Utiliser des commutateurs RF MEMS pour résoudre les problèmes d'intégration et de conception sans fil avancés

La prolifération des communications sans fil à des fréquences plus élevées et à des bandes passantes plus étendues se combine à l'intégration de plusieurs antennes et interfaces radiofréquences (RF) afin de repousser les limites des approches de commutation RF conventionnelles. Les commutateurs RF basés sur la technologie des microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont devenus une solution viable et facile à utiliser pour résoudre les problèmes d'espace, de vitesse de commutation, de filtrage de circuit d'entrée et de flexibilité auxquels sont confrontés les concepteurs de systèmes sans fil avancés.

Cet article commence par un aperçu des approches classiques des commutateurs RF, y compris les composants électromécaniques traditionnels et diverses diodes PIN et analogiques à semi-conducteurs. Il explore ensuite les attributs clés des commutateurs RF basés MEMS à l'aide d'exemples d'Analog Devices. Il présente les caractéristiques de performances et le support de développement disponible pour aider les concepteurs à comprendre comment utiliser les commutateurs RF MEMS et assurer une longue durée de vie et un fonctionnement fiable.

Options et applications de commutateurs RF

Outre la prise en charge de l'intégration de plusieurs radios utilisant une seule antenne, les commutateurs RF doivent prendre en charge plusieurs antennes dans une configuration à plusieurs entrées et plusieurs sorties (MIMO), diriger un signal le long d'un trajet interne souhaité ou gérer une matrice de commutation liée à un équipement de test automatique (ATE). L'acte de commutation RF peut impliquer la sélection d'un des nombreux signaux d'entrée possibles à diriger sur un seul trajet de sortie ; ou inversement, il peut être utilisé pour acheminer un seul signal vers un trajet de sortie spécifié parmi plusieurs.

Jusqu'à récemment, la commutation RF a été implémentée principalement en utilisant les composants suivants :

•Commutateurs RF électromécaniques traditionnels : ils sont manuels ou motorisés ; ils prennent en charge un fonctionnement à distance via une simple ligne 12/24 V ou un port USB. Ces commutateurs sont faciles à utiliser (ils comprennent des connecteurs coaxiaux) et offrent d'excellentes performances avec les dizaines de gigahertz, mais ils ne sont évidemment pas pratiques pour les applications nécessitant une commutation haute vitesse, un format compact ou un faible poids. Malgré leur âge, ils sont encore largement disponibles et sont souvent la seule solution dans de nombreuses situations.

•Commutateurs basés sur diodes PIN : ils offrent d'excellentes performances RF et une vitesse de commutation élevée. Cependant, pour tirer avantage de leur potentiel, il faut avoir de l'expertise. En tant que dispositifs à deux bornes sans ligne de commande marche/arrêt distincte, ils nécessitent des circuits associés complexes pour fusionner les trajets de commande CC et RF en tant qu'entrées, puis les séparer en tant que sorties. C'est pourquoi la plupart des commutateurs RF basés PIN sont proposés avec les circuits de support inclus dans un module complet.

•Transistor à effet de champ (FET) et commutateurs à semi-conducteurs hybrides : il s'agit d'une forme de commutateur à semi-conducteurs utilisant des matériaux et procédés à semi-conducteurs avancés pour fournir l'équivalent RF d'un commutateur de base à transistor basse fréquence. En tant que commutateurs électroniques, ces dispositifs peuvent effectuer la transition marche/arrêt rapidement (en quelques microsecondes) et offrir une facilité de conception, mais sont limités en termes d'isolement et d'autres attributs de performances.

Récemment, les commutateurs RF basés MEMS sont devenus des options viables et sont maintenant disponibles en tant que produits standard. Ces dispositifs utilisent un mécanisme de commutation basé sur des éléments MEMS en porte-à-faux similaires à ceux utilisés dans certains accéléromètres MEMS, mais ils ajoutent les fonctions et fonctionnalités nécessaires à un commutateur à commande électronique qui fournit un contact métal sur métal pour le trajet du signal RF.

Par exemple, examinons l'ADGM1004 d'Analog Devices, un commutateur unipolaire quadridirectionnel (SP4T) de 0 Hz (CC) à 13 GHz, ainsi que la solution similaire ADGM1304, un commutateur SP4T de CC à 14 GHz (Figure 1).

