基于射频开关的MEMS/NEMS状态

BY JEAN-JACQUES （JJ） DELISLE

RF开关应用领域一直存在一个难题。从历史上看，只有两种类型的射频开关可用：机电继电器 （EMR） 和固态 （SS） 开关。这两种技术都提供了权衡，并在某些方面超越了另一种。

也就是说，EMR 往往表现出更好的射频特性，例如插入损耗、线性度、驻波比、隔离和功率处理。但是，SS 交换机通常更可靠，执行更快的切换，并且更紧凑。但是，没有很多开关选项适合这些参数的中间位置。

在这里，可行的微机械电气系统（MEMS）和纳米机械电气系统（NEMS）开关在高射频频率下运行良好且可靠，在二十年的大部分时间里一直受到追捧。据预测，MEMS/NEMS的机械特性将在EMR和SS开关的性能之间提供一个令人满意的中间地带。

已经有许多尝试将MEMS / NEMS开关技术投入全面生产，并建立提供这些类型开关的可持续业务。有一些竞争者，但对于许多应用来说，MEMS/NEMS技术仍然有太多的权衡。下面仔细看看。

微机电系统/NEMS开关

许多MEMS/NEMS开关的插入损耗建立时间较长。这是开关后开关的插入损耗稳定所需的时间。许多MEMS/NEMS开关也不能可靠地稳定在精确的插入损耗下，而是产生一系列取决于许多不同内部因素的损耗。其他因素与MEMS/NEMS开关的可靠性和生命周期有关。一些商用交换机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。

长期以来，人们一直认为MEMS/NEMS开关性能的圣杯是能够对器件进行热切换。这是在RF信号处于活动状态时进行开关的操作，这在历史上一直是MEMS产品中的一个极端限制因素。其他考虑因素包括传统MEMS/NEMS开关解决方案中的线性度、最大频率和隔离限制。另一个主要问题是MEMS射频开关业务的成功和寿命，其持续的业务运营是一个足够重要的问题，足以阻止一些寻求长期可靠供应的客户。

由于这些缺点，MEMS/NEMS开关技术在从事自动化测试、测试设备、关键系统或任何优先考虑可靠性和高性能的系统方面的模拟/RF设计人员中获得了不尽如人意的声誉。十多年来，优质的MEMS/NEMS技术一直以其他形式出现，即加速度计、惯性测量单元（IMU）、打印机压电部件、气压计、麦克风、带微镜的数字显示器、光子开关、振荡器以及许多其他传感器和微传感器。

两个设计示例

在开关能力超过18 GHz的MEMS/NEMS RF开关选择方面取得了一些进展。Menlo Microsystems（通用电气MEMS研究的商业化分拆）和ADI公司现在都提供RF MEMS开关，以解决早期RF MEMS开关解决方案的可靠性问题。ADI的ADGM1001（SPDT）声称致动寿命为100亿次循环，而Menlo的理想开关解决方案的额定驱动寿命为3亿次循环。

考虑到即使是高可靠性 EMR 交换机也只能声称数百万到最多大约 10 万次循环寿命，这是非常了不起的。相比之下，SS 开关提供几乎无限的循环寿命;但是，ADI和Menlo开关的插入损耗在1 GHz时分别为5.34 dB和1 GHz（超端口模式）时和26 dB。这远远超出了在类似频率范围内提供典型3至8 dB插入损耗的SS开关。

图1演示板与ADI公司的RF MEMS开关图ADGM1001一起显示。

然而，ADI的ADGM1001在极端情况下仅表现出19 dB的隔离，而Menlo的MM5130在超端口模式下在20 GHz时表现出26 dB的隔离。类似的 EMR 开关在这些频率下的隔离度几乎是其两倍。在这里，需要注意的是，可以结合使用多个开关来增强隔离。

在Menlo的M5130的情况下，还可以使用多个开关路径来增强隔离，从理论上讲，这应该在增加隔离的同时增加插入损耗。对于某些对插入损耗不那么敏感的应用来说，这可能是一个值得的交换，只要它是一致的，并且可以优先考虑隔离。在这两种情况下，这些MEMS/NEMS开关解决方案仍然比同类EMR紧凑得多。

准备好出风头了吗？

最近商用的RF MEMS开关器件似乎与过去RF MEMS解决方案的趋势背道而驰，现在可能最终为高频RF应用提供MEMS技术的优势。时间会证明这些解决方案是否像声称的那样可靠。

然而， 随着 Pickering Electronics 的 测试 和 测量 部门 选择 Menlo Microsystems RF MEMS 开关 技术 来 开发 高 可靠性 PXI/ PXIE 开关 产品， 因此 这种 技术 现在 很可能 已经 得到 验证， 并 可以 与 主流 RF 开关 应用 中的 EMR 和 SS 开关 相抗衡。

编辑：黄飞