Tento článek začíná pohledem na elektromechanické přepínače, analogové polovodičové přepínače a v neposlední řadě na přepínače s diodami PIN. Pak se článek bude věnovat klíčovými vlastnostmi MEMS RF přepínači od Analog Devices. Článek nás provede jednotlivými výkonovými charakteristikami a dostupnou podporou pro vývoj aplikací s MEMS RF přepínači.
K čemu slouží RF přepínače?
RF přepínače slouží ke směrování více vstupních signálů na jeden výstup (anténu) nebo naopak přijímaný signál z jedné antény rozdělit do více cest, které následně vedou k dalšímu zpracování. Toho se využívá v konfiguraci, která se nazývá MIMO (multiple input, multiple output).
Donedávna bylo RF přepínání realizováno pomocí:
- Elektromechanického RF přepínače: Je podporováno dálkové ovládání pomocí jednoduché 12/24 voltové linky nebo USB portu. Instalace a použití těchto přepínačů je jednoduché, jelikož obsahují koaxiální konektory a nabízejí vynikající výkon do desítek gigahertzů. Nejsou ale praktické pro aplikace, které vyžadují malé rozměry, nízkou hmotnost nebo vysokorychlostní přepínání. I přes svoje stáří jsou často jediným řešením pro mnoho situací.
- Přepínače s diodami PIN: Toto řešení poskytuje velmi dobrý výkon a vysokou rychlost přepínání. Použití této technologie vyžaduje odborné znalosti. Je nutné použít komplexní přidružené obvody pro sloučení stejnosměrného řídícího signálu a komunikačních vysokofrekvenčních signálů do vstupu, a pak je opět od sebe oddělit z výstupu. Z tohoto důvodu je většina RF přepínačů na bázi PIN diod nabízeny jako kompletní moduly s integrovanými podpůrný obvody.
- Unipolárního tranzistoru (FET) a hybridního polovodičového přepínače: Jedná se o formu polovodičové spínače, který je schopen přepínat vysokofrekvenční signály. Jako elektronický přepínač je schopen v řádu mikrosekund provést zapnutí / vypnutí, ale jejich omezení tkví v nedostatečné izolaci a výkonu.
V poslední době se prosazují MEMS RF přepínače, které mají hned několik výhod jako je malá velikost, vysoká rychlost přepínání, filtrování signálů a flexibilita. Toto řešení je založeno na MEMS technologii, která se používá v akcelerometrech. S tím rozdílem, že princip MEMS není využit pro měření zrychlení, ale pro spínání kovového kontaktu, a tím vytvořit cestu pro RF signál.
Příkladem je SP4T přepínač ADGM1004 od Analog Devices, který je schopen přepínat signály s frekvencí 0 Hz (DC) až 13 GHz a SP4T přepínač ADGM1304, s možností přepínání signálů 0 Hz (DC) až 14 GHz (obrázek 1 ).
Obrázek 1: Blokové schéma ADGM1004 MEMS přepínače znázorňuje jeho základní SP4T architekturu spolu s ostatními funkcemi jako jsou ochranné diody proti elektrostatickému výboji (ESD). Blokové schéma ADGM1304 je podobné, ale postrádá ochranné diody. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
ADGM1004 a ADGM1304 reprezentují klasický mechanický kontakt v 24-pinovém miniaturním pouzdru LFCSP o rozměrech 5 x 4 x 1,45 mm. Je schopen přepnout stav do 30 us. Jelikož se jedná o mechanický kovový kontakt dochází k průchodu signálu oba směry. Rozdíl mezi zmíněnými přepínači jsou kromě maximální frekvence signálu, také v hodnotě odporu v sepnutém stavu Ron, IIP3 a RF výkonu.
