頻率更高和帶寬更寬的無線通信飛速發展，再結合多個射頻 (RF) 接口與天線的集成，使得傳統的射頻開關方法達到極限?；?a href="http://www.3532n.com/v/tag/10980/" target="_blank">微機電系統 (MEMS) 技術的射頻開關已發展成為一種可行且易用的解決方案，可幫助設計人員解決高級無線系統中空間、開關速度、前端濾波和靈活性等問題。

本文首先介紹傳統機電開關、各種固態模擬開關和 PIN 二極管等傳統射頻開關方法，然后以Analog Devices的產品為例探討基于 MEMS 射頻開關的關鍵屬性。此外，本文還將討論性能特點和可用的開發支持，從而幫助設計人員了解如何運用 MEMS 射頻開關來確保操作的長壽命和可靠性。

射頻開關應用及選項

除了使用單天線支持多個無線電集成外，射頻開關還需支持多輸入多輸出 (MIMO) 配置的多天線，引導信號至所需內部路徑，或管理自動測試設備 (ATE) 相關的開關矩陣。射頻開關動作可包括選擇多個輸入信號之一并將其引導至單一輸出路徑；或者恰恰相反，將單一輸入信號引導至指定的多個輸出路徑之一。

直至最近，射頻開關一直都使用以下主要方式實現：

?傳統機電式射頻開關：這類開關采用手動或電機控制；通過簡單的 12/24 V 線路或 USB 端口支持遠程操作。這類開關易于使用（包含同軸連接器），開關速度達數十吉赫，性能表現出色，但顯然不適合要求尺寸小、重量輕或開關速度快的應用。盡管設計陳舊，這類開關卻仍然應用廣泛，并且在許多情況下往往是唯一解決方案。

? 基于 PIN 二極管的開關：這些開關具有良好的射頻性能和較快的開關速度。不過，需要相關專業知識才能發揮其潛力。作為無獨立開/關控制線路的雙端子器件，這類開關的相關電路比較復雜，輸入需將直流控制和射頻路徑合并，而輸出則需將其分離。因此，基于 PIN 的射頻開關大多都以包含支持電路的完整模塊形式提供。

? 場效應晶體管 (FET) 和混合固態開關：這種固態開關采用先進的半導體材料和工藝來提供基本低頻晶體管開關的射頻等效電路。作為電子開關，這些器件可實現快速開/關轉換（幾微秒內），易于設計導入，但在隔離及其他性能屬性方面受到限制。

近來，基于 MEMS 的射頻開關已成為可行選項，而且現已推出標準產品。這些器件的開關機構基于懸臂式 MEMS 元件，雖與某些 MEMS 加速計類似，但新增了電子控制開關所需的功能和特性，為射頻信號路徑提供金屬對金屬觸點。

例如，我們來看看 Analog Devices 的ADGM1004，一款 0 Hz (DC) 至 13 GHz 的單刀四擲 (SP4T) 開關，以及同類產品ADGM1304，一款 DC 至 14 GHz 的 SP4T 開關（圖 1）。

圖 1：ADGM1004 MEMS 開關框圖顯示了基本 SP4T 架構及靜電放電 (ESD) 保護二極管等其他關鍵特性。ADGM1304 與其類似但不含二極管，某些規格細節也有所不同。（圖片來源：Analog Devices）

ADGM1004 和 ADGM1304 可實現典型的機械開/關、觸點閉合功能，采用小型射頻兼容的 24 引腳引線框芯片級封裝 (LFCSP)，尺寸為 5 × 4 × 1.45 mm。這兩款器件可實現 30 μs 內快速開關，帶寬分別從 DC 至 13 或 14 GHz。雖然規格總體相近，但兩者在導通電阻 (Ron)、三階交調截取點 (IIP3) 和射頻功率（最大值）等方面存在細微卻不容小覷的差別（表 1）。

