Den här artikeln beskriver S-parametrar för kretskortsmonterade RF MEMS-switchar, för frekvenser från DC till 4 GHz. Den förklarar också tillförlitligen vid switchning vid aktiva signaler av olika slag. Läs också om möjligheten till förbättring med hjälp av en yttre krets.

Med MEMS-teknik (micro-electro-mechanical systems) är det möjligt att tillverka mekaniska komponenter i sub-millimeterskala (1 till 100 µm). MEMS-tekniken tillämpas i exempelvis sensorer, aktuatorer och switchar.
En RF MEMS-switch är en speciell typ av MEMS-komponent som kan switcha signaler på höga frekvenser, så höga att de även täcker mikrovåg. MEMS-switchar ger flera fördelar som gör dem till ett attraktivt alternativt till konventionella komponenter som mekaniska reläer och halvledarreläer ( med PIN-dioder eller FET som switchelement). De ger låga interna förluster, hög isolation, låg effektförbrukning, extremt god linjäritet och möjligheten till att kunna integreras med annan elektronik [1].
Medan det finns otaliga fördelar är tillförlitligheten, långsiktigt sett, relativt svag för MEMS. Det gäller särskilt när switchningen gör när switchen genomflyts av en signal (”hot-switching”). Här undersöker vi prestanda hos RF MEMS-switchar och tillförlitlighet hos de switchar som finns som hyllvara hos leverantören (”of the shelf”) för ohmsk-kontakt-baserad, ”single-pole-double-throw” (SPDT) MEMS.
Tabellen nedan ger en jämförelse gentemot andra typer av switchar:

Klicka här för större bild

Prestanda på kretskort
Vår avsikt var att simulera olika aktuella fall då en RF MEMS-switch, från ”hyllan”, monterades på ett kretskort i en typisk applikation. Vi tillverkade ett kretskort för att montera RF MEMS-switchen så att vi kunde mäta kortprestanda i form av S-parametrar från DC till 4 GHz.
I Figuren nedan ser vi layouten hos utvecklingskortet. Vi använda SMA-kontakter för att ansluta från kretskortets transmissionsledningar till mätutrustningen.

Vi använda en nätverksanalysator för att mäta S-parametrar. Nedan definieras mätningarna med VNA som utfördes på utvecklingskortet:
* Insertion loss: S21-mätningar från den gemensamma porten (polen för MEMS-switchen) av vardera porten A eller B (genom switchen).
* Return loss: S11-mätningar vid vid valfri port  och med de andra portarna avslutade med 50 ohm.
* Isolation – S21-mätningar från den gemensamma porten till antingen port A eller port B med switchpositionen internt ställd mot motsatt port.
Nedan framgår mätresultaten:

Tabell 2a. Insertion loss i MEMS-switchar på kort.

Tabell 2b. Return loss i MEMS-switchar på kort.

Tabell 2c. Isolation i MEMS-switchar på kort.
Mätresultaten visar att RF MEMS-switchar verkligen har goda högrekvensegenskaper i form av låga interna förluster (insertion loss), god impedansanpassning och utmärkt isolation.

Tillförlitlighet vid ”hot switch”
Tillförlitligheten i RF MEMS är ett allvarligt bekymmer med tanke på att detta är en ny komponentteknologi. Användningen av tekniken är låg, jämfört med etablerade komponenter som halvledarkomponenter och elektromekaniska reläer, så det finns inte mycket data från industrin som kan visa långtidsegenskaperna under hela livstiden applikationer.
Ett sätt på vilket MEMS-switchar kan fallera är på grund av statisk friktion, där en switchkontakt inte kan röra sig till en annan, önskad position när en belastningsspänning läggs på.
När man lägger på en mycket liten signal, eller ingen alls, (s k ”cold switching”) kan MEMS-switchen hålla så länge som tillverkaren har specificerat. Men när man lägger på en signifikant effekt på switchen, under själva switch-cykeln, (s k ”hot switching”) kan statisk friktion hos kontakten uppträda mycket tidigare än under den livstid som fabrikanten har specificerat i databladet. Felet orsakas av ”mikrosvetsning” av kontakterna under det att switchen går från ett läge till ett annat [3].
Utvärderingen av tillförlitligheten hos RF MEMS vid ”hot-switching” gjordes med samma utvärderingskort som använders för att studera switch-prestanda.

