Utilice los interruptores de RF basados en MEMS para resolver problemas de integración y diseño inalámbrico avanzado

La proliferación de las comunicaciones inalámbricas con mayores frecuencias y anchos de banda se combina con la integración de múltiples antenas e interfaces de RF (radiofrecuencia) para superar los límites de los enfoques de conmutación de RF convencionales. Los interruptores de RF basados en la tecnología de los MEMS (sistemas microelectromecánicos) surgieron como una solución viable y fácil de usar para abordar los problemas de espacio, flexibilidad, velocidad de conmutación y filtrado del front end que enfrentan los diseñadores de sistemas inalámbricos avanzados.

Este artículo comienza con un análisis de los enfoques adoptados convencionalmente para los interruptores de RF, incluidos los diodos electromecánicos tradicionales y varios diodos PIN y analógicos de estado sólido. Luego explora los atributos clave de los interruptores de RF basados en MEMS mediante el uso de ejemplos de Analog Devices. Se analizarán las características de rendimiento y el soporte de desarrollo disponible para ayudarlos a los diseñadores a comprender cómo aplicar los interruptores de RF basados en MEMS y garantizar una larga vida útil y un manejo confiable.

Aplicaciones y opciones de interruptores de RF

Además de admitir la integración de múltiples radios mediante el uso de una sola antena, se requieren interruptores de RF para admitir múltiples antenas en una configuración de MIMO (entrada múltiple y salida múltiple), dirigir una señal a lo largo de una ruta interna deseada o administrar una matriz de conmutación relacionada con un ATE (equipo de prueba automático). El acto de conmutación de RF puede implicar la selección de una señal de entrada, entre muchas posibles, para dirigirla a una única ruta de salida o, por el contrario, se puede usar para enrutar una sola señal a una ruta de salida especificada entre varias.

Hasta hace poco, la conmutación de RF se implementaba principalmente utilizando lo siguiente:

•Interruptores de RF electromecánicos tradicionales: Son manuales o controlados por motor; admiten operación remota a través de una simple línea de 12/24 voltios o un puerto USB. Estos interruptores son fáciles de usar (incluyen conectores coaxiales) y ofrecen un rendimiento excelente en decenas de gigahercios, pero obviamente no son prácticos para aplicaciones que requieren conmutación pequeña, de peso ligero o alta velocidad. A pesar de su edad, todavía están ampliamente disponibles y, a menudo, son la única solución para muchas situaciones.

•Interruptores basados en diodos PIN: Ofrecen buen rendimiento de RF y alta velocidad de conmutación. Sin embargo, darse cuenta de su potencial requiere de experiencia. Como dispositivos de dos terminales sin una línea de control de encendido/apagado separada, requieren de circuitos complejos asociados para fusionar el control de CC y las rutas de RF como entradas, y luego separarlas como salidas. Por esta razón, la mayoría de los interruptores de RF basados en PIN se ofrecen con los circuitos de soporte incluidos en un módulo completo.

•FET (transistor de efecto de campo) e interruptores híbridos de estado sólido: Son una forma de interruptor de estado sólido que utiliza materiales y procesos de semiconductores avanzados para proporcionar el equivalente de RF de un interruptor de transistor básico de baja frecuencia. Como interruptores electrónicos, estos dispositivos pueden hacer la transición de encendido/apagado rápidamente (en microsegundos) y ofrecen facilidad de diseño, pero presentan límites en términos de aislamiento y otros atributos de rendimiento.

Recientemente, los interruptores de RF basados en MEMS se convirtieron en opciones viables y ahora están disponibles como productos estándares. Estos dispositivos utilizan un mecanismo de conmutación basado en elementos de MEMS en voladizo similares a aquellos utilizados en algunos acelerómetros de MEMS, pero agregan las funciones y las características necesarias para un interruptor controlado electrónicamente que proporciona contacto de metal sobre metal para la ruta de señal de RF.

Considere, por ejemplo, el ADGM1004 de Analog Devices, un interruptor SP4T (unipolar de cuatro tiros) de 0 Hz (hertz) (CC) a 13 GHz y el ADGM1304, un interruptor SP4T similar de CC a 14 GHz (Figura 1).