表 1：Analog Devices 的 ADGM1004 和 ADGM1304 基于 MEMS 的射頻開關，由其頂級規格可知兩者性能相似，卻存在細微差別。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

這兩款機械開關器件具有金屬對金屬觸點，允許信號能量在任一方向上流動，即四極中任一極的信號都可發送至公共端，而公共端的信號也可發送至四個開關極中的任意一個。

MEMS 射頻開關的原理及實現

隨著各種技術不斷進步，談及概念雖簡單明了，實際應用卻不盡然，MEMS 射頻開關正是如此。MEMS 射頻開關使用微機械懸臂梁和金屬化尖端作為開關元件。設計問題在于如何“激活”懸臂，使其在導通時移動并接觸相應的金屬表面，并在關斷時斷開連接。MEMS 射頻開關通過靜電驅動帶動懸臂移動（圖 2）。習慣上雖將各開關端子稱作“源極”、“柵極”和“漏極”，但該器件仍是機械觸點開關，而非 FET 開關器件。

圖 2：MEMS 射頻開關的原理是，器件采用一對金屬觸點（分別稱作源極和漏極）以及懸臂梁上的可動觸點（柵極），通過靜電力移動柵極從而實現開關轉換。（圖片來源：Analog Devices）

就許多方面而言，MEMS 射頻開關都與機械式繼電器極其相似，但其帶觸點的電樞卻建立在微米尺度上。懸臂通過靜電力而非磁場力致動。整個開關采用 MEMS 專用硅 IC 工藝制造，從而充分利用與該工藝相關的豐富設計和制造專業知識，提高產量，降低成本（圖 3）。

圖 3：MEMS 射頻開關的實際設計和實現涉及一系列由硅及其他材料構成的復雜層板和涂層，以及蝕刻區域。（圖片來源：Analog Devices）

為了提高性能并降低直流接觸電阻和射頻阻抗，每個觸點其實都由一組并聯觸點組成；由于采用 MEMS 技術，這一方式相當實用（圖 4）。

圖 4：為了降低直流接觸電阻和射頻阻抗，MEMS 開關的觸點由多個并聯觸點組成。（圖片來源：Analog Devices）

每種電子元器件都有一個或多個品質因數 (FOM)，用于描述其性能特征。對于開關器件而言，最重要的 FOM 值之一是 Ron乘以關斷電容 (Coff)，常記作 RonCoff乘積，單位為飛秒 (fs)。RonCoff越小，表示導通插入損耗越小，關斷隔離越高，這兩種屬性都很理想。當然，在直流和交流電源線路以及低頻開關應用中，Ron是主要因素，而 Coff很大程度上影響不大。Analog Devices MEMS 開關的 RonCoff乘積小于 8 fs，表示開關在導通和關斷模式下射頻性能都相當出色。

驅動和 ESD 將使設計復雜化，但并不影響實際使用

對于某些器件類別，設計人員的一大顧慮在于該器件的驅動與控制，以及實現所面臨的眾多難題。理想情況下，只需使用標準邏輯電平信號進行控制。（回想一下，連接并驅動 PIN 二極管射頻開關的實現難度正是其缺陷之一。）

鑒于 Analog Devices 的 MEMS 射頻開關靜電作用，電場需要約 89 V 直流電壓才能移動開關懸臂，控制驅動器和接口最初面臨的設計導入挑戰可能正出于此。事實上，這并不成問題：這些 3.1 至 3.3 V 的 MEMS 開關包含帶 DC/DC 升壓電路的獨立芯片，因此無需使用外部高壓驅動器或電源（圖 5）。

圖 5：如圖所示，ADGM1004 驅動 IC（左）和 MEMS 開關芯片（右），射頻端口 ESD 保護芯片安裝在上部，利用引線鍵合到金屬引線框架（ADG1304 不含 ESD 芯片）。（圖片來源：Analog Devices）