Figure 1 : Le schéma fonctionnel du commutateur MEMS ADGM1004 présente son architecture de base SP4T ainsi que d'autres fonctionnalités critiques, par exemple les diodes de protection contre les décharges électrostatiques (DES) ; l'ADGM1304 est similaire, mais sans diodes et diffère également par certains détails de spécification. (Source de l'image : Analog Devices)

Les dispositifs ADGM1004 et ADGM1304 implémentent une fonction classique de fermeture de contact mécanique marche/arrêt, et ce, dans un boîtier LFCSP miniature à 24 broches compatible RF, mesurant 5 mm × 4 mm × 1,45 mm. Ils peuvent commuter en 30 µs et avoir une bande passante de CC à 13 ou 14 GHz (respectivement). Leurs spécifications sont globalement similaires. Néanmoins, elles présentent des différences subtiles, mais souvent importantes, en ce qui concerne la résistance à l'état passant (R_on), le point d'interception du 3e ordre (IIP3) et la puissance RF (max.) (Tableau 1).

Tableau 1 : Les principales spécifications des commutateurs RF basés MEMS ADGM1004 et ADGM1304 d'Analog Devices montrent leurs similitudes en matière de performances et leurs faibles différences. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

En tant que dispositifs mécaniques de fermeture de contact métal sur métal, ils permettent la circulation de l'énergie du signal dans les deux sens. Cela signifie qu'un signal sur l'un des quatre pôles peut être transmis au pôle commun. Inversement, un signal au pôle commun peut circuler vers l'un des quatre pôles commutés.

Principe et implémentation du commutateur RF MEMS

Pour de nombreuses avancées technologiques, le concept est simple, mais l'exécution ne l'est pas, et ce constat vaut pour le commutateur RF MEMS. Le commutateur RF MEMS utilise un faisceau en porte-à-faux micro-usiné avec une pointe métallisée comme élément de commutation. Le problème en ce qui concerne la conception est de savoir comment « activer » ce porte-à-faux de sorte qu'il se déplace et entre en contact avec la surface métallisée correspondante lorsqu'il est allumé, puis se déconnecte également lorsqu'il est éteint. Pour le commutateur RF MEMS, ce mouvement est initié via un actionnement électrostatique (Figure 2). Il est habituel d'appeler les bornes du commutateur « source », « grille » et « drain », mais il s'agit toujours d'une fermeture de contact mécanique et non d'un dispositif FET de commutation.

Figure 2 : Le principe du commutateur RF MEMS utilise une paire de contacts métalliques (appelés source et drain) avec le contact mobile sur un faisceau en porte-à-faux (grille), qui est déplacé par une force électrostatique. (Source de l'image : Analog Devices)

À bien des égards, le commutateur RF MEMS ressemble beaucoup à un relais mécanique, mais il est construit sur une échelle de niveau de micromètre avec une armature à contact. Le porte-à-faux est actionné par une force électrostatique plutôt que par un champ magnétique. L'ensemble du commutateur est fabriqué à l'aide d'un processus de circuit intégré au silicium spécifique MEMS, exploitant ainsi l'expertise enrichie en conception et en fabrication associée à ce processus pour améliorer le rendement et réduire les coûts (Figure 3).

Figure 3 : La conception et l'implémentation réelles du commutateur RF MEMS impliquent une série complexe de couches et de revêtements de silicium et d'autres matériaux, ainsi que de zones gravées. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour améliorer les performances et réduire la résistance de contact CC et l'impédance RF, chaque pôle de contact est en réalité fabriqué sous la forme d'un ensemble de pôles parallèles ; cela est pratique grâce à la technologie MEMS (Figure 4).

Figure 4 : Pour réduire la résistance CC du contact et l'impédance RF, les pôles de contact des commutateurs MEMS sont fabriqués sous forme de contacts parallèles multiples. (Source de l'image : Analog Devices)

Chaque composant électronique a un ou plusieurs facteurs de mérite (FOM) utilisés pour caractériser ses performances. Pour un commutateur, l'une des valeurs FOM les plus importantes est sa résistance à l'état passant (R_on) multipliée par sa capacité d'arrêt (C_off). Cela est généralement appelé le produit R_onC_off et est exprimé en unités de femtosecondes (fs). Les valeurs inférieures de R_onC_off indiquent une perte d'insertion en mode activé et un isolement supérieur en mode désactivé, les deux étant des attributs souhaitables. Évidemment, pour les lignes d'alimentation CC et CA et les commutateurs basse fréquence, la résistance R_on est le facteur dominant et C_off est en grande partie hors de propos. Le produit R_onC_off pour les commutateurs MEMS d'Analog Devices est inférieur à 8 fs, ce qui indique d'excellentes performances RF en mode activé et désactivé.