Figura 1: El diagrama de bloque del interruptor basado en MEMS ADGM1004 muestra la arquitectura SP4T básica junto con otras características críticas como los diodos de protección contra ESD (descargas electrostáticas); el ADGM1304 es similar, pero carece de diodos y también difiere en algunos detalles de especificación. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El ADGM1004 y el ADGM1304 ponen en práctica una función clásica de cierre de contacto de encendido/apagado mecánico, y lo hacen dentro de un LFCSP (paquete de escala de chip con marco de plomo) de 24 pines compatible con RF en miniatura de 5 × 4 × 1.45 mm (milímetros). Pueden conmutar en 30 µs (microsegundos) y tener un ancho de banda de CC a 13 o 14 GHz (respectivamente). Sus especificaciones son similares en general, pero tienen diferencias sutiles, aunque a menudo importantes, con respecto a la R_on (resistencia en conducción ), el IIP3 (punto de intercepción de tercer orden) y la potencia de RF (máx.) (Tabla 1).

Tabla 1: Las especificaciones de primer nivel para los interruptores de RF basados en MEMS ADGM1004 y ADGM1304 de Analog Devices muestran sus similitudes de rendimiento y las modestas diferencias. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Como dispositivos mecánicos de cierre y de contacto de metal a metal, permiten el flujo de energía de la señal en cualquier dirección. Esto significa que una señal en uno de los cuatro polos puede pasar al polo común. Por el contrario, una señal en el polo común puede fluir hacia cualquiera de los cuatro polos conmutados.

Principio e implementación del interruptor de RF MEMS

Con tantos avances tecnológicos, el concepto es simple pero la ejecución no lo es, y esto es válido para el interruptor de RF MEMS. El interruptor de RF MEMS utiliza una viga en voladizo micromecanizada con una punta metalizada como elemento de conmutación. El problema del diseño es cómo "activar" este voladizo para que se mueva y haga contacto con la superficie metalizada correspondiente cuando se enciende, y que luego también se desconecte cuando se apaga. Para el interruptor de RF MEMS, este movimiento se inicia a través de la activación electrostática (Figura 2). Es habitual llamar a los terminales del interruptor "fuente", "puerta" y "drenaje", pero sigue siendo un cierre de contacto mecánico y no un dispositivo FET de conmutación.

Figura 2: El principio del interruptor de RF MEMS utiliza un par de contactos metálicos (denominados fuente y drenaje) con el contacto móvil en una viga en voladizo (puerta), que se mueve por una fuerza electrostática. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En muchos sentidos, el interruptor de RF MEMS es muy similar a un relé mecánico, pero está construido en una escala micrométrica con una armadura cargada por contacto. El voladizo se acciona mediante una fuerza electrostática en lugar de un campo magnético. Todo el interruptor se fabrica utilizando un proceso de IC de silicio específico de MEMS, y así se aprovecha la amplia destreza en diseño y fabricación asociada con este proceso para mejorar el rendimiento y reducir el costo (Figura 3).

Figura 3: El diseño y la implementación reales del interruptor de RF MEMS implican una serie compleja de capas y recubrimientos de silicio y otros materiales, así como también de áreas grabadas. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Para mejorar el rendimiento y reducir la resistencia de contacto de CC y la impedancia de RF, cada polo de contacto se fabrica en realidad como un conjunto de polos paralelos; esto es práctico debido a la tecnología MEMS (Figura 4).

Figura 4: Para reducir la resistencia de CC de contacto y la impedancia de RF, los polos de contacto de los interruptores MEMS se fabrican como múltiples contactos paralelos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Cada componente electrónico cuenta con un FOM (coeficiente de calidad) o más y se utilizan para caracterizar el rendimiento. Para un interruptor, uno de los valores de FOM más importantes es la R_on multiplicada por la C_off (capacitancia de desconexión). Esto generalmente se conoce como el producto de R_onC_off y se expresa en unidades de fs (femtosegundos). Los valores más bajos de R_onC_off indican una menor pérdida de inserción en modo encendido y un mayor aislamiento en modo apagado, ambos atributos deseables. Por supuesto, para CC, línea de alimentación de CA e interruptores de baja frecuencia, R_on es el factor dominante y C_off es, en gran medida, irrelevante. El producto de R_onC_off para los interruptores MEMS de Analog Devices está por debajo de 8 fs, lo que indica un muy buen rendimiento de RF en modo encendido y apagado.