ESD 敏感性幾乎是所有固態器件所面臨的共同問題。不過，傳統機械式射頻開關無需顧慮該問題，因為這類器件本質上具有較高的 ESD 抗擾度。為解決 ESD 敏感性問題，Analog Devices 提供了 ESD 保護元件。在 ADGM1004 封裝中的這個第三獨立元件安裝在 MEMS 芯片上，對用戶透明。極引腳（RF1 至 RF4）和公共引腳 (RFC) 的 ESD 人體模型 (HBM) 額定電壓為 5 kV，所有其他引腳則為 2.5 kV。對于不需要 ESD 保護的應用（的確有些應用如此），ADGM1304 可去除這一保護功能元件，因此封裝更薄和帶寬更寬。

如上所述，盡管這兩款開關包含兩塊有源芯片，封裝卻仍然很小，這對于千兆赫射頻而言始終算作一大優勢。此外，控制信號兼容 CMOS/LVTTL，因而易于使用。

操作、性能和可靠性

采用模擬開關或 PIN 二極管技術的固態射頻開關可處理的信號頻率最多只能低至 10 MHz，而機電開關及 MEMS 開關卻可處理低至 DC 的信號。由于相關信號范圍從數百兆赫至數千兆赫，這一性能擴展貌似并無必要。

不過，許多射頻應用不僅要求高頻性能，同時也需要處理接近 DC 甚至真正的 DC 信號。其中包括采用 455 kHz 等低中頻 (IF) 的系統，以及處理射頻頻段范圍較寬的軟件無線電 (SDR)。此外，在甚小孔徑終端 (VSAT) 天線和衛星電視/互聯網接入的某些設計中，射頻路徑還需為低噪聲塊 (LNB) 的天線前端前置放大器提供直流電源路徑。在這些應用中，通過單個小型元器件就能切換和引導直流電源和射頻信號不失為一大設計優勢。

與所有機械和機電器件一樣，核心機構的使用壽命有限。對于金屬機電式射頻開關，額定工作壽命通常介于 500 至 1000 萬次之間。鑒于其開關時間約為數十毫秒，這一額定值尚可接受。然而，基于 MEMS 的射頻開關的開/關轉換時間相當短（ADGM1004 和 ADGM1304 為 30 μs）。對于動態 MIMO 系統配置等許多目標應用而言，1000 萬次的工作壽命太過有限。不過，只要在指定信號電平和功率范圍內使用，MEMS 開關的額定工作壽命為 10 億次。相比傳統機械和機電開關，這一工作壽命等級整整提高了兩個數量級。

除了與電子和機電元器件相關的溫度循環應力外，還有一些因素會影響 MEMS 和傳統機電式射頻開關的工作壽命。其中之一則是“熱”切換與“冷”切換。

熱切換模式下，開關閉合時信號源極和漏極之間存在電壓差，且在開關斷開后兩極之間存在電流。與之不同，冷切換模式并不存在信號功率。熱切換會縮短觸點表面的開關壽命，具體取決于源極和漏極之間的開路電壓大小。MEMS 開關規格書中的圖表顯示了熱切換對工作壽命及開關次數的影響。

開/關周期譜的另一個重要參數是連續導通壽命 (COL)，即在一段較長的時間內，將開關設置為連續導通狀態，這在儀器系統中時常發生，卻也會縮短開關觸點的工作壽命。經設計和加速壽命測試，Analog Devices 的 MEMS 開關額定 COL 平均無故障時間 (MTBF) 在 50℃ 時為 7 年，85℃ 時為 10 年。

作為一項相對較新的技術，潛在用戶可能會謹慎看待這些基于 MEMS 的射頻開關，擔心由于電氣和機械應力、溫度和沖擊/振動而導致各種短期和長期可靠性問題。對于任務關鍵型軍事/航空航天以及汽車系統中的 MEMS 射頻開關應用尤其如此。為了解除這些顧慮，Analog Devices 完成了諸多工業測試和 MIL 定義的測試（表 2）。