La commande et les décharges électrostatiques compliquent la conception, mais pas l'utilisation réelle

L'une des préoccupations des concepteurs vis-à-vis de certaines classes de composants est de savoir comment les commander et les contrôler, ainsi que les difficultés associées. Idéalement, le contrôle serait un simple signal de niveau logique standard. (Rappelez-vous que la difficulté d'interfacer et de commander le commutateur RF à diode PIN constitue l'un de ses inconvénients.)

Pour l'action électrostatique des commutateurs RF MEMS d'Analog Devices, le mécanisme de commande et l'interface présentent ce qui pourrait au premier abord sembler être un défi de conception, puisque le champ électrique nécessite environ 89 VCC pour déplacer le porte-à-faux de commutation. Cependant, cela ne constitue pas du tout un problème, car ces commutateurs MEMS de 3,1 V à 3,3 V incluent un circuit élévateur CC/CC sur une puce distincte, éliminant ainsi le recours à un circuit d'attaque haute tension externe ou à une source d'alimentation (Figure 5).

Figure 5 : Le circuit intégré de commande de l'ADGM1004 (à gauche) et la puce de commutateur MEMS (à droite) sont illustrés, avec la puce de protection DES du port RF montée sur le dessus à l'aide de connexions par fil à la grille de connexion en métal (l'AD1304 n'a pas de puce DES). (Source de l'image : Analog Devices)

La sensibilité aux décharges électrostatiques est une préoccupation pour presque tous les dispositifs à semi-conducteurs. Cela ne constitue pas un problème avec les commutateurs RF mécaniques classiques, car ils sont intrinsèquement hautement immunisés contre les décharges électrostatiques. Pour résoudre ce problème de sensibilité aux décharges électrostatiques, Analog Devices a inclus un élément de protection DES. Ce troisième élément distinct dans le boîtier de l'ADGM1004 est monté sur la puce MEMS et est transparent pour l'utilisateur. Il fournit des caractéristiques DES de type HBM (modèle du corps humain) de 5 kV pour les broches polaires (RF1 à RF4) et la broche commune (RFC), et de 2,5 kV pour toutes les autres broches. Pour les applications ne nécessitant pas de protection contre les décharges électrostatiques (il en existe certaines), l'ADGM1304 élimine cet élément de fonction de protection. Le boîtier est donc plus fin et la bande passante plus importante.

Malgré les deux puces actives dans leur boîtier, ces commutateurs sont minuscules, comme mentionné ci-dessus, ce qui est toujours un avantage pour la RF gigahertz. Leurs signaux de commande sont compatibles CMOS/LVTTL pour une facilité d'utilisation.

Fonctionnement, performances et fiabilité

Contrairement aux commutateurs RF à semi-conducteurs qui utilisent la technologie de commutateur analogique ou de diode PIN ne pouvant gérer que des fréquences inférieures à environ 10 MHz, les commutateurs électromécaniques et leurs équivalents MEMS peuvent gérer les signaux jusqu'à CC. Cela peut sembler une extension de performances inutile, car les signaux d'intérêt sont dans la plage de centaines de mégahertz à plusieurs gigahertz.

Cependant, de nombreuses applications RF nécessitent une commutation proche de CC ou même une véritable commutation CC avec une tenue en fréquence plus élevée. Il s'agit notamment de systèmes basses fréquences intermédiaires (IF), par exemple 455 kHz, et de radios logicielles (SDR) qui doivent gérer une très large extension du spectre RF. En outre, il existe des conceptions dans lesquelles le trajet RF fournit également le trajet d'alimentation CC pour le préamplificateur de circuit d'entrée d'antenne dans le bloc à faible bruit des antennes VSAT et des accès Internet/TV par satellite. Dans de telles applications, la possibilité de commuter et de router la puissance CC avec le signal RF via un seul composant compact constitue un avantage majeur en termes de conception.

