DMS

6-канальный МЭМС-коммутатор для ВЧ приложений. Часть 1

Данная публикация является первой частью перевода руководства «Application Note. MM3100 – 6 Channel SPST Digital-Micro-Switch» от Menlo Micro. В статье рассматриваются основные характеристики 6-канального МЭМС-коммутатора MM3100, а так же особенности технологии DMS, которая позволит создать новое поколение чрезвычайно гибких радиопередающих систем, а также обеспечить их высокую производительность и надежность.
2182
В избранное

1. Введение

Современные военные, аэрокосмические, промышленные и телекоммуникационные системы остро нуждаются в эффективном инструменте коммутации ВЧ-каналов. Это в первую очередь касается быстроразвивающегося сегмента радиолокационного и коммуникационного оборудования, работающего с ВЧ-сигналами высокой мощности. Речь, например, идет о 5G-системах, где сверхнизкие потери и высокая линейность имеют решающее значение для обеспечения необходимой производительности и эффективности.

Использование различных частотных диапазонов и антенн, новых беспроводных протоколов, Интернета вещей (IoT) и следующего поколения телекоммуникационных стандартов 5G приводит к тому, что системы связи должны обеспечивать возможность работы с несколькими различными входными и выходными каналами (Multiple Input and Multiple Output, MIMO). Развитие антенн идет по направлению увеличения числа поддерживаемых частотных диапазонов, однако в большинстве случаев это сопровождается снижением эффективности приема и передачи. Используя методы активной или адаптивной настройки для оптимизации частоты, диаграммы направленности и усиления антенны, можно компенсировать потерю эффективности, возникающей из-за расстройки антенны или изменений параметров окружающей среды. Другой важной проблемой становится увеличение сложности ВЧ-интерфейсов (RF front End, RFFE). С одной стороны, ВЧ-интерфейсы должны поддерживать постоянное увеличение числа частотных диапазонов с добавлением все более высоких частот, а с другой стороны, они должны обеспечивать очень низкий уровень вносимых потерь и высокую линейность. Это очень важно для сохранения минимального шума приемника, поддержания высокой мощности передатчика и высоких скоростей обмена данными. Использование инновационной технологии цифровых микропереключателей DMS (Digital-Micro-Switch) от Menlo Micro позволит создать новое поколение чрезвычайно гибких радиопередающих систем, а также обеспечить их высокую производительность и надежность.

2. Технология DMS

В микросхеме MM3100 реализована микромеханическая структура (МЭМС) переключателей, изготовленная с помощью запатентованной технологии DMS от компании Menlo Micro. Технология DMS позволила решить фундаментальные проблемы, связанные с надежностью и ограничением срока службы традиционных электромеханических реле. Ресурс переключений для MM3100 достигает нескольких миллиардов циклов даже при работе в экстремальных условиях окружающей среды и при очень высоком уровне мощности.

MM3100 – 6-канальный микропереключатель, который может использоваться в антеннах, передатчиках, приемниках, работающих в составе наземного, автомобильного, морского и космического оборудования, в радиолокационных и коммуникационных системах, тестовой и измерительной технике, а также в других высокочастотных радиопередающих приложениях. Коммутатор MM3100 легко настраивается, что позволяет применять его в различных схемах, часть из которых будет рассмотрена в данном руководстве. В некоторых случаях переключатели, реализованные в MM3100, могут быть использованы для коммутации емкостей и индуктивностей. Это позволяет создавать 6-битную схему согласования полного сопротивления ВЧ-резонатора с очень высокой добротностью. В других приложениях MM3100 может применяться в качестве одноканального или многоканального коммутатора, заменяя несколько традиционных электромеханических или твердотельных реле.

На рис. 1 представлены фотографии MM3100 и МЭМС-коммутатора. На левой фотографии показана микросхема MM3100 в BGA-исполнении. Кроме МЭМС-коммутатора MM3100 включает еще и SPI-контроллер. На правой фотографии показан кристалл переключателей, выполненный по технологии металл-на-стекле. Каждый канал MM3100 рассчитан на мощность до 25 Вт при частоте 3 ГГц. Технология DMS позволяет создавать переключатели для схем с высокой коммутируемой мощностью.

BGA-исполнение MM3100 и МЭМС-коммутатор, выполненный по технологии металл-на-стекле

Рис. 1. BGA-исполнение MM3100 и МЭМС-коммутатор, выполненный по технологии металл-на-стекле

3. Принцип работы

Широкополосный 6-канальный SPST-переключатель MM3100 использует электрическое поле для управления положением подвижного контакта, который обеспечивает соединение между входом и выходом коммутатора. За исключением стеклянной подложки, все остальные элементы коммутатора, показанные на рис. 1, изготовлены из проводящих материалов и обеспечивают низкий импеданс между ВЧ-входом и ВЧ-выходом при замыкании подвижного контакта. Подложка МЭМС изготовлена из стекла высокой степени чистоты. Это, с одной стороны, гарантирует чрезвычайно высокий уровень изоляции проводников переключателя, а с другой - позволяет достигать исключительной линейности и низких потерь при работе с радиочастотными и микроволновыми сигналами.