表 2：MEMS 開關技術鑒定測試的部分清單，由此可見這些器件的可靠性鑒定范圍之廣。（圖片來源：Analog Devices）

將 MEMS 開關設計到電路中

基于 MEMS 的射頻開關雖易于應用，但相比標準機電開關則略顯復雜。器件規格書中給出了若干設計注意事項，其中包括所有開關端子都必須連接至直流電壓基準。該基準可以是另一帶有內部電壓基準或是接地阻抗的有源器件（類似于 CMOS 柵極輸入或輸出不能“懸空”）。否則，會使端子貯存電荷，累積電壓可能升至未知水平，從而導致不可靠的致動行為而損壞開關。

規格書闡示了意外造成節點懸空的幾種方式，并展示了解決方法。例如，在兩個 ADGM1304 器件的典型級聯使用案例中，只需借助分流電阻器即可最大限度地減少潛在問題（圖 6）。

圖 6：在開關端子與地之間安裝分流電阻器，即可避免電荷和電壓累積，以免導致不穩定行為，甚至損壞開關。（圖片來源：Analog Devices）

MEMS 射頻開關不乏應用機會，其中一些已經顯而易見且相當重要。移動無線電和智能手機等無線通信的發展趨勢，要求增加單條路徑支持的頻段和模式的數量；5G 標準則進一步推動了這一趨勢。動態可重新配置的射頻濾波器允許覆蓋更多頻帶/模式，并且尺寸小、速度快，因此可以輕松解決這一問題。

使用一對 ADGM1304 器件即可實現可重新配置的帶通濾波器，采用由兩部分組成的電感耦合單端拓撲，標稱中心頻率為 400 MHz（超高頻 (UHF) 頻段），如下圖所示（圖 7）。MEMS 開關與各分流電感器串聯，在低、平插入損耗、寬射頻帶寬、低寄生效應、低電容和高線性度方面，滿足了應用要求。

圖 7：對于無線手持設備而言，一大功能日趨重要，即單信號路徑能夠處理多個射頻頻段和模式。使用 MEMS 器件實現的開關電感濾波器能夠以小尺寸、高性能實現此功能。（圖片來源：Analog Devices）

總電感值為 15 nH 至 30 nH 的分流電感用于設置濾波器頻率，MEMS 開關則用于接通/斷開這些分流電感器，而且開關的低 Ron值可降低串聯電阻對分流電感器品質因數 (Q) 的不利影響。此外，依照開關設置要求，該設計在輸入和輸出端口保留了關鍵的 50 Ω 負載。

在千兆赫以上頻段的射頻設計，以及建立模型和 S 參數用于仿真時，合適的評估板是必要的設計工具，因為不存在完美的模型，也不可能抓住實際設計中所有瑣碎細節。Analog Devices 推出的EVAL-ADGM1304可以縮短產品上市所需的時間，最大限度地減少用戶的煩惱，提供全面而公正的設計評估（圖 8）。

圖 8：用于 ADGM1304 的評估板不僅簡單便捷，而且可確保元器件性能評估條件始終如一，并能執行校準和應用性能測試。（圖片來源：Analog Devices）

評估板包括用于射頻信號的 SMA 連接器、用于開關控制信號的 SMB 連接器、用于分析儀校準的板載“校準通”傳輸線，以及詳盡的用戶指南 (UG-644)。

總結

隨著無線應用飛速發展，對尺寸、成本和性能的要求日益嚴苛，基于 MEMS 的射頻開關憑借開關速度快、尺寸小、長期可靠及其他優勢，給設計人員工具包新增了一種實用工具。

像 Analog Devices 的 ADGM004 和 ADGM1304 這樣的 MEMS 射頻開關，能夠在簡化老式設計的同時，讓設計人員滿足高頻產品的新設計要求，并提高電路密度。為了幫助設計人員充分利用這些器件的功能，該公司還推出了評估板、模型和說明文檔以提供廣泛支持。