原创 射频MEMS开关技术的最新进展

一直以来，消费者对更快的处理器速度与更高的数据通信速率越来越高的要求促使人们不断提高电子器件的性能。这一推动力遍及各个方面，已经成为电子行业的基本特点——从设备供应商到元件制造商和系统集成商。到目前为止，已有开关技术的性能基本上能够满足开关性能增长的需要，开关制造商在很大程度上没有十分迫切的性能需求。但是，电子行业若干关键领域中的一些重要应用正要求大幅度提高开关的性能。这些应用包括测试与仪器设备，以及无线手持设备与基础架构等。

新的挑战

开关技术面临的新挑战主要来源于测试与仪器领域，其中新一代IC器件的时钟与数据速率已经超过了1Gbps，这是大多数已有自动测试设备(ATE)的最高性能。由于新一代高性能ATE系统往往价格昂贵，研发时间很长，因此器件制造商不得不充分利用现有的工作——通常采用负载板上的开关网络构成“环形”通路，用待测器件(DUT)进行自我测试(如图1所示)。

图1：环路测试原理图。

这些应用需要低损耗、高带宽的开关(用于环路)，同时提供较高的可重复性和较低的电阻(用于连接ATE系统内高精度的参数测试电子元件)。随着电子器件I/O引脚数量的增加，负载板上的空间局限性也越来越大，这反过来又要求开关元件必须同时缩小尺寸，提高性能。

尽管新一代ATE系统有望能够满足当前的测试需求，但是随着时钟频率和数据速率的增大、信号电平的下降(在更高的时钟速率下降低功耗)和元件引脚数量的不断增加，人们对信号完整性的要求越来越高。最终结果是下一代ATE系统所需的开关必须能够处理更高频率的信号，具有更大的带宽、更低的功率损耗、更小巧的尺寸和大幅度提升的电阻可重复性。

同样在无线应用中也需要进一步提升开关的性能。面向手持设备和基站系统的新型便携式射频与无线应用常常需要在较宽的频率范围内以较低的损耗在多个波段之间进行开关切换。下一代无线数据服务将需要Gbps量级的数据带宽，要求信号通路上的元件具有几个GHz的带宽。提高功率效率的需求将更加迫切，这归因于基础架构领域更苛刻的功率与热耗限制，以及手持设备对器件尺寸和电池寿命的要求。无线频谱的噪声越来越大，带宽越来越拥塞，需要更高的灵敏度，从而要求减少开关损耗，提高线性度。对于ATE系统而言，这些趋势要求新的开关技术必须增大带宽，同时减少损耗、尺寸和面积；更加注提高进功率处理能力和线性度，降低成本。

数据速率和带宽

各种设计与应用需求促使我们在数据速率达到几个Gbps的应用中必须选择高带宽的开关。高速数字信号完整性教科书指出，信号通路中任何一个截止频率为3dB的元件的带宽都不应低于数字信号数据速率的1.8倍——即基频的3.6倍(基频是数据速率的一半)。因此，要实现较高的10Gbps信号传输完整性，就需要带宽为18GHz的传输线。

从事高速数据通信的工程师经常采用“眼图”作为衡量信号完整性的一个指标。打开的眼图表明数据通路上的接收器件能够正确分辨时钟边沿和逻辑电平，维持可以接受的误码率水平。图2给出了一个12.5Gbps的信号通过一个26.5GHz的单刀双掷(SPDT)MEMS开关之后的眼图。该图符合上述的1.8x经验法则，其中所需的开关带宽至少为22.5GHz。

图2：一个12.5Gbps的信号通过TeraVicta的26.5GHz MEMS SPDT开关TT1244之后的眼图。

其他的数据、时钟和信号格式有可能在更低的带宽下维持较低的误码率。因此，设计在采用开关连接差分数据通路时，通常使用大小只有基频三倍的截止频率(即1.5x的数据速率)。TeraVicta的7GHz MEMS开关系列(9GHz以上3dB的截止频率)对于差分信号应用具有最高5Gbps的出色性能，从而为高频设计提供了良好的支持。

在“模拟”应用中采用这些经验法则时应该特别注意，其中的目标是以最小的失真准确测量数字信号的电压波形。人们在设计针对这类测量应用的高速仪器时通常采用最小截止频率至少为目标基频五倍的元件。

为何选择MEMS？

MEMS开关融机电式继电器和半导体开关的优势于一身，能够应对开关元件在性能、尺寸和线性度方面所面临的挑战。近来发表的一些文章[2]已经详细介绍了MEMS开关的设计、性能与可靠性问题。其主要特点是，采用独特的具有低阻欧姆开关触点的HFDA(高强度磁盘驱动器)实现了高阻可重复性(典型值为±2mΩ)和低介入损耗(<0.04dB@1GHz)。开关触点之间的气密间隙实现了高隔离度(>40dB@1GHz)下的高可靠性。这类开关的全金属结构实现了非常高的线性度(IP3>75dBm)和极低的调制间失真(IM3>105dBm)。如果利用这类器件的低介入损耗特性，还能够在高射频功率下(最高15W@1GHz)实现连续的无失真操作。