Войти
Рис. 1: (a) Емкостной переключатель RF MEMS с фиксированным пучком, подключенный шунтом к линии CPW. (b) Омический консольный переключатель RF MEMS, подключенный последовательно к микрополосковой линии. A радиочастотная микроэлектромеханическая система (RFMEMS ) представляет собой микроэлектромеханическую систему с электронные компоненты, содержащие движущиеся части субмиллиметрового размера, которые обеспечивают радиочастотные (RF) функции. Радиочастотные функции могут быть реализованы с использованием различных радиочастотных технологий. Помимо технологии RF MEMS, составные полупроводники III-V (GaAs, GaN, InP, InSb ), феррит, сегнетоэлектрик, полупроводник на основе кремния (RF CMOS, SiC и SiGe ) и ламповая технология доступны разработчику РФ. Каждая из RF-технологий предлагает четкий компромисс между стоимостью, частотой, усилением, крупномасштабной интеграцией, сроком службы, линейностью, коэффициент шума, упаковка, мощность, потребляемая мощность, надежность, прочность, размер, напряжение питания, время переключения и вес.
Существуют различные типы компонентов RF MEMS, такие как интегрируемые CMOS RF MEMS резонаторы и автономные генераторы с малым форм-фактором и низким фазовым шумом, RF MEMS настраиваемые индукторы и RF MEMS переключатели, переключаемые конденсаторы и варакторы.
Компоненты, обсуждаемые в этой статье, основаны на RF Переключатели MEMS, переключаемые конденсаторы и варакторы. Эти компоненты могут использоваться вместо переключателей FET и HEMT (транзисторы FET и HEMT в конфигурации с общим затвором ) и PIN диодов. РЧ МЭМС-переключатели, переключаемые конденсаторы и варакторы классифицируются по способу срабатывания (электростатический, электротермический, магнитостатический, пьезоэлектрический ), по оси отклонения (боковой, вертикальный), конфигурацией цепи (серия, шунт ), конфигурацией зажима (консоль, неподвижно-неподвижная балка ) или через контактный интерфейс (емкостный, омический ). Компоненты RF MEMS с электростатическим приводом обеспечивают низкие вносимые потери и высокую изоляцию, линейность, управляемую мощность и коэффициент добротности, не потребляют энергию, но требуют высокого управляющего напряжения и герметичности однокристальная упаковка (тонкая пленка укупорка, LCP или LTCC упаковка) или упаковка на уровне пластины (анодная или стеклянная фритта склеивание пластин).
RF MEMS-переключатели были впервые изобретены IBM Research Laboratory, Сан-Хосе, CA,Hughes Research Laboratories, Малибу, Калифорния, Северо-Восточный университет в сотрудничестве с Analog Devices, Бостон, MA,Raytheon, Даллас, TX и Rockwell Science, Таузенд-Оукс, Калифорния. Емкостной переключатель RF MEMS с фиксированным фиксированным лучом, как показано на рис. 1 (а), по сути, представляет собой микрообработанный конденсатор с подвижным верхним электродом, которым является луч. Обычно он соединяется шунтом с линией передачи и используется в компонентах RF MEMS X - в диапазоне W (77 ГГц и 94 ГГц). Омический консольный переключатель RF MEMS, показанный на рис. 1 (b), является емкостным в открытом состоянии, но создает омический контакт в нижнем состоянии. Обычно он подключается последовательно с линией передачи и используется в DC с компонентами Ka-диапазона.
С электромеханической точки зрения компоненты ведут себя как система демпфированной массы и пружины, приводимая в действие электростатической силой. Жесткость пружины является функцией размеров балки, а также модуля Юнга, остаточного напряжения и коэффициента Пуассона материала балки. Электростатическая сила является функцией емкости и напряжения смещения . Знание жесткости пружины позволяет вручную рассчитать втягивающее напряжение, которое представляет собой напряжение смещения, необходимое для втягивания балки, тогда как знание жесткости пружины и массы позволяет вручную рассчитать время переключения.
С точки зрения РЧ компоненты ведут себя как последовательная RLC-цепь с незначительными сопротивлением и индуктивностью. Емкость в верхнем и нижнем состояниях составляет порядка 50 фФ и 1,2 пФ, которые являются функциональными значениями для конструкции схемы миллиметрового диапазона. Коммутаторы обычно имеют отношение емкостей 30 или выше, в то время как переключаемые конденсаторы и варакторы имеют отношение емкостей от 1,2 до 10. Нагруженная добротность составляет от 20 до 50 в X-, Ku - и Ka.