Tabulka 1: Specifikace pro ADGM1004 a ADGM1304 MEMS RF přepínače od Analog Devices, kde jsou jasně patrné rozdíly. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
Princip přepínače MEMS RF a jeho implementace
Konstrukce MEMS RF přepínače je poměrně jednoduchá. Můžeme ji přirovnat k jazýčkovému relé. Základ tedy tvoří kovový jazýček, který je na jednom konci pevně ukotven. U jazýčkového relé se přítlačná síla realizuje pomocí elektromagnetického pole, kdežto u MEMS RF přepínače je použita elektrostatická síla. K oddálení kovového jazýčku se používá stará dobrá pružinka (obrázek 2). Tak jako u tranzistoru, i zde jsou jednotlivé svorky pojmenovány podobně. Source se označuje svorka vstupní, Drain se používá pro svorku výstupní a Gate je svorka pro ovládání kovového jazýčku.
Obrázek 2: Princip spínače MEMS RF se dá přirovnat k mechanismu jazýčkového relé. Kovový jazýček je ale přitlačován pomocí elektrostatické síly místo elektromagnetického pole. K oddálení jazýčku a odpojení jazýčku je použita pružinka. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Jak již bylo řečeno, MEMS RF přepínač je svým principem velmi podobný mechanickému jazýčkovému relé, ale celá konstrukce je velmi jemná. Celý přepínač je vyroben přímo v křemíku podobně jako mikroprocesor. Tím se dosahuje vysoké miniaturizace a snížení nákladů celého systému (obrázek 3).
Obrázek 3: Skutečné provedení MEMS RF přepínače obsahuje komplexní řadu vrstev křemíku a dalších materiálů například leptané plochy. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Pro zvýšení výkonu a snížení odporu kontaktu a RF impedance je každý kontakt reprezentován několika piny (jazýčky) zapojených paralelně (obrázek 4).
Obrázek 4: Pro snížení odporu a RF impedance jsou kontaktní piny MEMS přepínače reprezentovány jako několik paralelních kontaktů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Každá elektronická součástka má vždy jednu nebo více vlastností (figures of merit – FOMs), které charakterizují její výkonnost. Pro přepínač je jedna z nejdůležitější vlastností odpor v sepnutém stavu RON vynásobený kapacitou v rozpojeném stavu COFF. Toto je obvykle označováno jako RONCOFF výrobku a je vyjádřena ve femtosekundách(FS). Nižší hodnoty RONCOFF znamenají nízký vložný útlum v sepnutém stavu a vyšší izolaci ve vypnutém stavu, a to je žádoucí vlastnost. Pro přepínače určené pro nízkofrekvenční signály je odpor RON dominantním faktorem a kapacita COFF nepodstatným údajem. RONCOFF pro Analog Devices MEMS RF přepínače je nižší než 8 fs. To znamená vynikající vlastnosti v sepnutém i rozepnutém stavu pro vysokofrekvenční signály.
Ovládání přepínačů a problematika ESD
V ideálním případě by řízení bylo realizováno pomocí standardního logického signálu určité úrovně (Připomeňme, že řízením diodového RF přepínače s PIN diodou je jednou z jeho nevýhod). Řízení přepínače MEMS RF od Analog Devices potřebuje vyvinout dostatečnou intenzitu elektrického pole pro přitažení jazýčkového relé, aby došlo k sepnutí kontaktu. K tomu je nutné dodat přibližně 89 voltů stejnosměrného proudu. Nejde však o žádný problém, protože 3,1 až 3,3 V přepínače MEMS obsahují DC / DC boost převodník. Tím se eliminuje potřeba externího budiče vysokého napětí nebo zdroje napájení (obrázek 5).
Obrázek 5: Integrovaný ADGM1004 driver (vlevo) a MEMS přepínací matrice (vpravo) s ochranou proti ESD RF ( ADG1304 postrádá ESD ochranu). (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Standartní mechanické přepínače jsou ze své podstaty vysoce imunní vůči ESD. Analog Devices integroval ochranný prvek ESD. Tento samostatný třetí prvek uvnitř balení ADGM1004 je neviditelný pro uživatele. Ochrana vůči ESD činí 5 kV pro piny RF1 až RF4 a společný pin RFC a ochranu 2,5 kV pro všechny ostatní piny. Pro aplikace, které nevyžadují ochranu vůči ESD existuje přepínač ADGM1304, který má díky tomu tenčí pouzdro a větší šířku pásma. Řídicí signály pro oba typy jsou CMOS / LVTTL kompatibilní, a tím je jejich implementace snadná.
