriver prestandaegenskaper och tillgängliga stödfunktioner som kan hjälpa konstruktörerna att förstå hur MEMS-baserade RF-omkopplare bör användas för att säkerställa tillförlitlig funktion och lång livslängd.

Tillämpningar och alternativ för RF-omkopplare

RF-omkopplare måste ha stöd för flera radioenheter med en enda antenn, men även för att integrera flera antenner i en MIMO-konfiguration (multiple input, multiple output) samt för att rikta en signal längs en önskad intern väg, eller för att hantera en ATE-relaterad (automatic test equipment) omkopplingsmatris. RF-omkoppling kan innebära att välja en av flera möjliga insignaler och rikta denna längs en viss utmatningsväg, eller det motsatta: att dirigera en enda signal längs någon av flera möjliga utmatningsvägar.

Tills helt nyligen har RF-omkoppling främst implementerats med hjälp av:

•Konventionella elektromekaniska RF-omkopplare: De är manuella eller motorstyrda, och stöder fjärrhantering via en enkel 12- eller 24-volts ledning eller en USB-port. Sådana omkopplare är lättanvända (de har koaxialkontakter) och erbjuder utmärkta prestanda på tiotals GHz, men är av uppenbara skäl inte så bra för tillämpningar där komponenterna bör ha litet format, låg vikt och snabb omkopplingsförmåga. Enheterna har funnits länge och är fortfarande vanligt förekommande. I vissa situationer är de till och med det enda möjliga alternativet.

•Omkopplare baserade på PIN-dioder: De erbjuder bra RF-prestanda och hög omkopplingshastighet. Men för att kunna nyttja hela potentialen krävs expertkunskaper. Som tvåpoliga enheter utan separat på/av-styrledning, måste de kompletteras med avancerade kretsar för att hantera insignaler för DC-styrning och RF-vägar, och sedan separera dem till utsignaler. Av det skälet har de flesta PIN-baserade RF-omkopplare ett antal stödkretsar inbyggda i en komplett modul.

•FET- (fälteffekttransistor) och hybridomkopplare av solid-state-typ: Det här är en typ av solid-state-omkopplare som använder avancerade halvledarmaterial och processer för att leverera RF-motsvarigheten till en enklare transistoromkopplare av lågfrekvenstyp. Dessa elektroniska omkopplare kan växla snabbt (några mikrosekunder) mellan på/av och ger möjlighet till enkel design, men är begränsade vad gäller isolering och andra prestandaegenskaper.

På senare tid har MEMS-baserade RF-omkopplare blivit ett genomförbart alternativ, och de erbjuds nu som standardprodukter. Omkopplingsmekanismen baseras på MEMS-element av ”hävarmsutförande” liknande de som används i vissa MEMS-accelerometrar, men har därutöver funktioner och egenskaper som behövs i en elektroniskt styrd omkopplare där RF-signalvägen löper genom en metall-mot-metall-kontakt.

Till exempel finns Analog Devices ADGM1004-enhet, en SP4T-omkopplare (single-pole 4-throw – en pol, fyra kopplingsmöjligheter) för 0 Hz (DC) till 13 GHz, liksom ADGM1304, en DC till 14 GHz SP4T-omkopplare (figur 1).

Figur 1: Blockdiagrammet för MEMS-omkopplaren ADGM1004 illustrerar den enkla SP4T-arkitekturen och andra viktiga funktioner, såsom ESD-skyddsdioder. ADGM1304 har stora likheter, men saknar dioder och skiljer sig åt avseende några specifikationer. (Bildkälla: Analog Devices)

ADGM1004 och ADGM1304 erbjuder klassisk mekanisk kontaktstängning för på/av. För detta används en RF-kompatibel 24-stifts LFCSP-kapsling (lead frame chip-scale package) av miniatyrformat med måtten 5 × 4 × 1,45 mm. Enheterna kan koppla om inom 30 µs och har en bandbredd från DC till 13 GHz respektive 14 GHz. De två enheterna har i stort sett liknande specifikationer, men skiljer sig åt avseende vissa ganska viktiga egenskaper, såsom resistans (R_på), IIP3 (tredje ordningens interceptpunkt) och RF-effekt (max) (tabell 1).

Tabell 1: Toppspecifikationerna för de MEMS-baserade RF-omkopplarna ADGM1004 och ADGM1304 från Analog Devices – likheterna och de små skillnaderna framgår av tabellen. (Bildkälla: DigiKey)

I de här mekaniska kontaktslutande metall-mot-metall-enheterna kan signalenergin flöda i vilken som helst av riktningarna. Det innebär att en signal vid någon av de fyra polerna kan flöda igenom till den gemensamma polen, och likaså kan en signal vid den gemensamma polen flöda till vilken som helst av de fyra switchade polerna.

