Einsatz von MEMS-HF-Schaltern zur Lösung von Problemen bei Design und Integration moderner kabelloser Anwendungen

Die Verbreitung kabelloser Kommunikation in höheren Frequenzbereichen und auf größeren Bandweiten soll in Kombination mit der Integration mehrerer HF-Schnittstellen und Antennen die Grenzen des Möglichen in Bezug auf herkömmliche HF-Schaltkonzepte ausreizen. HF-Schalter, die auf der MEMS-Technologie (mikroelektromechanische Systeme) basieren, haben sich als tragfähige und einfach einsetzbare Lösung erwiesen, mit der Konstrukteure Probleme in Bezug auf Platz, Schaltgeschwindigkeit, Front-End-Filter und Flexibilität in modernen kabellosen Systemen beheben können.

In diesem Artikel betrachten wir zunächst die herkömmlichen Ansätze in Bezug auf HF-Schalter sowie auch traditionelle elektromechanische und verschiedene analoge Festkörper- und PIN-Dioden. Anschließend wenden wir uns einigen wichtigen Attributen von MEMS-basierten HF-Schaltern zu und nutzen dafür Beispiele von Analog Devices. Wir werden Leistungsmerkmale und den verfügbaren Entwicklungssupport betrachten, mit dem Entwickler besser verstehen sollen, wie MEMS-HF-Schalter eingesetzt werden und eine lange Lebensdauer und einen zuverlässigen Betrieb erreichen können.

Anwendungen und Optionen für HF-Schalter

HF-Schalter müssen nicht nur die Integration mehrerer Funkmodule über eine einzige Antenne, sondern auch mehrere Antennen in einer MIMO-Konfiguration (multiple input, multiple output) unterstützen, Signale über einen bestimmten internen Pfad leiten oder die Schaltmatrix eines automatischen Testgeräts (automatic test equipment, ATE) verwalten. Die HF-Schaltung sieht vor, dass eines von vielen Eingangssignalen auf einen einzelnen Ausgangspfad bzw. ein einzelnes Signal auf einen von vielen Ausgangspfaden geleitet wird.

Bisher wurde die HF-Schaltung vorwiegend mithilfe folgender Komponenten umgesetzt:

•Traditionelle elektromechanische HF-Schalter: Diese werden manuell oder per Motor gesteuert; sie unterstützen den Fernbetrieb über eine einfache 12/24-Volt-Leitung oder einen USB-Anschluss. Der Einsatz dieser Schalter ist unkompliziert (sie beinhalten Koaxialsteckverbinder). Sie bieten eine hervorragende Leistung im Bereich zwischen 10 und 100 Gigahertz, sind allerdings nicht für den Einsatz in Anwendungen mit geringer Größe, einem geringen Gewicht oder hohen Schaltgeschwindigkeiten geeignet. Trotz ihres Alters sind sie noch allgemein verfügbar und stellen in vielen Situationen den einzigen Lösungsweg dar.

•Auf PIN-Dioden basierende Schalter: Diese Schalter bieten eine gute HF-Leistung und eine hohe Schaltgeschwindigkeit. Für die Ausschöpfung ihres Potenzials ist jedoch Fachwissen erforderlich. Diese mit zwei Anschlussklemmen versehenen Komponenten ohne gesonderte Ein-/Ausschaltleitung erfordern komplexe Schaltkreise für die Verbindung von DC-Steuerung und HF-Pfaden als Eingänge und deren Trennung als Ausgänge. Aus diesem Grund werden die meisten PIN-basierten HF-Schalter mit unterstützenden Schaltkreisen in einem kompletten Modul angeboten.

•Feldeffekttransistor (FET) und hybride Halbleiterschalter: Hierbei handelt es sich um eine Art Halbleiterschalter, in dem moderne Halbleitermaterialien und -prozesse zum Einsatz kommen, um das HF-Äquivalent eines einfachen Niederfrequenztransistorschalters zu erhalten. Als elektronische Schalter bieten diese Komponenten einen schnellen Ein/Aus-Übergang (innerhalb von Mikrosekunden) und eine unkomplizierte Integration. In Bezug auf Isolierung und andere Leistungsmerkmale weisen sie jedoch Einschränkungen auf.

