使用 MEMS RF 開關，解決進階無線應用的設計和整合問題

更高頻率和更寬頻寬的無線通訊日漸普及，再加上多種無線射頻 (RF) 介面和天線的整合，不斷挑戰傳統 RF 開關作法的極限。以微機電系統 (MEMS) 技術為基礎的 RF 開關，已然成為可行且容易使用的解決方案，能讓設計人員解決在進階無線系統中面臨的空間、切換速度、前端濾波以及靈活性等問題。

本文首先會介紹傳統的 RF 開關作法，包括傳統機電二極體，以及多種固態類比二極體以及 PIN 二極體。然後會以 Analog Devices 的產品為例，探討 MEMS 型 RF 開關的關鍵特性。也會討論效能特性和可用的開發支援，幫助設計人員瞭解如何應用 MEMS RF 開關，確保達到更長的使用壽命及可靠的操作。

RF 開關的應用和選項

除了以單一天線支援多個無線電的整合之外，RF 開關還要在多輸入多輸出 (MIMO) 配置中支援多個天線、引導訊號沿著所需的內部路徑傳送，或管理與自動測試設備 (ATE) 相關的切換矩陣。RF 開關的切換動作涉及到從眾多可能的輸入訊號中選出一個訊號，並將其導至單一輸出路徑；或者與之相反，用於將單一訊號導至眾多輸出路徑中指定的一個路徑。

再以王 RF 切換主要是利用以下開關實作：

•傳統的機電 RF 開關：這些開關都是以手動或電動方式控制；可透過簡單的 12/24 V 線路或 USB 連接埠來支援遠端操作。這些開關使用簡單 (內有同軸連接器)，可在數十個 GHz 內提供出色效能，但顯然不適合用於尺寸小、重量輕或高速切換的應用。雖然問世已久，但這些開關仍廣泛使用，而且在許多情況下仍然是唯一的解決方案。

•PIN 二極體型開關：這類開關可提供良好的 RF 效能和較高的切換速度。然而，若要發揮潛能，則需要相關的專業知識。因為是雙端子元件，且沒有獨立的開／關控制線路，因此需要複雜的相關電路，將 DC 控制和 RF 路徑合併為輸入，隨後再將其分離為輸出。有鑑於此，大多數 PIN 型 RF 開關都會在完整模組中隨附支援電路。

•場效電晶體 (FET) 和混合式固態開關：這些固態開關採用先進的半導體材料和製程，作用類似於基本的低頻電晶體開關，只不過是使用 RF 而已。這些電子開關元件可以快速地 (在幾微秒內) 進行開／關切換，並且可輕鬆導入設計，但在隔離和其他效能特性方面，則有所限制。

近來，MEMS 型 RF 開關已成為可行的選項，現在可作為標準產品出售。這些開關使用以懸臂式 MEMS 元件為基礎的切換機制，類似一些 MEMS 加速計使用的結構，但增加電子控制開關所需的功能和特性，可為 RF 訊號路徑提供金屬對金屬的觸點。

舉例來說，可考慮 Analog Devices 的 ADGM1004 以及類似產品 ADGM1304，前者是 0 Hz (DC) 至 13 GHz 的單極四擲 (SP4T) 開關；後者則是 DC 至 14 GHz 的 SP4T 開關 (圖1)。

圖 1：ADGM1004 MEMS 開關的方塊圖顯示基本的 SP4T 架構以及其他重要功能，如靜電放電 (ESD) 保護二極體；ADGM1304 是類似的產品，但沒有二極體，而且在某些規格細節方面也有所不同。(圖片來源：Analog Devices)

ADGM1004 和 ADGM1304 採用傳統的機械式開／關、觸點閉合功能，採用與 RF 相容的小型 24 引腳導線架晶片尺寸封裝 (LFCSP)，尺寸為 5×4×1.45 mm。這兩個開關可以在 30 μs 內進行切換，而且頻寬分別在 DC 至 13 GHz 或 DC 至 14 GHz 的範圍內。整體上來說，兩者的規格類似，但在導通電阻 (R_on)、三階截斷點 (IIP3) 和 RF 功率 (最大值) 方面，則有細微但很重要的差異 (表 1)。