Comme pour tous les dispositifs mécaniques et électromécaniques, le mécanisme central a une durée de vie limitée. Pour le commutateur RF électromécanique métallique, la durée de vie est généralement comprise entre 5 et 10 millions de cycles. Étant donné que leur temps de commutation est de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes, cette caractéristique est généralement acceptable. Cependant, les commutateurs RF basés MEMS ont un temps de marche/arrêt beaucoup plus rapide (30 µs pour l'ADGM1004 et l'ADGM1304). Pour bon nombre de leurs applications cibles, par exemple une configuration de système MIMO dynamique, 10 millions de cycles présentent une durée de vie limitée. Les commutateurs MEMS, cependant, sont répertoriés à un milliard de cycles, en supposant qu'ils soient utilisés dans les limites de leur niveau de signal et de leur puissance définis. Il s'agit de performances de durée de vie supérieures de deux ordres de grandeur par rapport aux commutateurs mécaniques et électromécaniques traditionnels.

Outre les contraintes des cycles de température associées aux composants électroniques et électromécaniques, d'autres facteurs affectent la durée de vie des commutateurs MEMS et RF électromécaniques conventionnels. Parmi ceux-ci, il y a la commutation « à chaud » par rapport à la commutation « à froid ».

La commutation à chaud se produit lorsqu'il existe un différentiel de tension entre la source de signal et le drain lorsque le commutateur est fermé et/ou si du courant circule lorsque le commutateur est ouvert. Contrairement à la commutation à froid, où aucune puissance de signal n'est présente au moment de la commutation, la commutation à chaud réduit la durée de vie des commutateurs au niveau des surfaces de contact en fonction de l'amplitude de la tension en circuit ouvert entre la source et le drain. Les fiches techniques des commutateurs MEMS contiennent des tableaux et des graphiques qui montrent l'effet de la commutation à chaud sur la durée de vie et les cycles.

À l'autre extrémité du spectre cyclique marche/arrêt se trouve un paramètre appelé COL (durée de vie en continu). Cela fait référence à une situation qui se produit souvent dans l'instrumentation, où un commutateur est défini sur l'état activé pendant une période prolongée, ce qui peut également réduire la durée de vie du contact du commutateur. Grâce à leur conception et leurs tests de durée de vie accélérés, les commutateurs MEMS d'Analog Devices présentent des caractéristiques de temps moyen entre pannes (MTBF) de 7 ans à 50°C et de 10 ans à 85°C.

Comme leur technologie est relativement nouvelle, ces commutateurs RF MEMS peuvent être interprétés avec prudence par les utilisateurs potentiels préoccupés par ces aspects et par d'autres aspects de leur fiabilité à court et à long terme en raison de contraintes électriques et mécaniques, de la température et de chocs/vibrations. Cela est particulièrement vrai pour les applications de commutation RF MEMS dans les systèmes militaires/aérospatiaux critiques ainsi que dans les systèmes automobiles. Pour répondre à ces préoccupations, Analog Devices a effectué de nombreux tests définis par MIL et l'industrie (Tableau 2).

Tableau 2 : Cette liste partielle des tests de qualification de la technologie de commutateur MEMS indique l'étendue de la qualification de fiabilité pour ces dispositifs. (Source de l'image : Analog Devices)

Conception des commutateurs MEMS dans un circuit

Bien que les commutateurs RF MEMS soient faciles à utiliser, ils sont un peu plus compliqués que les dispositifs électromécaniques standard et leurs fiches techniques soulignent plusieurs mises en garde de conception. Parmi elles, toutes les bornes de trajet de commutation doivent être connectées à une référence de tension CC. Cette référence peut être un autre composant actif avec une référence de tension interne ou une impédance à la terre (semblable au fait de ne pas laisser une entrée ou une sortie de porte CMOS « flottante »). Si cela n'est pas fait, des charges peuvent s'accumuler sur les bornes et permettre aux tensions de flotter à des niveaux inconnus, ce qui peut conduire à un comportement d'actionnement peu fiable pouvant endommager le commutateur.