Переключаемые конденсаторы RF MEMS представляют собой емкостные переключатели с фиксированным и фиксированным лучом с низким отношением емкостей. Варакторы RF MEMS представляют собой емкостные фиксированные переключатели луча, которые смещены ниже втягивающего напряжения. Другими примерами RF MEMS-переключателей являются омические консольные переключатели и емкостные однополюсные N-образные переключатели (SPNT) на основе осевого зазора колебания двигателя.
RF MEMS-компоненты смещаются электростатически с использованием биполярного управляющего напряжения NRZ, как показано на рис. 2, чтобы избежать диэлектрического заряда и увеличить срок службы устройства. Диэлектрические заряды оказывают на луч постоянную электростатическую силу. Использование биполярного управляющего напряжения NRZ вместо управляющего напряжения постоянного тока позволяет избежать диэлектрического заряда, в то время как электростатическая сила, действующая на луч, сохраняется, поскольку электростатическая сила изменяется квадратично с управляющим напряжением постоянного тока. Электростатическое смещение подразумевает отсутствие протекания тока, что позволяет использовать линии смещения с высоким удельным сопротивлением вместо RF дросселей.
Рис. 2: Электростатическое смещение емкостного фиксированного радиочастотного МЭМС-переключателя, переключаемого конденсатора или варактора. Радиочастотные МЭМС-компоненты хрупкие и требуют упаковки на уровне полупроводниковой пластины или однокристальной упаковки, обеспечивающей герметичность уплотнение полости. Для обеспечения движения требуется полость, в то время как герметичность требуется для предотвращения отмены силы пружины силой Ван-дер-Ваальса, оказываемой каплями воды каплями и другими загрязнения на балке. Радиочастотные МЭМС-переключатели, переключаемые конденсаторы и варакторы могут быть упакованы с использованием упаковки на уровне пластины. Для больших монолитных RF MEMS-фильтров, фазовращателей и перестраиваемых согласующих сетей требуется однокристальная упаковка.
Упаковка на уровне пластины реализуется до изготовления пластины нарезки, как показано на рис. 3 (a), и основана на анодной диффузии металла, эвтектике металла , стеклянная фритта, полимерный клей и соединение кремниевых пластин. Выбор метода упаковки на уровне пластины основан на балансировании коэффициентов теплового расширения слоев материала РЧ-компонента МЭМС и слоев подложек для минимизации изгиба пластины изгиба и остаточное напряжение, а также требования к соосности и герметичности. Достоинствами технологий упаковки на уровне пластин являются размер кристалла, герметичность, температура обработки, допуск (не) к ошибкам совмещения и шероховатость поверхности. Соединение анодом и сплавлением кремния не требует промежуточного слоя, но не допускает шероховатости поверхности. Технологии упаковки на уровне пластины, основанные на технике соединения с проводящим промежуточным слоем (проводящее разрезное кольцо), ограничивают полосу пропускания и изоляцию RF-компонента MEMS. Наиболее распространенные методы упаковки на уровне пластин основаны на склеивании пластин анодной и стеклянной фриттой. Технологии упаковки на уровне пластины, дополненные вертикальными межсоединениями, предлагают возможность трехмерной интеграции.
Одночиповая упаковка, как показано на рис. 3 (b), реализуется после нарезки пластины на кубики с использованием готовых керамических или органических корпусов, таких как Пакеты, изготовленные литьем под давлением LCP или пакеты LTCC. Готовые корпуса требуют герметичного закрытия полости путем засорения, выпадения, пайки или сварки. Достоинствами технологии упаковки с одним чипом являются размер чипа, герметичность и температура обработки.
Фиг. 3: (а) Упаковка на уровне пластины. (b) Однокристальная упаковка омического консольного переключателя RF MEMS. Процесс изготовления RF MEMS основан на методах поверхностной микрообработки и позволяет интегрировать SiCr или TaN тонкопленочные резисторы (TFR), конденсаторы металл-воздух-металл (MAM), конденсаторы металл-изолятор-металл (MIM) и компоненты RF MEMS. Процесс изготовления RF MEMS может быть реализован на различных пластинах: полуизолирующий состав III-V, боросиликатное стекло, плавленый кварц (кварц ), LCP, сапфировые и пассивированные кремниевые пластины. Как показано на рис. 4, компоненты RF MEMS могут быть изготовлены в чистых помещениях класса 100 с использованием от 6 до 8 этапов оптической литографии с погрешностью выравнивания контактов 5 мкм, в то время как в состоянии Современные процессы изготовления MMIC и RFIC требуют от 13 до 25 этапов литографии.
Фиг. 4: RF MEMS-переключатель, переключаемый конденсатор или процесс изготовления варактора Как показано на рис. 4, основные этапы микроизготовления следующие:
За исключением удаления расходуемой прокладки, что требует сушки в критической точке, этапы изготовления аналогичны этапам процесса изготовления КМОП. Процессы изготовления RF MEMS, в отличие от BST или PZT процессов изготовления сегнетоэлектрика и MMIC, не требуют электронно-лучевой литографии, MBE или MOCVD.
