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射频MEMS开关技术的最新进展

发布时间:2008-11-01

中心议题:

  • 介绍新型MEMS解决方案
  • 总结MEMS开关技术的发展优势与趋势

解决方案:

  • DPDT开关在封装内集成两个独立的SPDT开关,减小整个开关系统的尺寸、成本和复杂性
  • SP4T开关通过集成栅电阻的方式最大限度地减小整个开关的尺寸
  • 26.5GHz的SPDT开关实现信号完整性极高的开关控制,支持数据速率达20Gbps以上的差分信号应用

 

由于MEMS开关是采用半导体制造工艺制成的,因此它们采用表面安装之类的封装技术能够实现极小的外形尺寸。采用已有的批量制造技术,并且积极改进工艺从而在产量增大时迅速降低器件成本,MEMS开关的生产可以形成较大的规模。在MEMS开关的制造过程中采用自适应半导体质量控制技术能够实现可与其他半导体器件相媲美的质量(缺陷水平为ppm量级),不断提高MEME开关的寿命可靠性。
  
这使得MEMS开关相比其他开关技术具有更显著的优势。相比其他机械式继电器(机电式和簧片式继电器),MEMS开关的尺寸更小,介入损耗更低,带宽更大,开关速度更快。相比半导体开关(FET和PIN二极管),MEMS开关具有更低的介入损耗、更高的线性度、更大的带宽(完全直流操作)和更强的功率处理性能。最重要的是,人们对MEMS开关的研究与应用才刚刚开始,今后有望更进一步地提高它的性能和可靠性。
  
新型MEMS解决方案
TeraVicta公司推出了三种新型MEMS开关产品,以应对面临的开关技术挑战。其中包括为已有的7GHz开关系列增加了一种DPDT(双刀双掷)和SP4T开关,以及一种最新的高性能26.5GHz SPDT开关。DPDT开关在一个封装内集成了两个独立的SPDT开关,减小了整个开关系统的尺寸、成本和复杂性。通过在栅线内(在器件封装内)集成薄膜电阻进一步压缩了器件尺寸,尤其有利于构建内含数百只开关的ATE应用(例如DUT负载板)。所有三种开关都提供3.8×5.1mm的mini-BGA芯片级封装,预植了Pb/Sn和兼容RoHS的焊球。
  
与DPDT开关一样,SP4T开关通过集成栅电阻的方式最大限度地减小了整个开关的尺寸。SP4T采用这种合成结构能够在mini-BGA封装内实现之前只能由同轴机电式继电器实现的相同功能。SP4T支持测试与仪器应用中信号多路复用所需的高性能扇出功能(如图3所示),还支持无线系统的频带与滤波器开关应用,这类应用通常需要低介入损耗、高线性度和低功耗。SP4T开关采用的紧凑式表面安装封装能够在一块PC板上构建出高性能的4×4开关矩阵,代替使用同轴开关的机架式系统。
 


  图3:7GHz SP4T开关的性能。
  
高性能26.5GHz SPDT开关大大增强了TeraVicta系列开关产品的性能。如图4中的SEM图所示,这种开关在SPDT开关的每条腿上集成了双HFDA,在栅线中集成了薄膜电阻,在开关柱(switch beam)上集成了偏压电阻[3]。采用相同的HFDA技术能够确保这种26.5GHz开关与之前的7GHz系列开关产品具有同样的可靠性、功率处理性能和线性度。
 


  图4:26.5GHz SPDT开关的SEM图。
它在SPDT开关的每条腿上集成了双HFDA。图(a)是SPDT的顶部视图,(b)是侧面视图。
  
26.5GHz SPDT开关的射频性能如图5所示。在从直流到12GHz的频率范围内它的介入损耗低于0.4dB,在最高24GHz频率下的介入损耗小于0.9dB。在从直流到12GHz的频率范围内它的隔离度大于30dB,在最高26GHz的频率下隔离度大于18dB。在从直流到26.5GHz的整个开关带宽内,其回波损耗优于17dB。根据上述特性,这款26.5GHz的SPDT开关能够在15Gbps以上带宽的应用中实现信号完整性极高的开关控制,能够支持数据速率达20Gbps以上的差分信号应用。这一带宽足以满足精确测试新一代高性能处理器、DSP、FPGA和存储子系统的需求,这些器件和系统大多集成了高速互联协议,例如SRIO(serial rapid IO,串行高速IO)、PCIe(PCI Express)和10Gb以太网(10GE/OC-192)。
 


  图5:26.5GHz SPDT开关的典型射频性能。
  
本文小结
数字测试、仪器和无线通信领域的新兴应用需要高性能的开关产品。未来的应用将延续这一趋势——需要更宽的带宽、更低的损耗、更高的电阻可重复性和更高的线性度。以TeraVicta为代表的开关产品供应商将继续利用MEMS开关技术的优势,推动新一代开关产品的发展,满足最新应用的需求。
 
 

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