Výkon, spolehlivost a životnost
Na rozdíl od polovodičových vysokofrekvenčních přepínačů, které dokážou zpracovat frekvence pouze kolem 10 MHz, mohou elektromechanické přepínače a MEMS přepínače pracovat i se stejnosměrnými signály.
Existuje mnoho RF aplikací, které potřebují přepínaní stejnosměrného i vysokofrekvenční signálu v jeden okamžik. Do této skupiny patří systémy s frekvencí 455kHz (IF) a tzv. softwarově definovaná rádia (SDR), která musí zpracovávat velmi široký úsek vysokofrekvenčního spektra. Dále existují designy, kde vysokofrekvenční cesta poskytuje zároveň stejnosměrné napájení pro předzesilovač antény v nízko-šumovém bloku (LNB). V takových aplikacích je schopnost přepínat a směrovat stejnosměrný proud spolu s RF signálem prostřednictvím jediné malé součástky obrovskou konstrukční výhodou.
Stejně jako u všech mechanických a elektromechanických zařízení existuje u MEMS RF mechanismu konečná životnost. U kovového elektromechanického vysokofrekvenčního přepínače se životnost obvykle pohybuje mezi pěti až 10 miliony cykly. Vzhledem k tomu, že jejich doba přepínání je řádově v řádu desítek milisekund, je tato životnost přijatelná. Avšak RF přepínače založené na technologii MEMS mají mnohem rychlejší čas zapnutí / vypnutí (30 µs pro ADGM1004 a ADGM1304). Například pro systém MIMO představuje 10 milionů cyklů značné omezení. Přepínače MEMS jsou však dimenzovány na jednu miliardu cyklů, za předpokladu, že jsou použity v rámci jejich definované úrovně signálu. To je o dva řády vyšší ve srovnání s tradičními mechanickými a elektromechanickými spínači.
Životnost přepínače závisí, v jaké časové fázi signálu dochází k přepínání. Rozlišuje se tzv. „Hot“ a „Cold“ přepínání. „Hot“ přepínání nastává, když existuje napěťový rozdíl mezi zdrojem signálu a výstupem při sepnutí spínače nebo když během rozpínání kontaktem prochází proud. Ke „Cold“ přepínání dochází v okamžiku, kdy v momentu sepnutí/rozepnutí není přítomen žádný signální výkon. Při „Hot“ přepínání dochází k opotřebení kontaktních ploch, a tím ke zkrácení životnosti. V technických listech přepínačů MEMS jsou uvedeny tabulky a grafy, které ukazují závislost „Hot“ přepínání na životnost a počet cyklů sepnutí.
Dalším důležitým údajem, který nalezneme v parametrech přepínačů MEMS RF je životnost v nepřetržitém stavu sepnutí (continuously-on lifetime - COL). Přepínače Analog Devices MEMS RF mají definovanou průměrnou dobu selháním (MTBF) COL sedm let při 50°C a 10 let při 85°C.
Kvůli jemné konstrukci jsou MEMS RF přepínače milně vnímány jako méně robustní součástky. Proto Analog Devices provedla mnoho testů, které jsou definovány průmyslovými a vojenskými normami. MEMS RF přepínače byly vystaveny elektrickému a mechanickému namáhání, teplotním výkyvům a otřesům / vibracím (tabulka 2).
Tabulka 2: Tento částečný seznam vlastností MEMS přepínače ukazuje široké možnosti použití i v nepříznivých podmínkách. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Návrh designu s přepínači MEMS RF
Implementace RF přepínače založeného na technologii MEMS je jednoduchá, ale je nutné při návrhu designu dodržet určitá pravidla. Mezi ně patří, že všechny vstupní/výstupní piny musí být připojeny k referenční hodnotě stejnosměrného napětí nebo zemi. To znamená, že nesmí být nechány v tzv. plovoucím stavu. Pokud tak nebude provedeno, mohou se na svorkách nahromadit náboje a může se na nich vytvořit napětí neznámé úrovně, a to může vést k náhodnému chování, které může poškodit přepínač.