表 1：Analog Devices 的 ADGM1004 和 ADGM1304 MEMS 型 RF 開關，可透過其重要規格顯示出兩者在效能具有相似度及適度的差異。(圖片來源：DigiKey)

作為機械式金屬對金屬的觸點閉合元件，這兩個開關允許訊號能量向任一方向流動。這意味著在四個極中任一極的訊號可傳送至共用極，而在共用極上的訊號也可以流到四個切換極中的任一極。

MEMS RF 開關的原理和實作

在許多技術發展中，概念都很簡單，執行起來卻不容易，MEMS RF 開關也是如此。MEMS RF 開關採用微機械懸臂樑，並以其金屬尖端作為切換元件。設計上面臨的問題在於如何「啟用」這個懸臂，使其在接通時移動並接觸相應的金屬表面，然後在關閉時斷開連接。對於 MEMS RF 開關而言，此動作將透過靜電致動來啟動 (圖 2)。習慣上，這類開關會將開關端子稱為「源極」、「閘極」和「汲極」，但其仍屬於機械觸點閉合，而不是切換式 FET 元件。

圖 2：MEMS RF 開關的原理是使用一對金屬觸點 (稱為源極和汲極)，並透過靜電力移動懸臂梁 (閘極) 上的活動式觸點。(圖片來源：Analog Devices)

從許多方面來看，MEMS RF 開關與機械式繼電器非常類似，但其屬於微米級元件，且含有觸點負載電樞。懸臂是透過靜電力致動，而非磁場。整個開關採用 MEMS 專用矽晶 IC 製程製作而成，因此能利用與該製程相關的豐富設計和製造專長，進而提高產量並降低成本 (圖 3)。

圖 3：MEMS RF 開關的實際設計和實作，涉及到一系列複雜的矽晶及其他材料層和塗層，以及蝕刻區域。(圖片來源：Analog Devices)

為了改善效能並降低 DC 接觸電阻和 RF 阻抗，每個觸點極實際上都是以一組並聯極製成；由於使用 MEMS 技術，此種作法相當實用 (圖 4)。

圖 4：為了降低 DC 接觸電阻和 RF 阻抗，MEMS 開關的觸點極製作成多個並聯觸點。(圖片來源：Analog Devices)

每個電子元件都有一個或多個效能指數 (FOM)，用來表徵其效能。對開關來說，最重要的 FOM 值之一便是其 R_on 與關斷電容 (C_off) 的乘積。這通常稱為 R_onC_off 乘積，並以 fs 為單位。R_onC_off 數值越低，則表示接通模式的插入損耗越低，而關斷模式的隔離越高，這兩者都是理想的屬性。當然，對於 DC、AC 電源線和低頻開關來說，R_on 是主導因數，而 C_off 則幾乎無關緊要。Analog Devices 的 MEMS 開關 R_onC_off 乘積低於 8 fs，表示接通和關斷模式的 RF 效能非常好。

驅動和 ESD 會增加設計的複雜度，但不影響實際使用

對於特定的元件類別，設計人員需注意如何進行驅動和控制，並解決任何相關的難題。理想情況下，控制方法是採用簡單的標準邏輯位準訊號。(請回想一下，PIN 二極體型 RF 開關的缺點之一就是難以介接和驅動。)

對於 Analog Devices 的 MEMS RF 開關的靜電動作而言，控制驅動和介面可能是導入設計之初需要面臨的挑戰，原因在於電場需要大約 89 V DC 才能推動切換懸臂樑。不過，這根本不是個問題，因為這些 3.1 至 3.3 V 的 MEMS 開關，都在個別晶粒上設有 DC/DC 升壓電路，所以不需要外部高電壓驅動器或電源 (圖 5)。

圖 5：圖中顯示 ADGM1004 驅動 IC (左) 和 MEMS 開關晶粒 (右)，上方裝有 RF 連接埠 ESD 保護晶粒，並透過銲線連接至金屬導線架 (ADG1304 則無 ESD 晶粒)。(圖片來源：Analog Devices)