In der letzten Zeit haben sich MEMS-basierte HF-Schalter zu tragfähigen Optionen entwickelt, die inzwischen als Standardprodukte verfügbar sind. In diesen Bausteinen kommt ein Schaltmechanismus zum Einsatz, der auf freitragenden MEMS-Elementen basiert, die mit den in einigen MEMS-Beschleunigungsmessern verwendeten Elementen vergleichbar sind. Sie bieten jedoch zusätzliche Funktionen und Merkmale, die in einem elektronisch gesteuerten Schalter erforderlich sind, der Metallkontakte für den HF-Signalpfad enthält.

Betrachten wir beispielsweise den ADGM1004 von Analog Devices, einen SP4T-Schalter mit 0 Hertz (Hz) (DC) bis 13 GHz und den vergleichbaren ADGM1304, einen SP4T-Schalter (DC) bis 14 GHz (Abb. 1).

Abbildung 1: Das Blockschaltbild des MEMS-Schalters ADGM1004 zeigt seine grundlegende SP4T-Architektur sowie weitere wichtige Merkmale, beispielsweise ESD-Schutzdioden. Der ADGM1304 ist vergleichbar, enthält jedoch keine Dioden und weicht ferner in Bezug auf einige Spezifikationsdaten ab. (Bildquelle: Analog Devices)

ADGM1004 und ADGM1304 können zur Umsetzung einer klassischen, mechanischen Ein-/Ausschaltung und Kontaktschlussfunktion eingesetzt werden, und zwar in einem 5 × 4 × 1,45 mm großen, HF-kompatiblen LFCSP-Gehäuse (Lead Frame Chip-Scale Package) mit 24 Pins. Sie können in 30 Mikrosekunden (µs) schalten und bieten eine Bandbreite von DC bis 13 bzw. 14 GHz. Ihre Spezifikationen sind insgesamt ähnlich, weisen jedoch einige kleine, aber wichtige Unterschiede in Bezug auf den Widerstand (R_on), den Intercept Point dritter Ordnung (IIP3) und die HF-Leistung (max) auf (Tabelle 1).

Tabelle 1: Aus den allgemeinen Spezifikationen der MEMS-basierten HF-Schalter ADGM1004 und ADGM1304 von Analog Devices lassen sich leistungsbezogene Ähnlichkeiten und geringfügige Unterschiede ableiten. (Bildquelle: DigiKey)

Als mechanische Metall-Kontaktschlusskomponenten ermöglichen sie den Durchfluss der Signalenergie in eine beliebige Richtung. Dies bedeutet, dass ein Signal von einem der vier Pole durch den gemeinsamen Pol geleitet werden kann. Umgekehrt kann ein Signal am gemeinsamen Pol zu einem der vier geschalteten Pole geleitet werden.

Das MEMS-HF-Schaltprinzip und dessen Umsetzung

Wie für viele technologische Fortschritte gilt auch für den MEMS-HF-Schalter: Das Konzept ist einfach, die Ausführung dagegen nicht. Im MEMS-HF-Schalter kommt ein feinmechanisch bearbeiteter Freiträger mit metallischer Spitze als Schaltelement zum Einsatz. Bei Entwicklung ergibt sich in diesem Zusammenhang das Problem, wie der Träger so aktiviert werden kann, dass er sich bewegt und bei der Einschaltung einen Kontakt mit der entsprechenden metallischen Oberfläche herstellt bzw. diesen auflöst, wenn die Abschaltung erfolgt. Im MEMS-HF-Schalter wird diese Bewegung über eine elektrostatische Betätigung erreicht (Abb. 2). Die Anschlussklemmen eines Schalters werden gemeinhin als „Source“, „Gate“ und „Drain“ bezeichnet. Es handelt sich jedoch um einen mechanischen Kontaktschluss, kein FET-Schaltelement.