Například když se používají dva přepínače ADGM1304 v běžném kaskádovém uspořádání je vhodné vstupy RF1 přivést k zemní rovině pomocí rezistoru, a tím eliminovat náhodné chování (obrázek 6).
Obrázek 6: Jedna z možností eliminace náhodného chování. Piny RF1 až RF4 jsou přivedeny na zemní potenciál pomocí rezistoru, a tím tyto kontakty nejsou v tzv. plovoucím stavu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
U bezdrátové komunikace zejména mobilní komunikace je trendem zvyšovat počet pásem a režimů, které musí být umístěny v jedné jednotce. Standard 5G posouvá tento scénář ještě dále. Dynamicky konfigurovatelný vysokofrekvenční filtr tuto problematiku řeší. Realizace spočívá v použití dvojice přepínačů ADGM1304 v konfigurovatelném pásmovém filtru, který je zde zobrazen jako single-ended indukčně vázaná topologie se středem na 400 MHz v ultra-vysokofrekvenčním pásmu (UHF) (obrázek 7).
Jednotlivé kontakty přepínače MEMS mají v sérii zapojenou cívky, jejichž vlastnosti odpovídají daným požadavkům např. nízká a plochá vložná ztráta, široká šířka pásma, nízká kapacita a linearity.
Obrázek 7: Bezdrátová komunikace zejména pro mobilní telefony vyžaduje zpracovávat signály v různých frekvenčních pásmech jedinou signálovou cestou. Zapínání jednotlivých induktorů tuto problematiku řeší v malém pouzdru a zároveň dosahuje vysokého výkonu (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Jednotlivé kontakty MEMS přepínače připojují/odpojují indukční prvky o velikosti 15 nH až 30 nH, které nastavují frekvenci filtru. Jejich nízký odpor v sepnutém stavu RON snižuje negativní dopad, který má sériový odpor na faktor kvality (Q) bočníku. Konstrukce je navržena tak, aby udržela 50Ω na vstupním i výstupním portu při všech nastaveních přepínačů.
Pro vývoj aplikací v oblasti gigahertzů je nezbytným návrhovým nástrojem vhodná vývojová deska, protože modely nikdy nejsou tak dokonalé, aby odpovídali vlastnostem reálného návrhu. Analog Devices nabízí vývojový kit EVAL-ADGM1304. (Obrázek 8).
Obrázek 8: Vývojový kit pro ADGM1304 je nástroj, se kterým lze vyvíjet aplikace v oblasti gigahertzů a také umožňuje kalibraci a testování vyvíjené aplikace. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Vývojový kit obsahuje SMA konektory pro vysokofrekvenční signály, konektory SMB pro řídicí signály jednotlivých přepínačů, přenosové vedení „calibration thru“ pro kalibraci analyzátoru a podrobnou uživatelskou příručku (UG-644).
Závěr
Bezdrátová komunikace zejména mobilní komunikace má trend zvyšovat počet pásem a režimů, které musí být umístěny v jedné jednotce. Standard 5G posouvá tento scénář ještě dále. Dynamicky konfigurovatelný vysokofrekvenční přepínač s technologií MEMS RF tuto problematiku řeší. Jeho vlastnosti jsou vysoká rychlost přepínání, malá velikost, dlouhodobá spolehlivosti a dlouhá životnost.
Přepínače MEM RF od Analog Devices, jako jsou přepínače ADGM004 a ADGM1304 jsou ideální volbou pro tuto problematiku. Analog Devices nabízí vývojový kit EVAL-ADGM1304, který obsahuje konektory SMA a SMB pro vstupní, výstupní a řídící signály a potřebnou dokumentaci.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber
