Gebruik MEMS RF-schakelaars om problemen met ontwerp en integratie van geavanceerde draadloze toepassingen op te lossen

Dankzij de enorm snelle toename in draadloze communicatie op hogere frequenties en bandbreedtes samen met de integratie van meerdere radiofrequentie- of RF-interfaces en -antennes worden de grenzen van conventionele RF-schakeloplossingen verlegd. RF-schakelaars op basis van micro-elektromechanische systemen (MEMS) zijn een haalbare, gebruiksvriendelijke oplossing gebleken om problemen aan te pakken waarmee ontwerpers van geavanceerde draadloze systemen worden geconfronteerd, zoals ruimte, schakelsnelheid, front-end filtering en flexibiliteit.

Dit artikel begint met een blik op conventionele benaderingen van RF-schakelaars, waaronder traditionele elektromechanische en verschillende solid-state analoge en PIN-diodes. Vervolgens worden de belangrijkste kenmerken van op MEMS gebaseerde RF-schakelaars behandeld aan de hand van voorbeelden van Analog Devices. Aan de orde komen prestatiekenmerken en beschikbare ontwikkelingsondersteuning om ontwerpers te helpen bij het toepassen van MEMS RF-schakelaars en een lange levensduur en betrouwbare werking te garanderen.

Toepassingen en opties van RF-schakelaars

Naast het ondersteunen van de integratie van meerdere radio's met één enkele antenne zijn RF-schakelaars vereist om meerdere antennes in een MIMO-configuratie (multiple input, multiple output) te ondersteunen, een signaal langs een gewenst intern pad te sturen of een ATE-gerelateerde (automatic test equipment) schakelmatrix te besturen. Bij RF-schakelen gaat het vaak om het selecteren van één van de vele mogelijke ingangssignalen die naar een enkel uitgangspad moet worden gestuurd. Daarentegen kan het ook worden gebruikt om een enkel signaal naar één van de vele mogelijke uitgangspaden te routeren.

Tot voor kort werd RF-schakelen voornamelijk geïmplementeerd met behulp van:

•Traditionele elektromechanische RF-schakelaars: Deze zijn handmatig of motorgestuurd; ze ondersteunen bediening op afstand via een eenvoudige 12/24V-lijn of een USB-poort. Deze schakelaars zijn eenvoudig in gebruik (ze bevatten coaxiale connectors) en bieden uitstekende prestaties tot tientallen gigahertz, maar zijn duidelijk niet praktisch voor toepassingen die klein en lichtgewicht moeten zijn of snel moeten kunnen schakelen. Ondanks dat ze al lange tijd worden gebruikt, zijn ze nog steeds overal verkrijgbaar en voor veel situaties vaak de enige oplossing.

•Schakelaars op basis van PIN-diodes: Deze bieden goede RF-prestaties en een hoge schakelsnelheid. Het realiseren van het potentieel van deze schakelaars vereist echter expertise. Als tweepolige componenten zonder een aparte aan/uit-besturingslijn vereisen ze complexe circuits om de gelijkstroombesturing en RF-paden als ingangen samen te voegen en vervolgens als uitgangen te scheiden. Om deze reden worden de meeste op PIN gebaseerde RF-schakelaars als complete module inbegrepen met de ondersteuningscircuits.

•Field effect transistor (FET) en hybride solid-state schakelaars: Dit zijn solid-state schakelaars die gebruik maken van geavanceerde halfgeleidermaterialen en -processen om het RF-equivalent van een eenvoudige, laagfrequente transistorschakelaar te leveren. Deze elektronische schakelaars kunnen snel aan/uit schakelen (binnen enkele microseconden) en zijn eenvoudig toe te passen, maar zijn beperkt wat betreft isolatie en andere prestatiekenmerken.

Recentelijk zijn op MEMS gebaseerde RF-schakelaars haalbare opties gebleken en deze zijn nu verkrijgbaar als standaardproducten. Deze schakelaars gebruiken een schakelmechanisme op basis van vrijdragende MEMS-elementen vergelijkbaar met die welke worden gebruikt in sommige MEMS-accelerometers, maar met aanvullende functies die nodig zijn voor een elektronisch gestuurde schakelaar met metal-on-metal contact voor het RF-signaalpad.