La unidad y la ESD complican el diseño, pero no el uso real

Una preocupación que tienen los diseñadores con ciertas clases de componentes es cómo manejarlos y controlarlos, junto con cualquier dificultad asociada. Idealmente, el control sería una señal de nivel lógico estándar y simple. (Recuerde que la dificultad de conectar y manejar el interruptor de RF de diodo PIN es uno de sus inconvenientes).

Para la acción electrostática de los interruptores de RF MEMS de Analog Devices, la unidad de control y la interfaz presentan lo que al principio podría parecer un desafío de diseño, ya que el campo eléctrico necesita alrededor de 89 voltios de CC para mover el voladizo del interruptor. Sin embargo, no es un problema en absoluto porque estos interruptores MEMS de 3.1 a 3.3 voltios incluyen un circuito de refuerzo de CC/CC en un molde separado, y así eliminan la necesidad de un controlador externo de alto voltaje o una fuente de suministro (Figura 5).

Figura 5: Se muestra el IC de la unidad ADGM1004 (izquierda) y el molde del interruptor MEMS (derecha), con el molde de protección contra la ESD del puerto de RF montado en la parte superior con alambres de conexión al marco conductor de metal (el ADG1304 carece de un molde contra la ESD). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Una preocupación con casi cualquier dispositivo de estado sólido es la sensibilidad a la ESD. Esto no es una preocupación con los interruptores de RF mecánicos convencionales, ya que son, de manera inherente, altamente inmunes a la ESD. Para abordar este problema de sensibilidad a la ESD, Analog Devices incluyó un elemento de protección contra la ESD. Este tercer elemento separado dentro del paquete del ADGM1004 está montado en el molde MEMS y es transparente para el usuario. Proporciona una clasificación de ESD con el HBM (modelo de cuerpo humano) de 5 kV (kilovoltios) para los pines del polo (RF1 a RF4) y el pin común (RFC), y 2.5 kV para todos los demás pines. Para aplicaciones que no requieren protección contra la ESD (existen algunas), el ADGM1304 elimina este elemento de función de protección y, por lo tanto, tiene un paquete más delgado y un ancho de banda más amplio.

A pesar de que los dos moldes estén activos dentro del paquete, estos interruptores son pequeños como se mencionó anteriormente, lo que siempre es una ventaja para los gigahertz de RF. Sus señales de control son compatibles con CMOS/LVTTL para facilitar el uso.

Operación, rendimiento y confiabilidad

A diferencia de los interruptores de RF de estado sólido que utilizan interruptores analógicos o tecnología de diodos PIN que solo pueden manejar frecuencias de hasta alrededor de 10 MHz (megahercios), los interruptores electromecánicos y sus contrapartes MEMS pueden manejar señales hasta de CC. Esto puede parecer una extensión del rendimiento innecesaria, ya que las señales de interés están en un rango que va desde cientos de megahercios a múltiples gigahercios.

Sin embargo, hay muchas aplicaciones de RF que necesitan una conmutación de CC cercana o incluso verdadera, junto con una mayor capacidad de frecuencia. Estas incluyen los sistemas con bajas IF (frecuencias intermedias); por ejemplo, de 455 kHz (kilohercio) y SDR (radios definidos por software) que deben manejar una porción muy amplia del espectro de RF. Además, existen diseños en los que la ruta de RF también proporciona la ruta de potencia de CC para el preamplificador de front end de la antena en el LNB (bloque de bajo ruido) de las antenas parabólicas de VSAT (terminal de apertura muy pequeña) y el acceso a la televisión por satélite o Internet. En tales aplicaciones, la posibilidad de conmutar y encaminar la potencia de CC junto con la señal de RF a través de un único componente pequeño es una gran ventaja de diseño.