MEMS-RF-omkopplarens princip och implementering

För många tekniska system är grundkonceptet enkelt men utförandet komplicerat, vilket också gäller för den MEMS-baserade RF-omkopplaren. MEMS-RF-omkopplaren använder en mikrobearbetad ”hävarm” med en metalliserad spets som omkopplingselement. Designutmaningen är att ”aktivera” denna hävarm, så att den rör sig och får kontakt med den motstående metalliska ytan vid påslagning och sedan släpper kontakten vid avstängning. För MEMS-RF-omkopplaren initieras rörelsen elektrostatiskt (figur 2). Omkopplarens anslutningar brukar kallas för ”source, ”gate” och ”drain”, men det rör sig fortfarande om mekanisk kontaktstängning, inte en omkopplande FET-enhet.

Figur 2: I MEMS-RF-omkopplaren används två metallkontakter (kallade source och drain), med den rörliga kontakten (gaten) på en hävarm (en konsol med stödpunkt endast i ena änden) som förflyttas under påverkan av elektrostatisk kraft. (Bildkälla: Analog Devices)

På många sätt är den MEMS-baserade RF-omkopplaren mycket lik ett mekaniskt relä, men RF-omkopplaren byggs på mikrometernivåskala med kontaktbelastad armatur. Konsolen aktiveras med elektrostatisk kraft i stället för ett magnetfält. Hela omkopplaren tillverkas i en MEMS-specifik kisel- och IC-process, där man drar fördel av befintlig design- och tillverkningsexpertis, vilket effektiviserar och minskar kostnaden (figur 3).

Figur 3: MEMS-RF-omkopplaren designas och tillverkas i en avancerad process där enheten beläggs med olika skikt av kisel och andra material, och dessutom förses med etsade områden. (Bildkälla: Analog Devices)

För att förbättra prestandan och minska DC-kontaktresistansen och RF-impedansen, är varje kontaktpol egentligen en uppsättning av parallella poler – MEMS-tekniken gör detta möjligt (figur 4).

Figur 4: För att minska DC-kontaktresistansen och RF-impedansen, är kontaktpolerna i MEMS-omkopplaren utformade som ett antal parallella kontakter. (Bildkälla: Analog Devices)

Alla elektroniska komponenter har prestandaspecifikationer. En av de viktigaste prestandaspecifikationerna för en omkopplare är R_på multiplicerat med av-kapacitansen (C_av). Detta brukar kallas för R_påC_av-produkten, vilken uttrycks i femtosekunder (fs). Lägre värden för R_påC_av betyder lägre införingsförlust i på-läge och högre isolering i av-läge, vilket är önskvärda egenskaper. För DC, AC-kraftmatning och lågfrekvensomkopplare är självfallet R_på den främsta faktorn, medan C_av är ganska irrelevant. R_påC_av-produkten för Analog Devices MEMS-omkopplare är under 8 fs, vilket indikerar mycket bra RF-prestanda i på- och av-läge.

Drivning och elektrostatisk urladdning (ESD) försvårar konstruktionen men inte användningen

Hur drivning och styrning ska gå till, och vissa därmed förknippade svårigheter, är ett vanligt bekymmer för vissa typer av komponenter. Idealt sker styrningen med en vanlig, enkel logiksignal. (Kom ihåg att svårigheten med att ansluta till och driva RF-omkopplaren av PIN-diodtyp är en av dess nackdelar.)

I Analog Devices MEMS-baserade RF-omkopplare kanske det vid en första anblick verkar som att driv- och styrgränssnittet är en designmässig utmaning, eftersom det elektriska fältet behöver ungefär 89 V DC för att få hävarmen att röra sig. Men det är i själva verket inget problem alls, eftersom dessa 3,1–3,3 volts MEMS-omkopplare har en DC/DC-förstärkningskrets på en separat insats, vilket eliminerar behovet av extern högspänningsdrivning eller matning (figur 5).

Figur 5: ADGM1004-enhetens drivkrets (vänster) och MEMS-omkopplarplattan (höger), med RF-portens ESD-skydd monterad överst, med trådar till metallramen (ADG1304 saknar ESD-insats). (Bildkälla: Analog Devices)

För nästan alla solid-state-enheter är ESD-känslighet ett bekymmer. Det gäller dock inte konventionella mekaniska RF-omkopplare, som till stor del är helt immuna mot ESD-påverkan. För att avhjälpa ESD-känslighet har Analog Devices tillfört ett ESD-skyddselement. Det är en separat tredje komponent i ADGM1004-kapseln, monterat på MEMS-plattan och transparent för användaren. ESD-skyddet är HBM-klassat (human body model) för 5 kV för polstiften (RF1 till RF4) och det gemensamma stiftet (RFC), och 2,5 kV för övriga stift. För tillämpningar där det inte krävs något ESD-skydd – sådana tillämpningar förekommer – finns ADGM1304. Den saknar ESD-skydd, vilket innebär att enheten är tunnare och har bredare bandbredd.

