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利用MEMS开关表征高性能天线调谐器件

Mike Seibel and Brian Denheyer, NI；Tamir Moran, Menlo Microsystems

评估下一代技术与现有技术的性能是一项长期的挑战。测试行业从透彻了解测试方法的基本原理入手，不断应对这一挑战。在这种理解的指导下，选择能够完成当前任务的技术。这就是对下一代高性能天线调谐开关(ATS)的谐波和S参数进行表征的挑战。

天线调谐开关用于宽带天线，以提高天线的效率。由于开关可置于信号链中的滤波器之后，因此它们必须非常线性，以防止产生天线通带内的谐波。考虑到被测ATS的特性，测试系统必须能够在大功率基本信号电平约为10W的条件下测量极低的谐波电平：-140dBc左右。用于表征ATS的测试系统如图1，图1中的ATS配置为直通测量，图2中的ATS配置为分流测量。

图1：ATS直通测量

图2：ATS分流测量

这两种情况下使用的都是NI（现为艾默生公司的一部分）半导体测试系统。它能产生一个倍频程带宽和10W的大功率信号。测试信号通过开关矩阵传输到被测设备（DUT），并测量DUT产生的高达20GHz的谐波。最好能同时连接多个DUT，以减少测试时间和每个DUT的测试成本。在测试序列中，开关矩阵可分别创建从功率放大器（PA）和接收器到每个DUT的路径。用于谐波测量的基音由一台NI PXIe-5842矢量信号收发器产生，该装置配有一台NI PXIe-5632矢量网络分析仪。该配置还可在分流或直通位置对DUT执行S参数测量。

测试信号的调节首先从PA开始，紧接着是一个环行器，它提供了一个路径来测量由于放大器失配而反射的功率。前向耦合器可用于监测和校准输出功率。需要低通滤波器来过滤放大器谐波。双工器可分隔基波和谐波之间的频带。高通滤波器在双工器的RX端对基波进行额外滤波。由于信号功率大，放大器和滤波器组件体积庞大，需要电缆互连，所有这些因素加在一起占用了宝贵的空间。

灵活的多DUT连接功能的缺点是需要多个开关。这种结构会在信号路径中形成开关树。由于这些开关会衰减大功率信号，因此低插入损耗非常重要，而使用SP4T开关有助于降低损耗。

多个开关会对线性度造成挑战。每个开关都会产生谐波，这些谐波会出现在测试信号上并被反射，从而影响测量结果。最后，要实现测试系统所需的高连接密度，开关的小尺寸至关重要。

测试高频ATS的方法给开关带来了负担。它必须能处理大功率、失真低、损耗小、开关速度快，而且占用空间小。开关必须能提供直流连接，这样才能对DUT进行电阻和漏电测量。最佳测试结果在很大程度上取决于开关的选择。要选择正确的元件，就必须全面了解可用的选项。

选择最佳开关

一个完美的开关在偏置导通时没有电阻，在偏置关断时电阻无限大。它可以瞬间切换，改变状态或保持接通状态都不需要电源，在任何功率水平下都能通过电信号，体积非常小，可以永久使用，而且不需要任何成本。然而，这种装置并不存在，因此必须平衡开关的优点和缺点，以尽可能接近理想开关。用于高频应用的开关技术主要有两种：固态和机电。每种类型都有多种选择：

固态：绝缘体上硅（SOI）；PIN二极管；砷化镓场效应晶体管（GaAs FET）；GaN FET。

机电：继电器；微机电系统（MEMS）。

就固态开关而言，PIN二极管是电流控制型，而FET是电压控制型。两者都可以在不同的半导体工艺中实现，如GaAs、AlGaAs、GaN和硅。对于基于FET的开关，SOI和蓝宝石上硅也是常用的工艺。

使用PIN二极管需要进行一系列复杂的权衡。其中一些主要优点包括：几瓦的适中射频功率处理能力、纳秒到微秒级的开关速度、高隔离度以及大于45dBm的IP3值。在考虑这些优点的同时，还必须考虑其缺点：每个开关的直流功耗可能超过100毫瓦；低频工作频率可能不低于50MHz；整体电路面积较大；额外的无源偏置元件会增加插入损耗。