Como con todos los dispositivos mecánicos y electromecánicos, la vida útil del mecanismo central es limitada. Para el interruptor de RF electromecánico de metal, la duración de la vida útil suele ser de entre cinco y 10 millones de ciclos. Dado que su tiempo de conmutación es del orden de decenas de milisegundos, esta duración por lo general se ha aceptado. Sin embargo, los interruptores de RF basados en MEMS tienen un tiempo de encendido/apagado mucho más rápido (30 µs para el ADGM1004 y el ADGM1304). Para muchas de sus aplicaciones de destino, como una configuración dinámica del sistema MIMO, 10 millones de ciclos presentan una limitación de la vida útil. Sin embargo, los interruptores MEMS tienen una capacidad nominal de mil millones de ciclos, suponiendo que se usen dentro de su nivel de señal y envolvente de potencia definidos. Esta es una duración de vida útil que es mayor por dos órdenes de magnitud en comparación con los interruptores mecánicos y electromecánicos tradicionales.

Además de la tensión cíclica de temperatura asociada con los componentes electrónicos y electromecánicos, existen otros factores que afectan la vida útil de los interruptores MEMS y de RF electromecánicos convencionales. Entre estos se encuentran la conmutación "en caliente" y la conmutación "en frío".

La conmutación en caliente ocurre cuando existe un diferencial de voltaje entre la fuente de señal y el drenaje cuando el interruptor está cerrado, o si la corriente fluye cuando se abre el interruptor. A diferencia de la conmutación en frío, en la que no hay presencia de potencia de señal en el momento de la conmutación, la conmutación en caliente da como resultado una vida útil reducida del interruptor en las superficies de contacto que depende de la magnitud del voltaje de circuito abierto entre la fuente y el drenaje. Las hojas de datos del interruptor MEMS tienen tablas y gráficos que muestran el efecto de la conmutación en caliente en la vida útil y en los ciclos.

El otro extremo del espectro de ciclos de encendido/apagado cuenta con un COL (parámetro llamado vida útil continua). Se refiere a una situación que a menudo ocurre en la instrumentación donde un interruptor se configura en la condición de encendido durante un período de tiempo prolongado, lo que también puede degradar la vida útil de contacto del interruptor. Por diseño y prueba de vida útil acelerada, los interruptores basados en MEMS de Analog Devices tienen una duración de COL de MTBF (tiempo medio entre fallas) de siete años a 50 °C y de 10 años a 85 °C.

Al ser una tecnología relativamente nueva, estos interruptores de RF basados en MEMS pueden ser vistos con precaución por los usuarios potenciales preocupados por estos y otros aspectos de su confiabilidad a corto y largo plazo, debido a la tensión eléctrica y mecánica, la temperatura y las descargas o vibraciones. Esto es particularmente cierto para las aplicaciones de conmutación de RF MEMS en misiones militares o aeroespaciales críticas, así como en sistemas automotrices. Para aliviar estas preocupaciones, Analog Devices ha realizado muchas pruebas definidas por la industria y los estándares militares MIL (Tabla 2).

Tabla 2: Esta lista parcial de pruebas de calificación de la tecnología de interruptores MEMS indica la amplitud de la calificación de confiabilidad para estos dispositivos. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Diseño de interruptores MEMS en un circuito

Aunque los interruptores de RF basados en MEMS son fáciles de aplicar, son un poco más complicados que los dispositivos electromecánicos estándares, y las hojas de datos mencionan varias advertencias en cuanto al diseño. Una de ellas es que todos los terminales de la ruta del interruptor deben estar conectados a una referencia de voltaje de CC. Esta referencia puede ser otro componente activo con una referencia de voltaje interno o una impedancia a tierra (análogo a no dejar una entrada o salida de una puerta CMOS “flotando”). Si no se hace esto, pueden acumularse cargas en los terminales y permitir que los voltajes floten a niveles desconocidos, lo que a su vez puede conducir a un comportamiento de actuación poco confiable que puede dañar el interruptor.

