使用 MEMS 射频开关解决高级无线应用的设计和集成问题

频率更高和带宽更宽的无线通信飞速发展，再结合多个射频 (RF) 接口与天线的集成，使得传统的射频开关方法达到极限。基于微机电系统 (MEMS) 技术的射频开关已发展成为一种可行且易用的解决方案，可帮助设计人员解决高级无线系统中空间、开关速度、前端滤波和灵活性等问题。

本文首先介绍传统机电开关、各种固态模拟开关和 PIN 二极管等传统射频开关方法，然后以 Analog Devices 的产品为例探讨基于 MEMS 射频开关的关键属性。此外，本文还将讨论性能特点和可用的开发支持，从而帮助设计人员了解如何运用 MEMS 射频开关来确保操作的长寿命和可靠性。

射频开关应用及选项

除了使用单天线支持多个无线电集成外，射频开关还需支持多输入多输出 (MIMO) 配置的多天线，引导信号至所需内部路径，或管理自动测试设备 (ATE) 相关的开关矩阵。射频开关动作可包括选择多个输入信号之一并将其引导至单一输出路径；或者恰恰相反，将单一输入信号引导至指定的多个输出路径之一。

直至最近，射频开关一直都使用以下主要方式实现：

• 传统机电式射频开关：这类开关采用手动或电机控制；通过简单的 12/24 V 线路或 USB 端口支持远程操作。这类开关易于使用（包含同轴连接器），开关速度达数十吉赫，性能表现出色，但显然不适合要求尺寸小、重量轻或开关速度快的应用。尽管设计陈旧，这类开关却仍然应用广泛，并且在许多情况下往往是唯一解决方案。

• 基于 PIN 二极管的开关：这些开关具有良好的射频性能和较快的开关速度。不过，需要相关专业知识才能发挥其潜力。作为无独立开/关控制线路的双端子器件，这类开关的相关电路比较复杂，输入需将直流控制和射频路径合并，而输出则需将其分离。因此，基于 PIN 的射频开关大多都以包含支持电路的完整模块形式提供。

• 场效应晶体管 (FET) 和混合固态开关：这种固态开关采用先进的半导体材料和工艺来提供基本低频晶体管开关的射频等效电路。作为电子开关，这些器件可实现快速开/关转换（几微秒内），易于设计导入，但在隔离及其他性能属性方面受到限制。

近来，基于 MEMS 的射频开关已成为可行选项，而且现已推出标准产品。这些器件的开关机构基于悬臂式 MEMS 元件，虽与某些 MEMS 加速计类似，但新增了电子控制开关所需的功能和特性，为射频信号路径提供金属对金属触点。

例如，我们来看看 Analog Devices 的 ADGM1004，一款 0 Hz (DC) 至 13 GHz 的单刀四掷 (SP4T) 开关，以及同类产品 ADGM1304，一款 DC 至 14 GHz 的 SP4T 开关（图 1）。

图 1：ADGM1004 MEMS 开关框图显示了基本 SP4T 架构及静电放电 (ESD) 保护二极管等其他关键特性。ADGM1304 与其类似但不含二极管，某些规格细节也有所不同。（图片来源：Analog Devices）

ADGM1004 和 ADGM1304 可实现典型的机械开/关、触点闭合功能，采用小型射频兼容的 24 引脚引线框芯片级封装 (LFCSP)，尺寸为 5 × 4 × 1.45 mm。这两款器件可实现 30 µs 内快速开关，带宽分别从 DC 至 13 或 14 GHz。虽然规格总体相近，但两者在导通电阻 (R_on)、三阶交调截取点 (IIP3) 和射频功率（最大值）等方面存在细微却不容小觑的差别（表 1）。

表 1：Analog Devices 的 ADGM1004 和 ADGM1304 基于 MEMS 的射频开关，由其顶级规格可知两者性能相似，却存在细微差别。（图片来源：DigiKey）

这两款机械开关器件具有金属对金属触点，允许信号能量在任一方向上流动，即四极中任一极的信号都可发送至公共端，而公共端的信号也可发送至四个开关极中的任意一个。

MEMS 射频开关的原理及实现

随着各种技术不断进步，谈及概念虽简单明了，实际应用却不尽然，MEMS 射频开关正是如此。MEMS 射频开关使用微机械悬臂梁和金属化尖端作为开关元件。设计问题在于如何“激活”悬臂，使其在导通时移动并接触相应的金属表面，并在关断时断开连接。MEMS 射频开关通过静电驱动带动悬臂移动（图 2）。习惯上虽将各开关端子称作“源极”、“栅极”和“漏极”，但该器件仍是机械触点开关，而非 FET 开关器件。

图 2：MEMS 射频开关的原理是，器件采用一对金属触点（分别称作源极和漏极）以及悬臂梁上的可动触点（栅极），通过静电力移动栅极从而实现开关转换。（图片来源：Analog Devices）