Les fiches techniques expliquent et illustrent certaines manières involontaires pouvant provoquer ces nœuds flottants et indiquent des moyens de les contourner. Par exemple, lorsque deux dispositifs ADGM1304 sont utilisés dans la configuration en cascade commune, des résistances shunt simples peuvent minimiser le problème potentiel (Figure 6).

Figure 6 : L'installation de résistances shunt entre les bornes du commutateur et la terre permet d'éviter les risques d'accumulation de charge et de tension pouvant conduire à un comportement imprévisible et même endommager le commutateur. (Source de l'image : Analog Devices)

Bien qu'il existe de nombreuses possibilités d'utilisation des commutateurs RF MEMS, certaines deviennent de plus en plus apparentes et importantes. Pour les communications sans fil, notamment les radios mobiles et les smartphones, la tendance est à l'augmentation du nombre de bandes et de modes devant être logés dans une unité simple ; la norme 5G pousse ce scénario encore plus loin. Un filtre RF reconfigurable de manière dynamique peut résoudre ce problème en permettant de couvrir un plus grand nombre de bandes/modes, avec le format compact et la haute vitesse requis.

Ceci peut être réalisé en utilisant une paire de dispositifs ADGM1304 dans un filtre passe-bande reconfigurable, représenté ici par une topologie asymétrique couplée par induction dans deux sections nominalement centrées sur 400 MHz dans la bande ultra-haute fréquence (UHF) (Figure 7). Les commutateurs MEMS sont connectés en série avec chacune des inductances shunt répondant aux exigences en matière de perte d'insertion faible et plate, de bande passante RF étendue, de faibles parasites, de faible capacité et de linéarité élevée.

Figure 7 : Une fonction de plus en plus nécessaire pour les combinés sans fil est la capacité de gérer plusieurs bandes et modes RF via un seul trajet du signal. Un filtre à inductance commutée utilisant les dispositifs MEMS peut fournir cette fonction avec une empreinte faible et des performances élevées. (Source de l'image : Analog Devices)

Les commutateurs connectent/déconnectent les éléments d'inductance localisés, 15 nH à 30 nH qui définissent la fréquence du filtre, tandis que leur faible résistance R_on réduit l'impact négatif qu'une résistance en série a sur le facteur de qualité (Q) de l'inductance shunt. La conception maintient également la correspondance critique de 50 Ω sur les ports d'entrée et de sortie pour tous les réglages de commutateur.

Lors de la conception avec RF dans la région gigahertz +, avec des modèles et des paramètres S pour la simulation, une carte d'évaluation appropriée est un outil de conception nécessaire, car les modèles ne sont jamais parfaits et ne peuvent pas saisir toutes les subtilités de la conception réelle. Pour accélérer les délais de mise sur le marché, minimiser la frustration des utilisateurs et permettre une évaluation complète et juste de la conception, Analog Devices propose l'EVAL-ADGM1304 (Figure 8).

Figure 8 : La carte d'évaluation de l'ADGM1304 est bien plus qu'une simple commodité ; il s'agit d'un outil qui garantit que l'évaluation des performances des composants est effectuée dans des conditions cohérentes et permet également un étalonnage ainsi que des tests de performances des applications. (Source de l'image : Analog Devices)

La carte d'évaluation comprend des connecteurs SMA pour les signaux RF, des connecteurs SMB pour les signaux de commande de commutateur, une ligne de transmission embarquée pour l'étalonnage de l'analyseur, ainsi qu'un guide de l'utilisateur détaillé (UG-644).

Conclusion

Alors que les applications sans fil se multiplient et que les exigences de taille, de coût et de performances deviennent de plus en plus pointues, les commutateurs RF basés MEMS constituent un complément utile à la boîte à outils des concepteurs en raison de leur vitesse de commutation rapide, de leur taille compacte, de leur fiabilité à long terme et de leurs autres attributs avantageux.

Les commutateurs RF MEMS, tels que les ADGM1004 et ADGM1304 d'Analog Devices, peuvent simplifier les conceptions anciennes tout en permettant aux concepteurs de répondre aux exigences des nouvelles conceptions pour des produits à fréquence plus élevée avec des densités de circuit accrues. Pour aider les concepteurs à tirer pleinement parti des fonctionnalités des dispositifs, ils bénéficient d'une prise en charge étendue, sous la forme de cartes d'évaluation, de modèles et de documentation.