Neem bijvoorbeeld de ADGM1004 van Analog Devices, een 0 Hz (DC) tot 13 GHz, enkelpolige schakelaar met vier posities (SP4T), evenals de vergelijkbare ADGM1304, een DC tot 14 GHz SP4T-schakelaar (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Het blokschema van de ADGM1004 MEMS-schakelaar laat de basis SP4T-architectuur zien samen met andere belangrijke kenmerken zoals beveiligingsdiodes voor elektrostatische ontlading (ESD). De ADGM1304 is vergelijkbaar, maar zonder diodes en verschilt ook in sommige specificatiedetails. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De ADGM1004 en ADGM1304 implementeren een klassieke mechanische contact-closure functie voor aan/uit en doen dit binnen een ultrakleine RF-compatibele LFCSP-behuizing (lead frame chip scale package) met 24 pennen van 5 × 4 × 1,45 millimeter (mm). Ze kunnen binnen 30 microseconde (µs) schakelen en hebben een bandbreedte van DC tot 13 of 14 GHz (respectievelijk). De specificaties voor deze twee componenten zijn over het algemeen vergelijkbaar. De subtiele, maar vaak belangrijke, verschillen hebben betrekking op de aan-weerstand (R_on), het derde orde interceptpunt (IIP3) en het RF-vermogen (max) (Tabel 1).

Tabel 1: Prestatiespecificaties en bescheiden verschillen tussen de ADGM1004 en ADGM1304 op MEMS gebaseerde RF-schakelaars van Analog Devices. (Bron afbeelding: DigiKey)

Deze mechanische, metal-to-metal contact-closure componenten laten signaalenergie in beide richtingen toe. Dit betekent dat een signaal op één van de vier polen kan worden doorgegeven aan de gemeenschappelijke pool. Omgekeerd kan een signaal op de gemeenschappelijke pool naar elk van de vier geschakelde polen stromen.

Het MEMS RF-schakelprincipe en implementatie

Veel nieuwe technologische ontwikkelingen zijn simpel van opzet, maar de uitvoering ervan is vaak niet zo eenvoudig. Dit geldt ook voor de MEMS RF-schakelaar. De MEMS RF-schakelaar gebruikt een ultrakleine cantilever met een gemetalliseerde tip als schakelelement. Het ontwerpvraagstuk is nu hoe deze cantilever kan worden ‘geactiveerd’ zodat hij bij inschakelen beweegt en contact maakt met het bijbehorende gemetalliseerde oppervlak en bij uitschakelen het contact verbreekt. Voor de MEMS RF-schakelaar wordt deze beweging geïnitieerd via elektrostatische aansturing (Afbeelding 2). Hoewel de schakelcontacten ‘source’ (bron), ‘gate’ (poort) en ‘drain’ (afvoer) worden genoemd, hebben we nog steeds te maken met een mechanische contact-closure, geen schakelende FET.

Afbeelding 2: Het principe van de MEMS RF-schakelaar bestaat uit een tweetal metalen contacten (source en drain genoemd) en een beweegbare contact op een cantilever (de gate), die beweegt als gevolg van een elektrostatische kracht. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De MEMS RF-schakelaar lijkt in veel opzichten op een mechanisch relais, maar is gebouwd op micrometerschaal met een contactbelaste armatuur. De cantilever wordt geactiveerd door een elektrostatische kracht in plaats van een magnetisch veld. De hele schakelaar is vervaardigd met behulp van een MEMS-specifiek silicium-IC-proces, waarbij de uitgebreide ontwerp- en fabricage-expertise van dit proces wordt benut om het rendement te verbeteren en kosten te verlagen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Het daadwerkelijke ontwerp en de implementatie van de MEMS RF-schakelaar omvat een complexe reeks lagen en coatings van silicium en andere materialen, evenals geëtste gebieden. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Elke contactpool wordt in feite vervaardigd als een reeks parallelle polen om de prestaties te verbeteren en de DC-contactweerstand en RF-impedantie te verlagen, wat vanwege de MEMS-technologie praktisch is (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De contactpolen van MEMS-schakelaars worden vervaardigd als meerdere parallelle contacten om de DC-contactweerstand en RF-impedantie te verlagen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Alle elektronische componenten hebben één of meer ‘figures of merit’ (FOM's) die worden gebruikt om prestaties te karakteriseren. Voor een schakelaar is één van de belangrijkste FOM-waarden de aan-weerstand (R_on) vermenigvuldigd met de uit-capaciteit (C_off). Dit wordt meestal het R_onC_off-product genoemd en wordt uitgedrukt in femtoseconden (fs). Lagere R_onC_off-waarden duiden op lagere insertieverliezen in de aan-stand en hogere isolatie in de uit-stand, wat allebei gewenste kenmerken zijn. Voor DC, AC-voedingslijn en laagfrequente schakelaars is R_on uiteraard de dominante factor en C_off nagenoeg irrelevant. Het R_onC_off-product voor de MEMS-schakelaars van Analog Devices is lager dan 8 fs, wat duidt op zeer goede RF-prestaties in de aan- en uit-stand.