就许多方面而言，MEMS 射频开关都与机械式继电器极其相似，但其带触点的电枢却建立在微米尺度上。悬臂通过静电力而非磁场力致动。整个开关采用 MEMS 专用硅 IC 工艺制造，从而充分利用与该工艺相关的丰富设计和制造专业知识，提高产量，降低成本（图 3）。

图 3：MEMS 射频开关的实际设计和实现涉及一系列由硅及其他材料构成的复杂层板和涂层，以及蚀刻区域。（图片来源：Analog Devices）

为了提高性能并降低直流接触电阻和射频阻抗，每个触点其实都由一组并联触点组成；由于采用 MEMS 技术，这一方式相当实用（图 4）。

图 4：为了降低直流接触电阻和射频阻抗，MEMS 开关的触点由多个并联触点组成。（图片来源：Analog Devices）

每种电子元器件都有一个或多个品质因数 (FOM)，用于描述其性能特征。对于开关器件而言，最重要的 FOM 值之一是 R_on 乘以关断电容 (C_off)，常记作 R_onC_off 乘积，单位为飞秒 (fs)。R_onC_off 越小，表示导通插入损耗越小，关断隔离越高，这两种属性都很理想。当然，在直流和交流电源线路以及低频开关应用中，R_on 是主要因素，而 C_off 很大程度上影响不大。Analog Devices MEMS 开关的 R_onC_off 乘积小于 8 fs，表示开关在导通和关断模式下射频性能都相当出色。

驱动和 ESD 将使设计复杂化，但并不影响实际使用

对于某些器件类别，设计人员的一大顾虑在于该器件的驱动与控制，以及实现所面临的众多难题。理想情况下，只需使用标准逻辑电平信号进行控制。（回想一下，连接并驱动 PIN 二极管射频开关的实现难度正是其缺陷之一。）

鉴于 Analog Devices 的 MEMS 射频开关静电作用，电场需要约 89 V 直流电压才能移动开关悬臂，控制驱动器和接口最初面临的设计导入挑战可能正出于此。事实上，这并不成问题：这些 3.1 至 3.3 V 的 MEMS 开关包含带 DC/DC 升压电路的独立芯片，因此无需使用外部高压驱动器或电源（图 5）。

图 5：如图所示，ADGM1004 驱动 IC（左）和 MEMS 开关芯片（右），射频端口 ESD 保护芯片安装在上部，利用引线键合到金属引线框架（ADG1304 不含 ESD 芯片）。（图片来源：Analog Devices）

ESD 敏感性几乎是所有固态器件所面临的共同问题。不过，传统机械式射频开关无需顾虑该问题，因为这类器件本质上具有较高的 ESD 抗扰度。为解决 ESD 敏感性问题，Analog Devices 提供了 ESD 保护元件。在 ADGM1004 封装中的这个第三独立元件安装在 MEMS 芯片上，对用户透明。极引脚（RF1 至 RF4）和公共引脚 (RFC) 的 ESD 人体模型 (HBM) 额定电压为 5 kV，所有其他引脚则为 2.5 kV。对于不需要 ESD 保护的应用（的确有些应用如此），ADGM1304 可去除这一保护功能元件，因此封装更薄和带宽更宽。

如上所述，尽管这两款开关包含两块有源芯片，封装却仍然很小，这对于千兆赫射频而言始终算作一大优势。此外，控制信号兼容 CMOS/LVTTL，因而易于使用。

操作、性能和可靠性

采用模拟开关或 PIN 二极管技术的固态射频开关可处理的信号频率最多只能低至 10 MHz，而机电开关及 MEMS 开关却可处理低至 DC 的信号。由于相关信号范围从数百兆赫至数千兆赫，这一性能扩展貌似并无必要。

不过，许多射频应用不仅要求高频性能，同时也需要处理接近 DC 甚至真正的 DC 信号。其中包括采用 455 kHz 等低中频 (IF) 的系统，以及处理射频频段范围较宽的软件无线电 (SDR)。此外，在甚小孔径终端 (VSAT) 天线和卫星电视/互联网接入的某些设计中，射频路径还需为低噪声块 (LNB) 的天线前端前置放大器提供直流电源路径。在这些应用中，通过单个小型元器件就能切换和引导直流电源和射频信号不失为一大设计优势。

与所有机械和机电器件一样，核心机构的使用寿命有限。对于金属机电式射频开关，额定工作寿命通常介于 500 至 1000 万次之间。鉴于其开关时间约为数十毫秒，这一额定值尚可接受。然而，基于 MEMS 的射频开关的开/关转换时间相当短（ADGM1004 和 ADGM1304 为 30 µs）。对于动态 MIMO 系统配置等许多目标应用而言，1000 万次的工作寿命太过有限。不过，只要在指定信号电平和功率范围内使用，MEMS 开关的额定工作寿命为 10 亿次。相比传统机械和机电开关，这一工作寿命等级整整提高了两个数量级。