Fig 2: Uppkoppling av ”hot-switching”.
Vi lade på tre typer av signaler för att studera hur RF MEMS-switchen uppförde sig vid ”hot switching” av olika signaltyper.
(1) DC-spänning = 20 V
(2) Kontinuerlig RF (2 GHz) vid +30 dBm.
(3) DC-pulser: Toppspänning 26 V, 6,5 ns pulsbredd och 50 kHz pulsfrekvens.
Vi använde tre samplingar för varje signal. Tabell 3 (a), (b) och (c) visar hur många switch-cykler det tog för att skapa fel när högeffekts insignaler lades på för att skapa ”hot-switching”.

Tabell 3a: Hot-switching med DV-spänning.

Tabell 3b: Hot-switching med kontinuerlig RF.

Tabell 3c. Hot-switching med DC-pulser.
Resultatet visar att hot-switching med DC hav sämsta tillförlitligheten. Detta kan förklaras genom att studera varaktigheten av den insignal som lades på under switchförloppet. För en DC-signal ligger spänningen hela tiden på under hela switch-perioden vilket ger största sannorlikheten för mikrosvetsning. För signaler som RF-signaler eller pulser kommer toppvärdet av signalen att ha en kortare varaktighet än för DC-signaler, så det resulterar i färre tillfällen till mikrosvetsning. Ju mer mikrosvetsning – desto större kontaktförstöring, vilket leder till förkortad livslängd för MEMS-switchar.
Hur förbättra tillförlitligheten?
Så som vi tidigare diskuterade orsakas fel i form av mikrosvetsning av kontakterna i RF MEMS vid hot-switching. Det finns ingen risk för mikrosvetsning efter det att switchförloppet är avslutat.
Därför kan mikrosvetsning elimineras eller reduceras om det finns en krets som kan blockera eller begränsa insignalerna under switchförloppet.
Fig 3 ger ett förslag till krets för detta ändamål. Begränsande dioder, som kan förspännas, läggs till den gemensamma porten hos RF MEMS-switchen. När det inte behövs någon switchning kommer de begränsande dioderna att vara förspända i backriktningen med höga spänningar som ±20 V, så att insignalen inte distorderas av dioderna. Under switchförloppet är dioderna förspända med 0 V så att insignalerna klipps på en nivå som motsvarar diodernas framspänningsfall. Efter det att switchningen är genomförd, återgår förspänningen till ±20 V.

Fig 3: Begränsningsdioder föregår MEMS-switchen.
Vi tillverkade ett utvärderingskort med dioder, kopplade som i fig 3 och vi mätte S-parametrar med nätverksanalysator. Fig 4 (a) till (c) visar prestanda när kretsen lagts till på kortet.

Fig 4a: Insertion loss för den nya kretsen.

Fig 4b: Return loss för den nya kretsen.

Fig 4c: Isolation i med nya kretsen.
Vi upprepade ”hot-switching”-experimentet med DC-pulser för att observera förbättringarna av tillförlitligheten i vår RF MEMS. Fig 4 visar resultatet.

Tabell 4: RF MEMS-tillförlitlighet i jämförelse.
S-parametrar från det uppmätta kortet med RF MEMS-switch visar att begränsningsdioderna degraderar insertion loss och return loss, jämfört med om man inte hade dessa med. Däremot kommer klippningen i dioderna att signifikant förbättra livslängden vid hot-switching av RF MEMS-switchar.
Tai Wen Jau, Agilent Technologies

Referenser:
[1] John Maciel, “RF MEMS Switches are Reliable: A Comprehensive Technology Overview,” MEMS Journal, http://www.memsjournal.com/2010/07/rf-mems-switches-are-reliable-a-comprehensive-technology-overview.html
[2] T. Campbell, “MEMS Switch Technology Approaches the ‘Ideal Switch,’” Applied Microwave & Wireless, Vol. 13, No. 5.
[3] G. M. Rebeiz and J. B. Muldavin, “RF MEMS Switches and Switch Circuits,” IEEE Microwave Magazine, Dec 2001

Filed under: Mikrovag