Las hojas de datos explican e ilustran algunas formas inadvertidas en que estos nodos flotantes pueden ocurrir y muestran formas de evitarlos. Por ejemplo, cuando se utilizan dos dispositivos ADGM1304 en la disposición en cascada común, las resistencias de derivación simples pueden minimizar el problema potencial (Figura 6).

Figura 6: La instalación de resistencias de derivación entre los terminales del interruptor y la tierra evitará la posibilidad de acumulación de cargas y voltaje que pueden conducir a un comportamiento errático e incluso dañar el interruptor. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Si bien existen muchas oportunidades de aplicación para los interruptores de RF MEMS, algunos se están volviendo cada vez más evidentes e importantes. Para las comunicaciones inalámbricas, incluidas las radios móviles y los teléfonos inteligentes, la tendencia consiste en aumentar el número de bandas y modos que deben acomodarse en una sola unidad; el 5G estándar está empujando este escenario aún más. Un filtro de RF dinámicamente reconfigurable puede abordar esto al permitir que se cubran más bandas o modos, con el tamaño pequeño y la alta velocidad requeridos.

Esto se puede llevar a cabo utilizando un par de dispositivos ADGM1304 en un filtro de paso banda reconfigurable, que se muestra aquí como una topología de acoplamiento inductivo único, en dos secciones centradas nominalmente a 400 MHz en la banda de UHF (frecuencia ultraalta) (Figura 7 ) Los interruptores MEMS están conectados en serie con cada uno de los inductores de derivación que cumplen los requisitos con respecto a la pérdida de inserción baja y plana, el amplio ancho de banda de RF, los elementos parásitos bajos, la baja capacitancia y la alta linealidad.

Figura 7: Una función cada vez más necesaria para los auriculares inalámbricos es la capacidad de manejar múltiples bandas y modos de RF a través de una sola ruta de señal. Un filtro de interruptor conmutado que utiliza los dispositivos MEMS puede proporcionar esta función en un espacio reducido y con un alto rendimiento. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Los interruptores conectan o desconectan los elementos de inducción agrupados, 15 NH (nanohenrios) a 30 nH que establecen la frecuencia del filtro, mientras que su baja R_on reduce el impacto negativo que tiene una resistencia en serie en el factor Q (calidad) del inductor de derivación. El diseño también mantiene la coincidencia crítica de 50 Ω (ohm) en los puertos de entrada y salida en todas las configuraciones del interruptor.

Al diseñar con RF en la región de gigahertz plus, junto con modelos y parámetros S para simulación, una placa de evaluación adecuada es una herramienta de diseño necesaria ya que los modelos nunca son perfectos y no pueden capturar todas las sutilezas del diseño real. Para acelerar el tiempo de comercialización, minimizar la frustración del usuario y permitir una evaluación de diseño completa y justa, Analog Devices ofrece el EVAL-ADGM1304 (Figura 8).

Figura 8: La placa de evaluación para el ADGM1304 es mucho más que una simple conveniencia; es una herramienta que garantiza que la evaluación del rendimiento de los componentes se realice en condiciones consistentes y también permite la calibración y las pruebas de rendimiento de la aplicación. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La placa de evaluación incluye conectores SMA para las señales de RF, conectores SMB para señales de control del interruptor y una línea de transmisión integrada "a través de la calibración” para la calibración del analizador, así como también una guía para el usuario detallada (UG-644).

Conclusión

A medida que ocurre la proliferación de las aplicaciones inalámbricas, y los requisitos de tamaño, costo y rendimiento se vuelven más exigentes, los interruptores de RF basados en MEMS son una adición útil al kit de herramientas de los diseñadores debido a su rápida velocidad de conmutación, tamaño pequeño, confiabilidad a largo plazo y otros atributos favorables.

Los interruptores de RF MEMS tales como el ADGM004 y el ADGM1304 de Analog Devices pueden simplificar los diseños más antiguos al mismo tiempo que les permiten a los diseñadores satisfacer las demandas de diseños más nuevos para productos de mayor frecuencia con mayores densidades de circuito. Para ayudarles a los diseñadores a aprovechar al máximo las capacidades de los dispositivos, cuentan con una amplia asistencia en forma de placas de evaluación, modelos y documentación.