Принцип действия одиночного МЭМС-ключа поясняется на рис. 2. Если напряжение на затворе отсутствует, то электрическое поле не возникает и подвижный контакт находится в разомкнутом состоянии (верхняя часть рис. 2). Электрического соединения между входом и выходом нет. Благодаря запатентованной технологии и использованию особых сплавов, MM3100 демонстрирует очень низкую емкость в выключенном состоянии (Coff), которая обычно не превышает 200 фФ. Это делает MM3100 идеальным выбором для радиочастотных приложений, в которых требуется обеспечить минимальное значение паразитных составляющих и гарантировать высокую степень изоляции. Кроме того, при нахождении в выключенном состоянии коммутатор способен выдерживать напряжения до 200 В.

Как показано на нижней части рис. 2, при появлении на затворе напряжения + 75 В возникает электрическое поле. Это поле, преодолевая сопротивление силы упругости, деформирует подвижный контакт и замыкает его с нижним контактом. Таким образом, между ВЧ-входом и ВЧ-выходом образуется электрическое соединение, характеризующееся чрезвычайно низким сопротивлением/ импедансом. Благодаря использованию особых сплавов, коммутатор MM3100 демонстрирует очень низкое сопротивление во включенном состоянии (Ron), не превышающее 0,5 Ом. Это позволяет использовать MM3100 в высокочастотных и низкочастотных приложениях, в которых потери на ключе играют первостепенное значение.

MM3100 имеет два устойчивых состояния

Рис. 2. MM3100 имеет два устойчивых состояния

Новый уровень надежности

В МЭМС-системах металлы обычно применяются для создания проводников или сплошных слоев металлизации, а также выступают в роли магниточувствительных элементов актуаторов и датчиков. В то же время они значительно реже используются в качестве конструкционных или подвижных элементов из-за ограниченной устойчивости к механическим нагрузкам. Металлы являются отличными проводниками, однако, несмотря на это, многие из них не могут похвастаться хорошими пружинными свойствами и не способны противостоять деформации, вызванной старением и воздействием температуры. Перечисленные недостатки являются неприемлемыми с точки зрения надежной и эффективной работы МЭМС-устройств.

Как показано на рис. 3, изготовленные из золота переключатели, работающие с рабочим циклом 50% при 80 °C, продемонстрировали существенную деформацию контактов (в разомкнутом состоянии) в процессе проведения испытаний. Как оказалось, степень деформации контактов не зависела от частоты переключений (1 Гц или 1000 Гц), а определялась суммарным временем нахождения ключа в замкнутом состоянии. Исследовав причины выхода из строя МЭМС-переключателей, компания Menlo Micro попыталась найти выход из ситуации за счет применения инновационных материалов.

Menlo Micro разработала МЭМС-технологию, в которой для изготовления подвижных контактов использовался особый запатентованный гальванически осаждаемый сплав. Этот сплав сочетал в себе, механические свойства, близкие к свойствам кремния, и высокую проводимость, характерную для металлов. Кроме того, предел текучести сплава был на несколько порядков выше, чем у золота.

Применение запатентованных сплавов Menlo Micro позволило значительно увеличить надежность и срок службы микропереключателей (рис. 3). Для них уровень деформации контактов 20% достигается спустя более чем 10 лет, в то время как для рассмотренных выше золотых контактов аналогичный уровень деформации наблюдался уже спустя менее чем 1 год.

Сравнение срока службы золотых микропереключателей и микропереключателей, изготовленных из запатентованных гальванических сплавов Menlo Micro (ММ-0, ММ-2)

Рис. 3. Сравнение срока службы золотых микропереключателей и микропереключателей, изготовленных из запатентованных гальванических сплавов Menlo Micro (ММ-0, ММ-2)

Кроме всего прочего, чтобы дополнительно гарантировать надежность коммутаторов, компания Menlo Micro внедрила расширенный мониторинг партий изделий в процессе изготовления, тем самым подтверждая, что каждый коммутатор соответствует требованиям надежности.

Menlo MM3100

При изготовлении коммутаторов MM3100 используются все вышеперечисленные инновации и технологии. MM3100 объединяет 6-канальный ключ и SPI-драйвер. SPI-драйвер необходим для организации связи по SPI-интерфейсу (для выполнения настройки коммутатора), а также для формирования высоковольтного сигнала управления каждым ключом. Вопросы, связанные с SPI-интерфейсом, обсуждаются далее, в разделе 6. На рис. 4 представлена структурная схема 6-канального переключателя MM3100, а также его конструкция.