Trots de två aktiva insatserna i kapseln är de nämnda omkopplarna små, vilket alltid är en fördel för RF på gigahertz-nivå. Deras styrsignaler är CMOS/LVTTL-kompatibla, för enkel användning.

Drift, prestanda och tillförlitlighet

Till skillnad från RF-omkopplare av solid-state-typ, som använder analog omkopplings- eller PIN-diodteknik som endast hanterar frekvenser ned till ca 10 MHz, kan elektromekaniska omkopplare och deras MEMS-motsvarigheter hantera signaler ned till DC. Det kan tyckas vara onödigt stor prestanda, eftersom signalerna av intresse finns i ett område från hundratals MHz till flera GHz.

Men det finns många RF-tillämpningar där det krävs omkoppling nära DC eller vid DC, tillsammans med högre frekvenskapacitet. Det gäller exempelvis system med låga mellanfrekvenser (IF), som 455 kHz, och mjukvarudefinierade radiosystem (SDR) som måste hantera en mycket bred del av RF-spektrumet. Det finns även system där RF-vägen erbjuder en DC-effektväg för antennens förförstärkare i LNB-blocket (low noise block) för mycket små VSAT-paraboler (very small aperture terminal) och satellitbaserad TV-/internetåtkomst. I sådana tillämpningar är det en mycket stor designfördel att kunna switcha och rikta DC-effekt tillsammans med RF-signalen i en enda kompakt komponent.

Som med alla mekaniska och elektromekaniska enheter har kärnmekanismen en viss ändlig livslängd. Den elektromekaniska RF-omkopplaren har vanligen en nominell livslängd på mellan 5–10 miljoner cykler. Med tanke på att omkopplingstiden är något tiotal millisekunder, är det i stort sett ett godtagbart värde. Men MEMS-baserade RF-omkopplare har mycket kortare på/av-tid (30 µs för ADGM1004 och ADGM1304). För många av deras tänkta tillämpningar, exempelvis en dynamisk MIMO-systemkonfiguration, är en livslängd på 10 miljoner en begränsning. MEMS-omkopplare däremot, har en nominell livslängd på en miljard cykler, förutsatt att de används inom den definierade signalnivån och rätt effektomfång. Livslängden är därmed oerhört mycket längre än för konventionella mekaniska och elektromekaniska omkopplare.

Temperaturcykler innebär en påfrestning för elektroniska och elektromekaniska komponenter, men även andra faktorer påverkar livslängden hos MEMS-omkopplare och konventionella elektromekaniska RF-omkopplare. Två sådana faktorer är så kallad varm omkoppling och kall omkoppling.

Varm omkoppling inträffar när det finns en spänningsdifferential mellan signalkällan och drain då omkopplaren är stängd, och/eller om det flyter ström när omkopplaren är öppen. Till skillnad från vid kall omkoppling, då det inte finns någon signaleffekt vid omkopplingstidpunkten, resulterar varm omkoppling i förkortad livslängd vid kontaktytorna, beroende på den öppna kretsens spänning mellan source och drain. Datablad för MEMS-omkopplare innehåller tabeller och diagram som visar hur varm omkoppling inverkar på livslängd och cykler.

I andra änden av på/av-cykelspektrumet finns en parameter som kallas COL (continuously-on lifetime, livslängd för kontinuerligt på). Med detta avses en situation som ofta uppstår inom instrumentering, nämligen att en omkopplare ställs i på-läget under en längre tid, vilket kan leda till förkortad kontaktlivslängd hos omkopplaren. Som resultat av utförandet och accelererad livslängdstestning, är den genomsnittliga tiden mellan fel (mean-time-before-failure, MTBF) för COL hos Analog Devices MEMS-omkopplare sju år vid 50 °C och 10 år vid 85 °C.

Eftersom tekniken är relativt ny kanske potentiella användare känner sig tveksamma till de MEMS-baserade RF-omkopplarna och deras kort- och långsiktiga tillförlitlighet, som påverkas av elektrisk och mekanisk belastning, temperatur och stötar/vibrationer. Detta gäller i synnerhet MEMS-RF-omkoppling i uppdragskritiska militär- eller luftfartstillämpningar och fordonssystem. För att eliminera tvivlen har Analog Devices utfört många bransch- och MIL-definierade tester (tabell 2).