GaAs FET开关可轻松覆盖所需的频率范围，并得到广泛应用。GaAs FET的开关速度在纳秒范围内。这对许多系统来说已经足够，但栅极滞后可达几毫秒。这就降低了砷化镓器件在要求信号稳定和完全稳定的精密测试和测量应用中的实用性。砷化镓开关的射频功率处理能力较低，通常在0.5W范围内，插入损耗较高，尤其是高投掷数开关。线性度一般，IP3值约为35dBm，P1dB性能较低。

氮化镓开关的性能与砷化镓相似，但它通常可以处理更高的射频功率。氮化镓开关需要40至60V范围内的控制电压。大多数氮化镓开关的最大工作频率一般限制在18GHz。它们还具有与砷化镓开关类似的开关特性，包括栅极滞后，而且价格通常更高。

与常用的砷化镓开关相比，较新的SOI器件现在越来越受到青睐，因为它们具有更高的线性度，并能提供1C级或更高的ESD保护。不过，更高的工作频率需要更小的器件，这会影响开关的功率处理能力。虽然SOI开关的线性度远高于其他固态开关技术，但对于许多应用（包括测试先进的ATS）来说仍然不够。

机电（EM）继电器的工作频率从直流到50GHz甚至更高，插入损耗极小，回波损耗好，隔离度高。它们能承受数百瓦的功率，并具有极高的线性度。然而，EM开关在启动时需要消耗数百毫瓦的直流电，开关速度只有几十毫秒，而且体积大、重量重、价格昂贵。它们的寿命也相对较短。

选择MEMS

在对各种开关进行全面评估后，MEMS开关脱颖而出，成为最佳选择。MEMS开关结合了电磁开关的性能优势和固态开关的微型、低成本、长寿命和可扩展性。电阻MEMS开关通过向栅极施加直流电压来工作。如图3a所示，在没有栅极电压的情况下，悬臂处于静止位置。当施加到栅极的电压达到闭合电压时，悬臂在静电力的作用下向触点弯曲，并将输入连接到输出，如图3b所示。当直流电压降至低于断开水平时，悬臂在弹簧力的作用下返回原位。值得一提的是，当闭合电压为几十伏（直流）时，开关在致动过程中不会消耗任何电能。

图3：(a)处于打开状态的电阻MEMS开关。(b)处于闭合状态的电阻MEMS开关。

Menlo Micro的Ideal Switch^®是一种电阻悬臂结构。这种MEMS开关的端子可视为栅极-源极-漏极晶体管。在最简单的配置中，开关是一个单悬臂、三端器件，用作SPST继电器。这类似于电磁继电器，但MEMS开关非常小。最小的尺寸具有极大的优势。如图4所示，这个50×50μm的单元元件可以很容易地扩展成无数个具有多投掷和多极的开关配置。

图4：Menlo Micro的单元电阻悬臂结构。

为满足ATS测试要求，我们选择了Menlo Micro的SP4T MEMS开关。如图5所示，该器件采用玻璃晶圆级芯片封装。之所以选择它，是因为它具有体积小、损耗低、线性度极高和功率处理性能好的优点。该开关在芯片中心有一个单极，在四角有四个投掷点。请注意，开关的每个臂由四个平行的单元分支构成，以降低损耗并提高功率处理能力。

图5：Menlo Micro的MM5130 SP4T开关。

功率处理和可靠性的关键在于专有的电沉积合金，它具有类似硅的机械性能和金属的导电性。这些合金的强度和抗蠕变性超过了金。如图6所示，该器件的特殊悬臂具有更长的使用寿命。该寿命加速测试数据显示，与使用Menlo Micro的MM-0和MM-2合金制造的悬臂相比，金悬臂与输出触点之间最初的1μm间隙是如何随着时间的推移而缩小的。在这种情况下，失效标准是间隙低于0.8μm。请注意，MM-2的间隙20多年来几乎保持不变。