Структурная схема и конструкция 6-канального переключателя MM3100

Рис. 4. Структурная схема и конструкция 6-канального переключателя MM3100

Эффективность

Результатом всех исследований и разработок, проведенных компанией Menlo Micro, стал целый ряд преимуществ. Кроме длительного срока службы, среди основных достоинств микропереключателей следует отметить минимальные паразитные составляющие, низкие потери мощности во включенном состоянии, высокий уровень изоляции в выключенном состоянии и высокие возвратные потери. Все эти преимущества продемонстрированы на рисунках 5, 6, 7, 8.

Эквивалентная схема одного ключа MM3100 в выключенном и включенном состоянии

Рис. 5. Эквивалентная схема одного ключа MM3100 в выключенном и включенном состоянии

Частотная зависимость вносимых потерь для MM3100

Рис. 6. Частотная зависимость вносимых потерь для MM3100

Частотная зависимость изоляции для MM3100

Рис. 7. Частотная зависимость изоляции для MM3100

Частотная зависимость возвратных потерь для MM3100 во включенном состоянии

Рис. 8. Частотная зависимость возвратных потерь для MM3100 во включенном состоянии

Благодаря надежности подвижного контакта и качеству материалов, используемых для изготовления контактов и затвора, DMS-устройства от Menlo Micro способны выдерживать до трех миллиардов переключений без нагрузки или при ограниченной нагрузке (+15 дБм). Пример изменения вносимых потерь MM3100 представлен на рис. 9.

Типовое изменение вносимых потерь MM3100 при выполнении коммутаций с ограниченной нагрузкой

Рис. 9. Типовое изменение вносимых потерь MM3100 при выполнении коммутаций с ограниченной нагрузкой

Благодаря высокой стабильности используемых сплавов, коммутатор MM3100 обеспечивает более высокую линейность по сравнению с полупроводниковыми ключами. Линейность является чрезвычайно важной характеристикой для многих приложений. Особенно это касается схем, работающих с сигналами большой мощности, например, в военном радиодиапазоне HF/ VHF/ UHF. Использование в таких схемах переключателей с высокой линейностью позволяет отказаться от выходного фильтра нижних частот, без которого невозможно обойтись при использовании pin-диодов, МОП-транзисторов, GaAs-транзисторов или ВЧ SOI-компонентов.

MM3100 демонстрирует очень высокий уровень линейности (рис. 10).

Типовая зависимость искажения 2-ой и 3-ей гармоник от входной мощности (дБм) для MM3100

Рис. 10. Типовая зависимость искажения 2-ой и 3-ей гармоник от входной мощности (дБм) для MM3100

Благодаря чрезвычайно низкому уровню потерь и высочайшей долговечности контактов даже при работе с повышенной температурой, микропереключатели MM3100 способны обеспечивать коммутацию мощных радиочастотных сигналов (рис. 11).

Типовая зависимость температуры корпуса ММ3100 от входной мощности

Рис. 11. Типовая зависимость температуры корпуса ММ3100 от входной мощности

Характеристики коммутатора MM3100-00:

  • Тип: 6-канальный коммутатор;
  • Интерфейс связи: SPI;
  • Сопротивление в замкнутом состоянии: <0,75 Ом;
  • Максимальное напряжение изоляции: 150 В;
  • Время включения/ выключения: <10 мкс;
  • Частота коммутируемых сигналов: до 3 ГГц;
  • Мощность коммутируемых сигналов: до 25 Вт;
  • Срок службы: более 3 миллиардов переключений;
  • Вносимое затухание: 0,3 дБ (3 ГГц);
  • Диапазон рабочих температур: -40…+85°C (MM3100-00), -40…+100°C (MM3100-00-У);
  • Напряжение питания: 5 В (логика), 70 В (напряжение смещения);
  • Корпусное исполнение: 6 x 6 мм 49-BGA.

О компании

Menlo Micro – компания, основанная в 2016 году, и действующая под патронажем компании GE Ventures, которая в свою очередь является дочерней компанией для General Electric в сфере венчурного капитала. GE Ventures в течение 12 лет инвестировала деньги в исследования, связанные с созданием технологии цифровых МЭМС-переключателей DMS (Digital-Micro-Switch). За это время было запатентовано около 60 решений. Компания Menlo Micro создавалась для вывода результатов этой работы на широкий рынок. Сейчас штат Menlo Micro насчитывает около 30 сотрудников, а штаб-квартира находится в Ирвайне (Калифорния).

Производитель: Menlo Micro Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MM3100-00
MM3100-00
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3210512 ИНФО PDF
Поиск
предложений
6-канальный SPST-переключатель в корпусе 6 x 6 мм 49-BGA. Диапазон рабочих температур: -40…+85°C.
MM3100-00
-
Поиск
предложений
MM3100-0Y
MM3100-0Y
Menlo Micro Inc.
Арт.: 3210513 ИНФО PDF
Поиск
предложений
6-канальный SPST-переключатель в корпусе 6 x 6 мм 49-BGA. Диапазон рабочих температур: -40…+100°C.
MM3100-0Y
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()