Besturing en ESD bemoeilijken het ontwerp, maar niet het daadwerkelijke gebruik

Eén van de problemen waar ontwerpers mee te maken hebben, is het aansturen en besturen van bepaalde componentklassen, evenals hiermee samenhangende vraagstukken. In het ideale geval zou de besturing een eenvoudig, standaard logisch niveausignaal zijn. (Vergeet niet dat moeilijkheden met communiceren en aansturen van de PIN-diode RF-schakelaar één van de nadelen is.)

Wat betreft elektrostatische werking van de MEMS RF-schakelaars van Analog Devices lijken de aandrijving en interface in eerste instantie een ontwerpuitdaging te zijn, omdat het elektrische veld circa 89 volt DC nodig heeft om de cantilever te bewegen. Dit is echter helemaal geen probleem, omdat deze 3,1 tot 3,3 volt MEMS-schakelaars op een afzonderlijke chip een DC/DC-boostcircuit bevatten, waardoor de behoefte aan een externe hoge spanningsdriver of voedingsbron wordt geëlimineerd (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: ADGM1004 drive-IC (links) en MEMS-schakelchip (rechts) met daarbovenop de RF-poort ESD-beveiligingschip gemonteerd met draadverbindingen naar het metalen leadframe (de ADG1304 heeft geen ESD-chip). (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een probleem met bijna alle solid-state componenten is de gevoeligheid voor ESD. Conventionele mechanische RF-schakelaars hebben dit probleem echter niet, omdat ze inherent zeer immuun zijn voor elektrostatische ontlading (ESD). Om de ESD-gevoeligheid aan te pakken, heeft Analog Devices een ESD-beveiligingselement ingebouwd. Dit afzonderlijke derde element binnen de ADGM1004-behuizing is op de MEMS-chip gemonteerd en is voor de gebruiker onmerkbaar. Het biedt een ESD-classificatie op basis van HBM (Human Body Model) van 5 kilovolt (kV) voor de poolpennen (RF1 tot RF4) en de gemeenschappelijke pen (RFC) evenals 2,5 kV voor alle andere pennen. Voor toepassingen die geen ESD-bescherming vereisen — en daar zijn er verschillende van — elimineert de ADGM1304 dit functie-element wat leidt tot een dunnere behuizing en een bredere bandbreedte.

Ondanks de twee actieve chips in de behuizing zijn deze schakelaars nog steeds zeer klein zoals hierboven vermeld, wat altijd een pluspunt is voor gigahertz RF. Hun besturingssignalen zijn voor het gemak CMOS/LVTTL-compatibel.

Werking, prestaties en betrouwbaarheid

In tegenstelling tot solid-state RF-schakelaars die analoge schakel- of PIN-diodetechnologie gebruiken en alleen frequenties tot minimaal 10 megahertz (MHz) aankunnen, kunnen elektromechanische schakelaars en hun MEMS-tegenhangers signalen verwerken tot en met DC. Dit lijkt misschien een overbodige prestatie-uitbreiding omdat de signalen die van belang zijn, variëren van enkele honderden megahertz tot verschillende gigahertz.

Er zijn echter veel RF-toepassingen waarbij het nodig is om bijna of zelfs echt gelijkstroom te schakelen, samen met mogelijkheden voor hogere frequenties. Denk hierbij aan systemen met lage intermediaire frequenties (IF) zoals 455 kilohertz (kHz) en software-gedefinieerde radio's (SDR's) die een zeer breed deel van het RF-spectrum moeten kunnen verwerken. Verder zijn er ontwerpen waarbij het RF-pad ook het gelijkstroompad is voor de front-end voorversterker van de antenne in het low noise block (LNB) van very small aperture terminal (VSAT)-schotels en satelliet-tv/internettoegang. Voor dergelijke toepassingen is het vermogen om via één enkele, kleine component samen met het RF-signaal ook gelijkstroom te schakelen en routeren een belangrijk voordeel.