Abbildung 2: Der MEMS-HF-Schalter nutzt zwei Metallkontakte (Source und Drain), wobei der bewegliche Kontakt auf einem Freiträger (Gate) sitzt, der über eine elektrostatische Kraft bewegt wird. (Bildquelle: Analog Devices)

In vielerlei Hinsicht ist der MEMS-HF-Schalter mit einem mechanischen Relais vergleichbar. Der Unterschied ist, dass er eine Größe im Mikrometer-Bereich bietet und einen kontaktgeladenen Anker aufweist. Der Freiträger wird über eine elektrostatische Kraft und nicht über ein Magnetfeld aktiviert. Der gesamte Schalter wird mithilfe eines MEMS-spezifischen, siliziumbasierten IC-Prozesses gefertigt. Dabei ist das umfangreiche prozessspezifische Fachwissen in Bezug auf Entwicklung und Fertigung eingeflossen, um die Ergebnisse zu verbessern und die Kosten zu reduzieren (Abb. 3).

Abbildung 3: Die tatsächliche Entwicklung und Implementierung des MEMS-HF-Schalters beinhaltet eine komplexe Reihe von Schichten und Beschichtungen aus Silizium und anderen Materialien sowie auch geätzte Bereiche. (Bildquelle: Analog Devices)

Damit die Leistung verbessert und ein geringerer DC-Kontaktwiderstand und eine geringere HF-Impedanz erreicht werden kann, wird jeder Kontaktpol als Gruppe paralleler Pole gefertigt. Dies kann dank MEMS-Technologie leicht umgesetzt werden (Abb. 4).

Abbildung 4: Um den DC-Kontaktwiderstand und die HF-Impedanz zu reduzieren, werden die Kontaktpole von MEMS-Schaltern als mehrfach parallele Kontakte ausgeführt. (Bildquelle: Analog Devices)

Für jede elektronische Komponente gibt es eine oder mehrere Leistungszahlen (Figures of Merit, FOMs), mit denen ihre Leistung beschrieben wird. Einer der wichtigsten FOM-Werte eines Schalters ist sein R_on, der mit seiner Ausschaltkapazität (C_off) multipliziert wird. Dies wird normalerweise als Produkt von R_onC_off bezeichnet und in Femtosekunden (fs) ausgedrückt. Niedrige Werte des R_onC_off weisen auf eine geringe Einfügedämpfung im Betrieb und eine höhere Isolierung bei der Abschaltung hin – beides wünschenswerte Attribute. Für die DC, die AC-Stromleitung und Niederfrequenzschalter ist R_on natürlich der wichtigste Faktor und C_off im weitesten Sinne irrelevant. Das Produkt von R_onC_off liegt für die MEMS-Schalter von Analog Devices unter 8 fs, was auf eine sehr gute HF-Leistung im Betrieb und bei der Abschaltung hindeutet.

Antrieb und ESD komplizieren das Design, aber nicht den tatsächlichen Einsatz

Ein Aspekt, der Entwickler in bestimmten Komponentenklassen vor Probleme stellt, betrifft den Antrieb und die Steuerung dieser Komponenten und die damit verbundenen Schwierigkeiten. Idealerweise würde die Steuerung über ein einfaches, Standardlogiksignal erfolgen. (Allerdings besteht dann eine Schwierigkeit darin, eine Schnittstelle zur PIN-Diode des HF-Schalters herzustellen.)

Für die elektrostatische Wirkung der MEMS-HF-Schalter von Analog Devices scheinen Steuerantrieb und Schnittstelle auf den ersten Blick in Bezug auf die Integration problematisch, da das Spannungsfeld ca. 89 VDC für die Bewegung des Schaltträgers benötigt. Dies ist jedoch kein Problem, da die MEMS-Schalter mit 3,1 bis 3,3 Volt einen DC/DC-Verstärkerschaltkreis auf einer gesonderten Schicht enthalten und dadurch kein externer Hochspannungsantrieb und keine Versorgungsquelle erforderlich wird (Abb. 5).

Abbildung 5: Die Abbildung zeigt den zum ADGM1004 gehörenden Ansteuerungs-IC (links) und den MEMS-Schalterblock (rechts), auf dem der ESD-Schutzblock des HF-Ports aufgesetzt ist, der über Drähte mit dem metallischen Leiterrahmen verbunden ist (der ADG1304 hat keinen ESD-Block). (Bildquelle: Analog Devices)