Деградация контактного интерфейса представляет собой проблему надежности для омических консольных МЭМС-переключателей, в то время как залипание пучка заряда диэлектрика, как показано на рис. 5 (a), и заедание пучка, вызванное влажностью, как показанные на рис. 5 (b), представляют проблему надежности для емкостных МЭМС-переключателей с фиксированным пучком. Заедание - это неспособность луча высвободиться после снятия напряжения возбуждения. Высокое контактное давление обеспечивает низкоомный контакт или уменьшает прилипание луча, вызванное зарядом диэлектрика. Имеющиеся на рынке омические консольные ВЧ-МЭМС-переключатели и емкостные РЧ-МЭМС-переключатели с фиксированным лучом продемонстрировали срок службы, превышающий 100 миллиардов циклов при входной РЧ-мощности 100 мВт. Вопросы надежности, относящиеся к работе на большой мощности, обсуждаются в разделе ограничителей.
Фиг. 5: (а) [Внизу] залипание пучка, вызванное зарядом диэлектрика. (b) [Вверх] Слипание пучка, вызванное влажностью. RF MEMS-резонаторы применяются в фильтрах и опорных генераторах. Радиочастотные МЭМС-переключатели, переключаемые конденсаторы и варакторы применяются в решетках с электронным сканированием (под) (фазовращателях ) и программно-определяемых радиостанциях (реконфигурируемых антеннах., настраиваемые полосовые фильтры ).
Поляризация и диаграмма направленности реконфигурируемость и возможность перестройки частоты обычно достигаются за счет включения полупроводниковых компонентов III-V, такие как переключатели SPST или варакторные диоды. Однако эти компоненты можно легко заменить на переключатели и варакторы RF MEMS, чтобы воспользоваться преимуществами низких вносимых потерь и высокой добротности, предлагаемых технологией RF MEMS. Компоненты RF MEMS можно монолитно интегрировать на диэлектрические подложки с низкими потерями, такие как боросиликатное стекло, плавленый кварц или LCP, тогда как полуизолирующие и пассивированные кремниевые подложки из соединений III-V обычно имеют меньшие потери и имеют более высокую диэлектрическую постоянную. Низкий тангенс угла потерь и низкая диэлектрическая проницаемость. постоянные важны для эффективности и ширины полосы антенны.
Уровень техники включает в себя перестраиваемую по частоте фрактальную антенну RF MEMS для диапазона частот 0,1–6 ГГц и фактическую интеграцию RF MEMS-переключателей на самоподобной прокладке Серпинского. антенна для увеличения количества резонансных частот, расширяющая свой диапазон до 8 ГГц, 14 ГГц и 25 ГГц, РЧ-МЭМС-диаграмма направленности с изменяемой конфигурацией спиральная антенна на 6 и 10 ГГц, спиральная антенна RF MEMS с реконфигурируемой диаграммой направленности для диапазона 6–7 ГГц на основе комплектных переключателей Radant MEMS SPST-RMSW100, многодиапазонная RF MEMS фрактальная антенна Серпинского , опять же со встроенными переключателями RF MEMS, работающими в разных диапазонах от 2,4 до 18 ГГц, и 2-битной перестраиваемой частотой RF MEMS Ka-диапазона щелевой антенной.
Samsung Omnia W был первым смартфоном, оснащенным антенной RF MEMS.
RF полосовые фильтры можно использовать для увеличения внеполосных отказ, если муравей enna не может обеспечить достаточную избирательность. Подавление внеполосных сигналов снижает требования к динамическому диапазону для LNA и смесителя в свете интерференции. ВЧ-полосовые фильтры вне кристалла на основе сосредоточенных объемных акустических волн (BAW), керамических, SAW, кварцевых кристаллов и FBAR резонаторов заменили распределенные полосовые ВЧ-фильтры на основе резонаторов линий передачи, напечатанных на подложках с малым тангенсом потерь или на основе волноводных полостей.
Настраиваемые полосовые ВЧ-фильтры обеспечивают значительное уменьшение размера по сравнению с переключаемыми полосовыми ВЧ-фильтрами банками. Они могут быть реализованы с использованием полупроводниковых варакторов III-V, сегнетоэлектрических BST или PZT и RF MEMS-резонаторов и переключателей, переключаемых конденсаторов и варакторов, а также ферритов YIG. Резонаторы RF MEMS предлагают потенциал встроенной интеграции высокодобротных резонаторов и полосовых фильтров с низкими потерями. Добротность резонаторов RF MEMS составляет порядка 100-1000. РЧ-МЭМС-переключатель, технология переключаемых конденсаторов и варакторов предлагает разработчикам настраиваемых фильтров убедительный компромисс между вносимыми потерями, линейностью, потребляемой мощностью, мощностью, размером и временем переключения.