除了与电子和机电元器件相关的温度循环应力外，还有一些因素会影响 MEMS 和传统机电式射频开关的工作寿命。其中之一则是“热”切换与“冷”切换。

热切换模式下，开关闭合时信号源极和漏极之间存在电压差，且在开关断开后两极之间存在电流。与之不同，冷切换模式并不存在信号功率。热切换会缩短触点表面的开关寿命，具体取决于源极和漏极之间的开路电压大小。MEMS 开关规格书中的图表显示了热切换对工作寿命及开关次数的影响。

开/关周期谱的另一个重要参数是连续导通寿命 (COL)，即在一段较长的时间内，将开关设置为连续导通状态，这在仪器系统中时常发生，却也会缩短开关触点的工作寿命。经设计和加速寿命测试，Analog Devices 的 MEMS 开关额定 COL 平均无故障时间 (MTBF) 在 50℃ 时为 7 年，85℃ 时为 10 年。

作为一项相对较新的技术，潜在用户可能会谨慎看待这些基于 MEMS 的射频开关，担心由于电气和机械应力、温度和冲击/振动而导致各种短期和长期可靠性问题。对于任务关键型军事/航空航天以及汽车系统中的 MEMS 射频开关应用尤其如此。为了解除这些顾虑，Analog Devices 完成了诸多工业测试和 MIL 定义的测试（表 2）。

表 2：MEMS 开关技术鉴定测试的部分清单，由此可见这些器件的可靠性鉴定范围之广。（图片来源：Analog Devices）

将 MEMS 开关设计到电路中

基于 MEMS 的射频开关虽易于应用，但相比标准机电开关则略显复杂。器件规格书中给出了若干设计注意事项，其中包括所有开关端子都必须连接至直流电压基准。该基准可以是另一带有内部电压基准或是接地阻抗的有源器件（类似于 CMOS 栅极输入或输出不能“悬空”）。否则，会使端子贮存电荷，累积电压可能升至未知水平，从而导致不可靠的致动行为而损坏开关。

规格书阐示了意外造成节点悬空的几种方式，并展示了解决方法。例如，在两个 ADGM1304 器件的典型级联使用案例中，只需借助分流电阻器即可最大限度地减少潜在问题（图 6）。

图 6：在开关端子与地之间安装分流电阻器，即可避免电荷和电压累积，以免导致不稳定行为，甚至损坏开关。（图片来源：Analog Devices）

MEMS 射频开关不乏应用机会，其中一些已经显而易见且相当重要。移动无线电和智能手机等无线通信的发展趋势，要求增加单条路径支持的频段和模式的数量；5G 标准则进一步推动了这一趋势。动态可重新配置的射频滤波器允许覆盖更多频带/模式，并且尺寸小、速度快，因此可以轻松解决这一问题。

使用一对 ADGM1304 器件即可实现可重新配置的带通滤波器，采用由两部分组成的电感耦合单端拓扑，标称中心频率为 400 MHz（超高频 (UHF) 频段），如下图所示（图 7）。MEMS 开关与各分流电感器串联，在低、平插入损耗、宽射频带宽、低寄生效应、低电容和高线性度方面，满足了应用要求。

图 7：对于无线手持设备而言，一大功能日趋重要，即单信号路径能够处理多个射频频段和模式。使用 MEMS 器件实现的开关电感滤波器能够以小尺寸、高性能实现此功能。（图片来源：Analog Devices）

总电感值为 15 nH 至 30 nH 的分流电感用于设置滤波器频率，MEMS 开关则用于接通/断开这些分流电感器，而且开关的低 R_on 值可降低串联电阻对分流电感器品质因数 (Q) 的不利影响。此外，依照开关设置要求，该设计在输入和输出端口保留了关键的 50 Ω 负载。

在千兆赫以上频段的射频设计，以及建立模型和 S 参数用于仿真时，合适的评估板是必要的设计工具，因为不存在完美的模型，也不可能抓住实际设计中所有琐碎细节。Analog Devices 推出的 EVAL-ADGM1304 可以缩短产品上市所需的时间，最大限度地减少用户的烦恼，提供全面而公正的设计评估（图 8）。

图 8：用于 ADGM1304 的评估板不仅简单便捷，而且可确保元器件性能评估条件始终如一，并能执行校准和应用性能测试。（图片来源：Analog Devices）

评估板包括用于射频信号的 SMA 连接器、用于开关控制信号的 SMB 连接器、用于分析仪校准的板载“校准通”传输线，以及详尽的用户指南 (UG-644)。

总结

随着无线应用飞速发展，对尺寸、成本和性能的要求日益严苛，基于 MEMS 的射频开关凭借开关速度快、尺寸小、长期可靠及其他优势，给设计人员工具包新增了一种实用工具。

像 Analog Devices 的 ADGM004 和 ADGM1304 这样的 MEMS 射频开关，能够在简化老式设计的同时，让设计人员满足高频产品的新设计要求，并提高电路密度。为了帮助设计人员充分利用这些器件的功能，该公司还推出了评估板、模型和说明文档以提供广泛支持。