Ein Problem, das bei fast allen Halbleiterkomponenten auftritt, ist deren ESD-Empfindlichkeit. Für herkömmliche, mechanische HF-Schalter stellt dies keine Herausforderung dar, da sie inhärent immun gegen ESD sind. Um das Problem mit der ESD-Empfindlichkeit zu lösen, hat Analog Devices ein ESD-Schutzelement eingefügt. Dieses separate, dritte Element im ADGM1004-Gehäuse ist auf dem MEMS-Block angebracht und für den Benutzer transparent. Es bietet einen ESD-HBM-Wert (Human Body Model) von 5 kV für Pol-Pins (RF1 bis RF4) und den gemeinsamen Pin (RFC) sowie 2,5 kV für alle weiteren Pins. Wenn Anwendungen keinen ESD-Schutz erfordern (und davon gibt es einige) kann der ADGM1304 eingesetzt werden, der diese Schutzfunktion nicht bietet und somit in einem dünneren Gehäuse mit größerer Bandbreite verfügbar ist.

Diese Schalter sind trotz ihrer zwei aktiven Blöcke innerhalb des Gehäuses sehr klein, was sich für HF im Gigahertz-Bereich durchaus als Vorteil darstellt. Die Steuersignale sind CMOS/LVTTL-kompatibel und erleichtern den Einsatz der Schalter.

Betrieb, Leistung und Zuverlässigkeit

Im Gegensatz zu HF-Festkörperschaltern, in denen analoge Schalter oder die PIN-Diodentechnologie zum Einsatz kommt, die nur Frequenzen bis ca. 10 MHz bewältigen kann, können elektromechanische und MEMS-Schalter mit Signalen bis in den DC-Bereich umgehen. Dies scheint zunächst eine unnötige Erweiterung der Leistung, da die betroffenen Signale normalerweise im Bereich mehrerer Hundert Megahertz bis hin zu mehreren Gigahertz liegen.

Es gibt jedoch eine Vielzahl von HF-Anwendungen, die eine Schaltung in DC-Nähe oder im DC-Bereich zusammen mit höheren Frequenzleistungen erfordern. Dazu gehören Systeme mit niedrigen Zwischenfrequenzen (IF) (z. B. 455 kHz) und softwarebasierte Funkgeräte (SDRs), die einen sehr großen Teil des HF-Spektrums abdecken müssen. Dabei handelt es sich zudem um Designs, in denen der HF-Pfad gleichzeitig dem DC-Leistungspfad des Frontend-Vorverstärkers der Antenne im LNB von VSAT-Anlagen und für den Zugang zu Satelliten-TV/Internet entspricht. In solchen Anwendungen stellt die Umschaltung und Weiterleitung von DC-Leistung mit dem HF-Signal durch eine einzige, kleine Komponente einen großen Vorteil für das Design dar.

Wie bei allen mechanischen und elektromechanischen Komponenten bietet der Kernmechanismus nur eine begrenzte Lebensdauer. Die Lebensdauer elektromechanischer HF-Schalter aus Metall liegt normalerweise zwischen 5 und 10 Millionen Zyklen. Da ihre Schaltzeit im Bereich zwischen 10 und 100 Millisekunden liegt, gilt die Lebensdauer im Allgemeinen als akzeptabel. MEMS-basierte HF-Schalter bieten jedoch eine deutlich schnellere Ein-/Ausschalt-Zeit (30 µs beim ADGM1004 und ADGM1304). Für viele ihrer Zielanwendungen, beispielsweise in dynamischen MIMO-Systemkonfigurationen, stellen 10 Millionen Zyklen eine Begrenzung der Lebensdauer dar. MEMS-Schalter sind dagegen für eine Milliarde Zyklen ausgelegt, wenn sie innerhalb ihres definierten Signal- und Leistungsbereichs zum Einsatz kommen. Im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen und elektromechanischen Schaltern ergibt sich somit eine Lebensdauer, die zwei Größenordnungen höher ist.

Zusätzlich zur Belastung durch den Temperaturwechsel in elektronischen und elektromechanischen Komponenten wird die Lebensdauer von MEMS- und herkömmlichen elektromechanischen HF-Schaltern von weiteren Faktoren beeinflusst. Dazu gehört das Hot-Switching und Cold-Switching.