Net als met alle mechanische en elektromechanische componenten gaat het kernmechanisme niet eeuwig mee. De levensduur van metalen elektromechanische RF-schakelaars ligt gemiddeld tussen de vijf en tien miljoen cycli. Aangezien de schakeltijd in de orde van tientallen milliseconden ligt, is deze rating over het algemeen acceptabel. Op MEMS gebaseerde RF-schakelaars hebben echter een veel snellere aan/uit-tijd (30 µs voor de ADGM1004 en ADGM1304). Voor veel ontwerptoepassingen, zoals een dynamische MIMO-systeemconfiguratie, vormen 10 miljoen cycli een levenslange beperking. MEMS-schakelaars hebben echter een rating van één miljard cycli, ervan uitgaande dat ze worden gebruikt binnen hun gedefinieerde signaalniveau en power-envelop. Dit is een levensduurclassificatie die twee ordes van grootte hoger is dan traditionele mechanische en elektromechanische schakelaars.

Naast de stress als gevolg van temperatuurcycli geassocieerd met elektronische en elektromechanische componenten zijn er andere factoren die de levensduur van MEMS en conventionele elektromechanische RF-schakelaars beïnvloeden. Een daarvan is ‘hot’ schakelen t.o.v. ‘cold’ schakelen.

‘Hot’ schakelen vindt plaats wanneer er een spanningsverschil bestaat tussen de source en drain van het signaal wanneer de schakelaar gesloten is en/of als er stroom loopt wanneer de schakelaar wordt geopend. In tegenstelling tot ‘cold’ schakelen, waarbij op het moment van schakelen geen signaalstroom aanwezig is, leidt ‘hot’ schakelen tot een kortere levensduur van de schakelaar bij de contactoppervlakken. Deze kortere levensduur is afhankelijk van de grootte van de spanning tussen de source en de drain bij een open circuit. Datasheets van MEMS-schakelaars verstrekken tabellen en grafieken die het effect aangeven van ‘hot’ schakelen op de levensduur en cycli.

Aan de andere kant van het aan/uit-schakelspectrum is een parameter die continuously-on lifetime (COL) wordt genoemd. Dit verwijst naar een situatie die zich vaak voordoet bij instrumenten waarbij een schakelaar gedurende langere tijd aan blijft staan, waardoor de levensduur van het schakelaarcontact ook kan worden verkort. Volgens ontwerp en versnelde levensduurtests hebben de MEMS-schakelaars van Analog Devices een COL mean-time-before-failure (MTBF) rating van zeven jaar bij 50 °C en 10 jaar bij 85 °C.

Aangezien dit een relatief nieuwe technologie is, worden deze MEMS RF-schakelaars door potentiële gebruikers met het nodige voorbehoud bekeken, omdat ze zich zorgen maken over deze en andere aspecten van de betrouwbaarheid op korte en lange termijn als gevolg van elektrische en mechanische stress, temperatuur en schok/trillingen. Dit geldt met name voor MEMS RF-schakelaars in missiekritische toepassingen voor de krijgsmacht/ruimtevaart en automobielsystemen. Om aan deze bezwaren tegemoet te komen, heeft Analog Devices veel industriële en MIL-gedefinieerde tests uitgevoerd (Tabel 2).

Tabel 2: Deze gedeeltelijke lijst van kwalificatietests voor MEMS-schakeltechnologie geeft de omvang weer van de betrouwbaarheidskwalificatie voor deze apparaten. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het ontwerpen van MEMS-schakelaars in een circuit

Hoewel op MEMS gebaseerde RF-schakelaars eenvoudig kunnen worden toegepast, zijn ze iets gecompliceerder dan standaard elektromechanische componenten. Ook hun datasheets geven verschillende aandachtspunten voor het ontwerp weer. Eén daarvan is dat alle schakelpadcontacten moeten worden aangesloten op een DC-spanningsreferentie. Deze referentie kan een ander actief component zijn met een interne spanningsreferentie of een impedantie naar aarde (analoog aan het niet laten ‘zweven’ van een CMOS gate-ingang of -uitgang). Als dit niet wordt gedaan, kan zich lading opbouwen op de contacten waardoor spanningen naar onbekende niveaus kunnen oplopen, wat vervolgens kan leiden tot onbetrouwbaar aansturingsgedrag en beschadiging van de schakelaar.