Tabell 2: Ovanstående lista med kvalificeringstester för MEMS-omkopplare är inte fullständig, men illustrerar vilken mångfald av tillförlitlighetstester det finns för den här typen av enheter. (Bildkälla: Analog Devices)

Bygga in MEMS-omkopplare i kretsar

MEMS-baserade RF-omkopplare är enkla att använda, men inte fullt så enkla som vanliga elektromekaniska enheter, och av databladen framgår att det finns flera designaspekter att ta extra hänsyn till. En sådan sak är att alla terminaler i omkopplingsvägen måste anslutas till en DC-spänningsreferens. Referensen kan vara en annan aktiv komponent med en intern spänningsreferens, eller en impedans mot jord (motsvarande att inte låta en CMOS-grinds ingång eller utgång ”flyta”). Förbises det här, kan laddningar byggas upp vid terminalerna, så att spänningar når okända nivåer. Det kan i sin tur kan leda till oväntade beteenden som skadar omkopplaren.

I databladen förklaras och illustreras hur man oavsiktligt får sådana flytande noder att uppstå, och hur man undviker det. Om till exempel två ADGM1304-enheter används i ett kaskadsystem, kan enkla shunt-motstånd användas för att minimera problemet (figur 6).

Figur 6: Installeras shunt-motstånd mellan terminalerna och jord, förhindras uppbyggnad av laddning och spänning, vilket skulle kunna leda till oväntade beteenden och skador på omkopplaren. (Bildkälla: Analog Devices)

MEMS-RF-omkopplare kan användas i många tillämpningar, men har visat sig oumbärliga i ett urval av dem. Inom trådlös kommunikation, till exempel mobil radio och smarta telefoner, är trenden att öka antalet band och lägen som måste hanteras i en enda enhet. Med 5G-standarden flyttas gränserna fram ytterligare. För att tillgodose behovet kan man använda ett dynamiskt omkonfigurerbart RF-filter, som ger tillgång till fler band/lägen och även har liten storlek och hög hastighet.

Systemet kan åstadkommas med hjälp av ett par ADGM1304-enheter i ett konfigurerbart bandpassfilter, här i en induktivt kopplad single-end-topologi i två sektioner som är nominellt centrerade på 400 MHz i UHF-bandet (ultrahög frekvens) (figur 7). MEMS-omkopplarna är seriellt anslutna till var och en av shuntinduktorerna, vilket uppfyller kraven avseende låg och platt införingsförlust, stor RF-bandbredd, låga parasitströmmar, låg kapacitans och hög linjäritet.

Figur 7: En alltmer efterfrågad funktion hos trådlösa handenheter är förmåga att hantera flera RF-band och lägen i en enda signalväg. Ett omkopplar-induktor-filter med MEMS-enheter kan leverera sådan kapacitet i litet format och med höga prestanda. (Bildkälla: Analog Devices)

Omkopplarna ansluter/kopplar från de aggregerade induktorelementen med 15 nH (nanohenry) till 30 nH, vilket definierar filterfrekvensen, medan lågt R_på minskar den seriella resistansens negativa effekter på shunt-induktorns kvalitetsfaktor (Q). Systemet bibehåller också de kritiska 50 Ω-värdena på ingångs- och utgångsportarna vid alla omkopplingsinställningar.

När man utvecklar lösningar med RF i gigahertz-området, kombinerat med modeller och S-parametrar för simulering, är ett lämpligt utvärderingskort ett oumbärligt designverktyg, eftersom modeller aldrig är perfekta och inte tar hänsyn till alla de mindre uppenbara aspekterna av det faktiska systemet. För att förkorta tiden till marknad, minimera användarnas huvudbry och ge möjlighet till utförlig utvärdering erbjuder Analog Devices utvärderingskortet EVAL-ADGM1304 (figur 8).

Figur 8: Utvärderingskortet för ADGM1304 är mycket mer än en behändig funktion – det är ett verktyg som säkerställer att komponentprestanda utvärderas under enhetliga förhållanden, och som medger kalibrering och testning av tillämpningsprestanda. (Bildkälla: Analog Devices)

Utvärderingskortet innefattar SMA-anslutningar för RF-signalerna, SMB-anslutningar för omkopplingsstyrsignaler samt en inbyggd överföringsväg för analysatorkalibrering, liksom en utförlig användarhandbok (UG-644).

Slutsats

När trådlösa tillämpningar blir allt vanligare och det ställs högre krav på storlek, kostnad och prestanda, är MEMS-baserade RF-omkopplare ett användbart tillskott i utvecklarens verktygslåda, tack vare snabb omkoppling, liten storlek, långsiktig tillförlitlighet och andra lämpliga egenskaper.

MEMS-baserade RF-omkopplare, exempelvis ADGM004 och ADGM1304 från Analog Devices, kan förenkla äldre systemutföranden och göra det möjligt för utvecklarna att möta kraven genom att bygga nya system för högfrekvensprodukter med ökad kretsdensitet. Med enheterna kommer utförligt stöd i form av utvärderingskort, modeller och dokumentation, för att hjälpa utvecklarna att nyttja kapaciteten till fullo.