Hot-Switching tritt auf, wenn beim Schließen des Schalters eine Spannungsdifferenz zwischen Signal-Source und -Drain vorliegt und/oder wenn beim Öffnen des Schalters Strom fließt. Im Gegensatz zum Cold-Switching, bei dem keine Signalleistung zum Zeitpunkt der Schaltung anliegt, führt das Hot-Switching zu einer reduzierten Schaltlebensdauer an den Kontaktflächen, die von der Größenordnung der Leerlaufspannung zwischen Quelle und Verbraucher abhängig ist. Die Datenblätter der MEMS-Schalter beinhalten Tabellen und Diagramme, die die Auswirkungen des Hot-Switching auf Lebensdauer und Zyklen darstellen.

Am anderen Ende des Ein/Aus-Wechselspektrums liegt der COL-Parameter, der die Lebensdauer bei Dauereinschaltung bezeichnet. Dies bezieht sich auf eine Situation, die häufig in Instrumenten auftritt, in denen ein Schalter über einen längeren Zeitraum in den Betriebszustand versetzt wird. Dies kann zudem die Lebensdauer des Schaltkontakts beeinträchtigen. Im Rahmen von Designprüfungen und beschleunigte Lebensdauerprüfungen hat sich für die MEMS-Schalter von Analog Devices ein MTBF-Wert des COL-Parameters von 7 Jahren bei 50 °C und 10 Jahren bei 85 °C ergeben.

Da es sich um eine relativ neue Technologie handelt, werden diese MEMS-basierten HF-Schalter von potenziellen Anwendern möglicherweise mit Vorsicht betrachtet, die in Bezug auf diese und weitere Aspekte ihrer kurz- und langfristigen Zuverlässigkeit bedingt durch elektrische und mechanische Belastungen, Temperaturen und Schläge/Schwingungen Zweifel haben. Dies gilt besonders für MEMS-HF-Schaltanwendungen in missionskritischen Systemen in den Bereichen Verteidigung/Luft- und Raumfahrt sowie auch in der Automobiltechnik. Um diese Zweifel aus dem Weg zu räumen, führte Analog Devices verschiedene branchenspezifische und MIL-bezogene Tests durch (Tabelle 2).

Tabelle 2: Aus dieser Liste ausgewählter Qualifizierungstests für die MEMS-Schaltertechnologie lässt sich die Vielseitigkeit der betriebssicherheitsbezogenen Qualifizierungen dieser Komponenten ablesen. (Bildquelle: Analog Devices)

MEMS-Schalter in einen Schaltkreis integrieren

MEMS-basierte HF-Schalter lassen sich zwar leicht einsetzen, allerdings sind sie ein wenig komplizierter als elektromechanische Standardkomponenten. Ihre Datenblätter enthalten mehrere designbezogene Einschränkungen. Dies beinhaltet u. a., dass alle Anschlussklemmen im Schaltpfad mit einer DC-Spannungsreferenz verbunden werden müssen. Bei dieser Referenz kann es sich um eine andere aktive Komponente mit einer internen Spannungsreferenz oder einer Impedanz zur Masse handeln (vergleichbar damit, einen CMOS-Gate-Eingang oder -Ausgang nichtpotenzialfrei zu lassen). Erfolgt dies nicht, können sich Ladungen an den Anschlussklemmen aufbauen und Spannungen möglicherweise auf unbekannte Werte ansteigen. Dies kann wiederum zu einem unzuverlässigen Betätigungsverhalten führen, das Schäden am Schalter verursachen kann.

In den Datenblättern wird erklärt und dargestellt, wie diese potenzialfreien Knoten versehentlich entstehen können und wie dies vermieden werden kann. Wenn beispielsweise zwei ADGM1304-Komponenten in der üblichen Kaskadenanordnung verwendet werden, kann das Potenzialproblem mithilfe einfacher Shunt-Widerstände minimiert werden (Abb. 6).

Abbildung 6: Installation von Shunt-Widerständen zwischen Schaltklemmen und Masse vermeidet den möglichen Aufbau von Ladung und Spannung, der zu einem irrationalen Verhalten und möglicherweise auch zu Schäden am Schalter führen kann. (Bildquelle: Analog Devices)

Unter den vielen Anwendungsmöglichkeiten für MEMS-HF-Schalter gibt es einige, die zunehmend deutlicher und wichtiger werden. Im Bereich der kabellosen Kommunikation (u. a. in mobilen Funkgeräten und Smartphones) geht der Trend hin zur Erhöhung der Anzahl von Bändern und Modi, die in einer einzelnen Einheit untergebracht werden müssen. Mit der Einführung des 5G-Standards wird dieses Szenario noch weiter in den Vordergrund gerückt. Ein dynamisch rekonfigurierbarer HF-Filter kann eine Lösung darstellen, da er die Abdeckung mehrerer Bänder/Modi zulässt und die erforderliche geringe Größe und hohe Geschwindigkeit bietet.