De datasheets geven aan de hand van illustraties enkele manieren weer waarbij deze ‘floating nodes’ onbedoeld kunnen optreden evenals oplossingen om ze te omzeilen. Wanneer bijvoorbeeld twee ADGM1304-schakelaars in de gemeenschappelijke cascade-opstelling worden gebruikt, kunnen eenvoudige shuntweerstanden het potentiële probleem minimaliseren (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Het installeren van shuntweerstanden tussen schakelaarcontacten en aarde voorkomt de kans op lading- en spanningsopbouw wat kan leiden tot grillig gedrag en zelfs beschadiging van de schakelaar. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Hoewel er veel toepassingsmogelijkheden zijn voor MEMS RF-schakelaars komen bepaalde toepassingen steeds duidelijker naar voren. Voor draadloze communicatie, zoals mobiele radio's en smartphones, is het verhogen van het aantal banden en modi dat in een enkele eenheid moet worden ondergebracht de trend en de 5G-standaard stimuleert dit scenario nog meer. Een dynamisch herconfigureerbaar RF-filter kan dit implementeren door meer banden/modi toe te staan en wel met de vereiste kleine afmetingen en hoge snelheid.

Dit kan worden gerealiseerd met behulp van een tweetal ADGM1304-componenten in een herconfigureerbaar banddoorlaatfilter, hier weergegeven als een inductief gekoppelde, single-ended topologie in twee secties nominaal gecentreerd op 400 MHz in de ultrahoge frequentie- of UHF-band (Afbeelding 7). Alle MEMS-schakelaars zijn in serie geschakeld met een shuntinductor en voldoen zo aan de vereisten voor laag en vlak insertieverlies, hoge RF-bandbreedte, lage parasitaire werking, lage capaciteit en hoge lineariteit.

Afbeelding 7: Een functie waar draadloze telefoons steeds meer behoefte aan hebben, is de mogelijkheid om meerdere RF-banden en -modi via een enkel signaalpad te verwerken. Een geschakeld inductorfilter met gebruik van MEMS-componenten kan deze functie in een kleine afmeting en met hoge prestaties realiseren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De schakelaars verbinden/verbreken de gekoppelde inductorelementen, van 15 nanohenry (nH) tot 30 nH die de filterfrequentie instellen, terwijl hun lage R_on de negatieve impact vermindert die een serieweerstand heeft op de kwaliteitsfactor (Q-factor) van de shuntinductor. Het ontwerp handhaaft ook de kritische waarde van 50 ohm (Ω) op de ingangs- en uitgangspoorten bij alle schakelaarinstellingen.

Geen enkel model is perfect en modellen kunnen nooit alle subtiliteiten van het werkelijke ontwerp vastleggen. Daarom is bij het ontwerpen met RF van gigahertz of meer, samen met modellen en S-parameters voor simulatie, een geschikt evaluatieboard een onmisbaar ontwerptool. De EVAL-ADGM1304 van Analog Devices is bedoeld om de time-to-market te verkorten, frustratie van gebruikers te verminderen en een volledige en eerlijke ontwerpevaluatie mogelijk te maken (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Het evaluatieboard voor de ADGM1304 is bedoeld voor meer dan alleen gebruiksgemak. Het is een hulpmiddel dat ervoor zorgt dat de prestatiebeoordeling van componenten onder consistente omstandigheden wordt uitgevoerd en dat kalibratie en toepassingsprestatietests mogelijk maakt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het evaluatieboard bevat SMA-connectors voor de RF-signalen, SMB-connectors voor schakelbesturingssignalen en een ingebouwde ‘calibration thru’ transmissielijn voor analyserkalibratie, evenals een gedetailleerde gebruikershandleiding (UG-644).

Conclusie

Naarmate draadloze toepassingen snel toenemen en de vereisten voor afmeting, kosten en prestaties steeds veeleisender worden, zijn op MEMS gebaseerde RF-schakelaars een nuttige aanvulling op de toolkit van een ontwerper vanwege hun hoge schakelsnelheid, kleine afmeting, hoge lange termijn betrouwbaarheid en andere gunstige attributen.

MEMS RF-schakelaars zoals de ADGM004 en ADGM1304 van Analog Devices kunnen oudere ontwerpen vereenvoudigen, terwijl ontwerpers tevens aan de vereisten van nieuwere ontwerpen kunnen voldoen voor producten met hogere frequenties en toenemende circuitdichtheden. Om ontwerpers te helpen de mogelijkheden van de componenten optimaal te benutten, bieden fabrikanten uitgebreide ondersteuning in de vorm van evaluatieboards, modellen en documentatie.