Рис.. 6: EIRP x G r/T
Рис. 7: EIRP в зависимости от количества антенных элементов в пассивной подрешетке. Пассивные подмассивы на основе РЧ-МЭМС-фазовращателей могут использоваться для уменьшения количества T / R-модулей в активной матрице с электронным сканированием. Утверждение проиллюстрировано примерами на рисунке 6: предположим, что пассивный подмассив размером один на восемь используется как для передачи, так и для приема со следующими характеристиками: f = 38 ГГц, G r = G t = 10 дБи, BW = 2 ГГц, P t = 4 W. Низкие потери (6,75 пс / дБ) и хорошая управляемая мощность (500 мВт) фазовращателей RF MEMS обеспечивают EIRP 40 Вт и G r / T 0,036 1 / К. EIRP, также называемая произведением мощности на апертуру, является произведением коэффициента передачи G t и мощности передачи P t. G r / T - это отношение усиления приема и шумовой температуры антенны. Высокое EIRP и G r / T являются предпосылкой для обнаружения на большом расстоянии. EIRP и G r / T являются функцией количества антенных элементов на подрешетку и максимального угла сканирования. Количество антенных элементов на подрешетку следует выбирать, чтобы оптимизировать EIRP или произведение EIRP x G r / T, как показано на рисунках 7 и 8. Уравнение дальности действия радара можно использовать для расчета максимальной дальности, для которой цели могут быть обнаружены с 10 дБ SNR на входе приемника.
![{{\ mathrm {R = {\ sqrt [{4}] {{\ frac {\ displaystyle {{\ mathrm { \ lambda ^ {2} \, EIRP \, G_ {R} / T \, \ sigma}}}} {{{\ mathrm {\ displaystyle 64 \, \ pi ^ {3} \, k_ {B} \, BW \, SNR}}}}}}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c0dd21026f21b7b49d152ea6f6cf7d34902d6254)
, в котором k B - это постоянная Больцмана, λ - длина волны в свободном пространстве, а σ - RCS цели. Значения диапазона приведены в таблице 1 для следующих целей: сфера с радиусом, a, 10 см (σ = π a), двугранный угловой отражатель с размером граней, a, 10 см (σ = 12 а / λ), задняя часть автомобиля (σ = 20 м) и для истребителя без уклонения (σ = 400 м).
| RCS (м) | Диапазон (м) | |
|---|---|---|
| Сфера | 0,0314 | 10 |
| Задняя часть автомобиля | 20 | 51 |
| Двухгранный угловой отражатель | 60,9 | 67 |
| Истребитель | 400 | 107 |
Рис. 8: EIRP x G r / T в зависимости от количества антенных элементов в пассивной подрешетке. Фазовращатели RF MEMS позволяют использовать широкоугольные массивы с пассивным электронным сканированием, например массивы линз, отражают массивы, подмассивы и коммутируемые схемы формирования диаграммы направленности с высоким EIRP и высоким G r / T. Уровень техники в пассивных решетках с электронным сканированием включает в себя массив непрерывных поперечных шлейфов (CTS) диапазона X, питаемый линейным источником, синтезированным шестнадцатью 5-битными РЧ-МЭМС-фазовращателями отражающего типа на основе омических кантилеверных РЧ-МЭМС-переключателей, X- Линзовая двумерная линзовая решетка, состоящая из волноводов с параллельными пластинами , с 25000 омических консольных МЭМС-переключателей и переключаемой схемой формирования луча W-диапазона на основе переключателя RF MEMS SP4T и фокусной линзы Ротмана плоский сканер.
Использование фазовращателей TTD с истинной временной задержкой вместо фазовращателей RF MEMS позволяет UWB радар формировать сигналы с соответствующим высоким разрешением по диапазону и позволяет избежать косоглазия или частотного сканирования. Фазовращатели TTD спроектированы по принципу коммутируемой линии или распределенной линии с нагрузкой. Фазовращатели TTD с коммутируемой линией превосходят фазовращатели TTD с распределенной нагрузкой по времени задержки на децибел NF, особенно на частотах вплоть до диапазона X, но по своей сути являются цифровыми и требуют низких потерь и высокой производительности. изоляционные выключатели SPNT. Однако распределенные фазовращатели TTD с нагрузочной линией могут быть реализованы аналогично или цифровым способом и в меньших форм-факторах, что важно на уровне подматриц. Аналоговые фазовращатели смещаются через одну линию смещения, тогда как многобитовые цифровые фазовращатели требуют параллельной шины вместе со сложными схемами маршрутизации на уровне подмассива.