幾乎所有的固態裝置都對 ESD 敏感。傳統的機械式 RF 開關則沒有這個問題，因為這類元件天生就對 ESD 有高耐受力。為了解決 ESD 敏感度的問題，Analog Devices 加入了 ESD 保護元件。在 ADGM1004 封裝內，此元件是第三個獨立元件，安裝於 MEMS 晶粒上，對使用者而言清晰明瞭。此元件針對極引腳 (RF1 至 RF4) 和共用引腳 (RFC) 提供額定值為 5 kV 的 ESD 人體放電模式 (HBM) 防護，對其他所有引腳則提供 2.5 kV。對於不需要 ESD 保護的應用而言 (確實有一些應用如此)，ADGM1304 可省略此保護功能元件，因此可達到更薄的封裝尺寸和更大的頻寬。

儘管封裝內包含兩個主動式晶粒，但如前所述，這些開關的尺寸相當小，對 GHz 頻率的射頻來說，這永遠是一項優點。這些開關的控制訊號與 CMOS/LVTTL 相容，使用起來非常容易。

操作、效能與可靠性

使用類比開關或 PIN 二極體技術的固態 RF 開關，僅能處理最低至 10 MHz 左右的頻率，但機電開關及其 MEMS 同類產品則不同，能處理最低至 DC 的訊號。由於關注的訊號在數百 MHz 到數 GHz 的範圍內，此效能增進表面看起來似乎沒有必要。

然而，有許多的 RF 應用除了要求更高的頻率能力外，還需要接近 DC，甚或是真正 DC 的切換能力。這些應用包括採用低中頻 (IF) (如 455 kHz) 的系統，以及必須處理超寬廣 RF 頻譜範圍的軟體定義無線電 (SDR)。此外，在有些設計中，RF 路徑還要在甚小孔徑終端 (VSAT) 碟型天線及衛星電視／網際網路存取的低雜訊區塊 (LNB) 中，為天線前端前置放大器提供 DC 電力路徑。在此類應用中，若能透過單一小型元件來切換和路由 DC 電力及 RF 訊號，將可提供一大設計優勢。

與所有機械式和機電式裝置一樣，開關的核心機制使用壽命有限。如果是金屬機電 RF 開關，額定的使用壽命通常介於 500 萬至 1000 萬次循環。假定這些裝置的切換時間大約為數十 ms，此額定值一般是可接受的。不過，MEMS 型的 RF 開關具有更快的開／關時間 (ADGM1004 和 ADGM130 皆為 30 µs)。對於許多目標應用而言，例如動態 MIMO 系統配置，1000 萬次循環就是使用壽命的極限。但是，假如 MEMS 開關在其指定的訊號位準和功率範圍內使用，其額定值可達 10 億次循環。與傳統的機械式和機電式開關相比，此使用壽命額定值提高了兩個數量級。

除了與電子和機電元件相關的溫度循環應力之外，還有其他因素會影響 MEMS 型和傳統機電式 RF 開關的使用壽命。其中一項便是「冷」切換與「熱」切換。

在兩種情況下會產生熱切換：一種是開關關閉時，訊號源極和汲極之間存在電壓差，另一種是開關開啟時發生電流流動。與切換時沒有訊號功率的冷切換不同，熱切換會縮短開關接觸面的壽命，其程度取決於源極和汲極間的開路電壓強度。MEMS 開關規格書提供相關表格和圖表，可顯示熱切換對使用壽命和循環次數的影響。

除了開／關循環之外，還有一個參數稱為「持續接通壽命」(COL)。此情況通常發生在開關設定為長期接通狀態的儀器中，這也會縮短開關觸點的壽命。按照設計及加速壽命測試，Analog Devices 的 MEMS 開關 COL 平均故障間隔時間 (MTBF) 在 50°C 時為 7 年，在 85°C 時為 10 年。

由於這些 MEMS 型 RF 開關採用相對較新的技術，若潛在使用者對其在電氣應力、機械應力、溫度以及衝擊／振動下的使用壽命，以及長短期穩定性等其他因素有疑慮，可能會謹慎思考這類開關。對任務關鍵型軍事／航太系統以及汽車系統中的 MEMS RF 開關應用來說，謹慎態度更有必要。為了減少這些疑慮，Analog Devices 進行了許多工業和 MIL 指定的測試 (表 2)。