图6：开关形变。

用于在开关循环和温度条件下提供稳定一致的接触性能的材料是该器件的另一个关键方面。如图7所示，开关使用钌合金和可控气层，因此可在数十亿次循环中可靠运行，图中监测了器件循环开关时的插入损耗变化。请注意，插入损耗是在射频功率为10dBm时测量的，这表明即使在低水平热切换的情况下也具有出色的可靠性。从图8中的测量数据可以看出，如果可以接受较短的寿命，也可以进行较高水平的热切换。该图显示了开关在射频功率达到30dBm时的预期寿命。即使是中等水平的热切换，也能达到数百万到数亿次的使用寿命。

图7：在25℃时输入10dBm的触点循环次数。

图8：MM5130热切换。

Ideal Switch采用穿透玻璃通孔(TGV)工艺，实现了凸起式晶圆级芯片级封装，外形尺寸为2.5mm×2.5mm。玻璃基板是开关性能改进的重要组成部分。图9比较了玻璃基板上的两个SPST MEMS开关和高电阻率硅基板上的两个开关。玻璃基板上的开关在6GHz时的损耗大约提高了0.5dB，在28GHz时大约提高了1dB。图10显示了SP4T理想开关、SPDT SOI开关和SPDT GaAs开关之间的插入损耗比较。

图9：不同基板的插入损耗比较

图10：不同开关的插入损耗。

玻璃基板还有其他好处。与基于高电阻率硅的SOI开关相比，玻璃基板具有更高的线性度，因为它是一种更好的电绝缘体，而不是半导体。作为参考，Menlo Micro开关的IP3通常大于95dBm。玻璃基板还具有热稳定性，使开关的电气性能在-55°C至+85°C范围内保持不变。图11显示了几种不同开关的谐波性能。

图11：不同开关的二次和三次谐波性能。

表1显示了不同开关在各种特性方面的优缺点。虽然没有一种技术是完美的，但MEMS开关为测试系统带来了巨大的好处。体积小，可以用大型开关矩阵连接多个DUT。低插入损耗降低了射频功耗，最大限度地提高了接收信号电平。虽然热插拔是MEMS开关技术的一个缺点，但测试装置中使用的Ideal Switch比其他MEMS开关产品性能更好，而且测试系统可以控制测试信号以避免热插拔。MEMS开关可进行直流参数测量，其开关特性可缩短测试时间。

在ATS测试中使用MEMS

在确定了开关之后，仍有一些测试难题需要解决。HPA的标称功率为10W，对应于50Ω的近32V峰值电压。必须根据这种最坏情况下的峰值电压可能性检查元件规格。元件有可能能够处理额定功率水平，但在短路或开路情况下却无法承受峰值电压。从这里开始，直流测试就相对简单了。测试电压小于1V，使用高质量的源测量装置测量电流。

MEMS开关的一个小缺点是，除了防止浮动节点所需的分流电阻外，开关闭合时还存在分流电阻。需要进行简单的校准才能准确测量电阻。直流通路还提供了一种简单快速的方法来测量开关的连续性，作为确保通路完整的自检。

由于热切换会降低MEMS开关的使用寿命，因此测试系统技术变得非常重要。通常情况下，可编程设备会确保在开关改变状态时禁用射频输入。在使用MEMS开关时，开发一个能够控制射频输入的测试系统至关重要。除热切换问题外，许多DUT没有适当的散热器。为了尽量减少这些热问题，可以调整测试的占空比，以防止对DUT造成过大压力。

DUT的谐波电平可能很低，约为-120dBc。除DUT外，测试路径中的任何有源元件都会产生谐波，如图11所示，这是MEMS开关的优势。测试系统的谐波性能必须比DUT好得多，以防止影响测量精度。

结论

ATS在无线系统中的应用日益增多。随着机会的增多，性能要求也越来越高，这意味着测试系统的性能必须跟上其步伐。在NI测试系统中加入MEMS开关和复杂的软件，使测试工作得以不断发展。使用这些组件和概念的系统已成功应用于生产环境，这些系统可提供测试尖端ATS产品所需的性能。挑战依然存在，但架构和配置将随之发展，而MEMS开关仍将是这一发展的重要组成部分。