Dies kann mithilfe von zwei ADGM1304-Komponenten in einem rekonfigurierbaren Bandpass-Filter erreicht werden, die nachfolgend als induktiv gekuppelte, asymmetrische Topologie mit zwei Abschnitten dargestellt wird, die nominal auf 400 MHz im UHF-Band zentriert werden (Abb. 7). Die MEMS-Schalter werden in Serie geschaltet und jeder Shunt-Widerstand erfüllt die Anforderungen in Bezug auf eine geringe und flache Einfügedämpfung, eine große HF-Bandbreite, geringe parasitäre Effekte, eine geringe Kapazität und hohe Linearität.

Abbildung 7: In kabellosen Endgeräten ist es immer häufiger erforderlich, mehrere HF-Bänder und Modi über einen einzelnen Signalpfad zu unterstützen. Dies wird über einen Filter mit geschalteten Induktivitäten realisiert über MEMS-Komponenten in einem kleinen Gehäuse mit hoher Leistung ermöglicht. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Schalter verbinden/trennen die diskreten Induktivitäten (15 nH bis 30 nH), mit denen die Filterfrequenz eingestellt wird. Dank ihres geringen R_on wird die Beeinträchtigung des Qualitätsfaktors (Q) des Shunt-Widerstands reduziert, die mit der Serienschaltung der Widerstände einhergeht. Mit diesem Design wird zudem die kritische 50-Ω-Zuordnung zwischen Eingangs- und Ausgangsports in allen Schaltereinstellungen aufrechterhalten.

Bei der Entwicklung mit HF im Gigahertz-Bereich ist neben Modellen und S-Parametern für die Simulation eine geeignete Evaluierungskarte als Design-Tool erforderlich, da Modelle niemals perfekt sind und nicht die Feinheiten des tatsächlichen Designs erfassen können. Um die Vermarktungszeit zu beschleunigen, die Frustration der Anwender zu minimieren und eine komplette und gerechte Evaluierung des Designs zu ermöglichen bietet Analog Devices die EVAL-ADGM1304 (Abb. 8).

Abbildung 8: Die Evaluierungskarte für den ADGM1304 dient nicht nur der Arbeitserleichterung. Mit diesem Tool soll sichergestellt werden, dass die Leistungsbewertung von Komponenten unter konstanten Bedingungen erfolgt. Gleichzeitig sollen eine Kalibrierung und Leistungstests für Anwendungen ermöglicht werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Evaluierungskarte beinhaltet SMA-Steckverbinder für HF-Signale, SMB-Steckverbinder für Schaltkontrollsignale, eine kartengebundene „Calibration Thru“ Übertragungsleitung für die Kalibrierung von Analysegeräten sowie auch eine detaillierte Bedienungsanleitung (UG-644).

Fazit

Mit der Verbreitung kabelloser Anwendungen und den immer anspruchsvolleren Anforderungen an Größe, Kosten und Leistung stellen MEMS-basierte HF-Schalter eine nützliche Ergänzung der Toolkits von Konstrukteuren dar, denn diese Komponenten bieten eine schnelle Schaltgeschwindigkeit, eine geringe Größe, eine langfristige Zuverlässigkeit und weitere vorteilhafte Attribute.

Mit MEMS-HF-Schaltern wie dem ADGM004 und ADGM1304 von Analog Devices können ältere Designs vereinfacht werden. Weiterhin bieten sie Konstrukteuren die Möglichkeit, die Anforderungen neuerer Designs für Produkte mit höheren Frequenzen und einer zunehmend größeren Schaltkreisdichte zu erfüllen. Um die Kapazitäten der Komponenten vollständig auszuschöpfen, können Konstrukteure auf eine umfassende Unterstützung in Form von Evaluierungskarten, Modellen und Dokumentation zurückgreifen.