表 2：以上清單是 MEMS 開關技術鑒定測試的一部分，表明這些元件已通過廣泛的可靠度鑒定。(圖片來源：Analog Devices)

MEMS 開關導入電路設計

雖然 MEMS 型 RF 開關很容易應用，但比標準型機電元件略為複雜，其規格書列出了多個設計注意事項。其中包括，所有的開關路徑端子都必須接至 DC 參考電壓。這個參考電壓可以是另一個內建參考電壓或接地阻抗的主動元件 (其功能類似於不讓 CMOS 閘級輸入或輸出「懸浮」)。如果未進行連接，電荷可能會在端子上累積，而讓電壓浮動至未知程度，最終導致不可靠的致動行為，可能會讓開關受損。

規格書會解釋並列出這些懸浮節點可能會帶來的一些意外問題，並提出解決之道。例如，如果 兩個 ADGM1304 元件以常見的串接排列方式使用，簡易型分流電阻就能將潛在問題減至最少 (圖 6)。

圖 6：在開關端子和接地之間安裝分流電阻，可避免電荷和電壓累積的可能性，以免導致錯誤的行為，甚至讓開關受損。(圖片來源：Analog Devices)

儘管 MEMS RF 開關有相當多的應用機會，但某些應用越來越常見且重要性與日俱增。以行動無線電與智慧型手機等無線通訊為例，目前的趨勢是增加頻段與模式的數量，且必須全部納入單一機子中；5G 標準正進一步推動此趨勢。採用可動態重新設定的 RF 濾波器就可解決這個問題。其允許覆蓋更多的頻段／模式，而且尺寸夠小，速度也夠快。

為此，需在可重新設定的帶通濾波器中，使用一對 ADGM1304 元件，即圖中所示的電感式耦合單端拓撲。該拓樸位於超高頻 (UHF) 頻段中以 400 MHz 標稱值為中點的兩個區段中 (圖 7)。MEMS 開關與每個分流電感以串聯方式連接，可滿足低平插入損耗、寬 RF 頻寬、低寄生效應、低電容值以及高線性度的要求。

圖 7：無線手機對於某樣功能的需求日益增加，就是能藉由單一訊號路徑，處理多個 RF 頻段和模式。使用 MEMS 元件的切換式電感濾波器就能提供此功能，而且佔用面積小且效能高。(圖片來源：Analog Devices)

這些開關可連接／斷開各個電感元件 (15 nH 至 30 nH，用於設定濾波器頻率)，而較低的 R_on 則可減輕串聯電阻對分流電感品質因數 (Q) 造成的不良影響。此設計還可在所有開關設定下，確保輸入和輸出埠都可以維持在關鍵的 50 Ω。

在設計時若使用高於 GHz 區的射頻，以及模擬用的模型和 S 參數，就有必要使用適當的評估板當作設計工具，因為模型永遠不會完美且無法捕捉到實際設計的所有細微之處。為了加速產品上巿時間、盡可能減少使用者挫敗感，並達到完整且公正的設計評估，Analog Devices 推出 EVAL-ADGM1304 (圖 8)。

圖 8：ADGM1304 評估板非常簡單方便；此工具不僅能確保在一致條件下完成元件的效能評估，還能執行校正和應用效能測試。(圖片來源：Analog Devices)

此評估板含有用於 RF 訊號的 SMA 連接器、用於開關控制訊號的 SMB 連接器，以及用於分析器校正的板載「校正直通」傳輸線，並隨附詳細使用指南 (UG-644)。

結論

隨著無線應用需求激增，以及尺寸、成本和效能的要求日趨嚴格，MEMS 型 RF 開關因切換速度快、尺寸小、長期可靠性及其他優勢，而成為設計人員必備的工具套件之一。

Analog Devices 的 ADGM004 和 ADGM1304 等 MEMS RF 開關，不僅能簡化舊設計，還能讓設計人員滿足新設計的要求，打造出頻率更高且電路更密集的產品。為了幫助設計人員充分利用元件的功能，Analog Devices 透過評估板、模型和說明文件提供廣泛的支援。