Utilizzare interruttori RF MEMS per risolvere i problemi di integrazione e di progettazioni wireless avanzate

Il proliferare di comunicazioni wireless a frequenze più alte e a larghezze di banda più ampie va di pari passo con l'integrazione di più interfacce e antenne a radiofrequenza (RF) per superare i limiti degli approcci convenzionali di commutazione RF. Gli interruttori RF basati sulla tecnologia di sistemi microelettromeccanici (MEMS) si sono rivelati una soluzione fattibile e facile da usare per risolvere i problemi di spazio, velocità di commutazione, filtraggio front-end e flessibilità che i progettisti di sistemi wireless avanzati devono affrontare.

Questo articolo prende inizialmente in esame gli approcci convenzionali agli interruttori RF, compresi quelli elettromeccanici tradizionali e vari diodi PIN e analogici a stato solido. Passa poi a esplorare gli attributi fondamentali degli interruttori RF basati su MEMS utilizzando esempi di Analog Devices. Infine si occupa delle caratteristiche prestazionali e del supporto allo sviluppo a disposizione dei progettisti per aiutarli a capire come applicare gli interruttori RF MEMS e assicurare un funzionamento duraturo e affidabile.

Applicazioni degli interruttori RF e opzioni

Oltre all'integrazione di più radio utilizzando una sola antenna, gli interruttori RF devono supportare anche più antenne in una configurazione a più ingressi e a più uscite (MIMO), indirizzare un segnale lungo il percorso interno desiderato o gestire un'apparecchiatura di test automatica (ATE) legata alla matrice di commutazione. La commutazione RF può comportare la selezione di uno dei numerosi possibili segnali di ingresso da indirizzare su un solo percorso di uscita; oppure, potrebbe essere usata per instradare un singolo segnale a uno specifico percorso di uscita fra i tanti disponibili.

Fino a poco fa, la commutazione RF veniva implementata principalmente utilizzando:

•I tradizionali interruttori RF elettromeccanici: questi interruttori sono a controllo manuale o motorizzato; supportano l'azionamento a distanza tramite una semplice linea a 12/24 volt o una porta USB. Sono facili da usare (includono connettori coassiali) e offrono prestazioni eccellenti nell'ordine di decine di gigahertz, ma non sono pratici per applicazioni che richiedono dimensioni ridotte, peso leggero o commutazione ad alta velocità. Nonostante la loro età, sono ancora ampiamente disponibili e spesso per molte situazioni rappresentano l'unica soluzione.

•Interruttori basati su diodi PIN: offrono buone prestazioni RF e un'elevata velocità di commutazione. Tuttavia, per sfruttare il loro potenziale serve una certa esperienza. Essendo dei dispositivi a due terminali senza una linea di controllo on/off separata, richiedono un circuito complesso per unire il percorso di controllo c.c. e quello RF come ingressi, e separarli poi come uscite. Per questo motivo, la maggior parte degli interruttori RF basati su PIN vengono offerti con i circuiti di supporto inclusi in un modulo completo.

•Transistor a effetto di campo (FET) e interruttori ibridi a stato solido: sono un tipo di interruttore a stato solido che utilizza i processi e i materiali di semiconduttori avanzati per fornire l'equivalente RF di un interruttore a transistor di base a bassa frequenza. Essendo degli interruttori elettronici, questi dispositivi possono effettuare la transizione on/off in tempi rapidi (entro dei microsecondi) e sono facili da progettare, ma hanno delle limitazioni in termini di isolamento e altre caratteristiche prestazionali.

Di recente sono emersi degli interruttori RF basati su MEMS, attualmente disponibili come prodotti standard. Questi dispositivi utilizzano un meccanismo di commutazione basato su elementi MEMS con cantilever simili a quelli utilizzati in alcuni accelerometri MEMS, ma in più hanno le funzioni e le caratteristiche richieste da un interruttore a controllo elettronico che fornisce un contatto metallo-metallo per il percorso del segnale RF.

Prendiamo ad esempio ADGM1004 di Analog Devices, un interruttore da 0 Hz (c.c.) a 13 GHz, unipolare a quattro vie (SP4T), e ADGM1304, un interruttore SP4T simile da c.c. a 14 GHz (Figura 1).

Figura 1: Il diagramma a blocchi dell'interruttore MEMS ADGM1004 mostra la sua architettura SP4T base e altre caratteristiche cruciali come i diodi di protezione dalle scariche elettrostatiche (ESD). ADGM1304 è simile ma non ha i diodi e presenta delle differenze anche per alcune specifiche. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

ADGM1004 e ADGM1304 implementano una classica funzione meccanica on/off di chiusura contatti, in un contenitore LFCSP (Lead Frame Chip-Scale Package) miniaturizzato a 24 pin compatibile RF di 5×4×1,45 mm. Sono in grado di commutare in 30 µs e hanno (rispettivamente) una larghezza di banda da c.c. a 13 o 14 GHz. Le loro specifiche sono complessivamente simili, ma hanno delle differenze che, seppur minime, spesso sono importanti, riguardo la resistenza nello stato On (R_on), il punto di intercettazione del terzo ordine (IIP3) e la potenza RF (max) (Tabella 1).

Tabella 1: Le specifiche di livello superiore per gli interruttori RF basati su MEMS ADGM1004 e ADGM1304 di Analog Devices mostrano prestazioni simili e differenze contenute. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

In quanto dispositivi di chiusura meccanici con contatto metallo-metallo, lasciano passare l'energia dei segnali in entrambe le direzioni. Ciò significa che un segnale in uno dei quattro poli può essere fatto passare fino al polo comune. A sua volta, un segnale nel polo comune può andare verso uno qualsiasi dei quattro poli commutati.

Principio dell'interruttore RF MEMS e implementazione

Grazie ai numerosi progressi tecnologici, il concetto è semplice ma l'esecuzione no, e questo vale anche per l'interruttore RF MEMS. L'interruttore RF MEMS usa, come suo elemento di commutazione, un'asticina a cantilever microlavorata con punta metallizzata. La difficoltà progettuale sta nel come "attivare" questo elemento in modo che si muova e vada a contatto con la corrispondente superficie metallizzata quando viene attivato, e si scolleghi quando viene disattivato. Per l'interruttore RF MEMS, questo movimento viene avviato tramite attuazione elettrostatica (Figura 2). È comune chiamare i terminali degli interruttori "source", "gate" e "drain", ma si tratta comunque di una chiusura con contatto meccanico, non di un dispositivo FET di commutazione.

Figura 2: Il principio dell'interruttore RF MEMS che utilizza una coppia di contatti metallici (chiamati source e drain) con il contatto mobile su un'asticina a cantilever (gate), che viene mossa da una forza elettrostatica. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Sotto molti aspetti, l'interruttore RF MEMS è molto simile a un relè meccanico ma è realizzato in scala micrometrica con un'armatura caricata dal contatto. L'asticina a cantilever viene azionata da una forza elettrostatica invece che da un campo magnetico. Tutto l'interruttore è fabbricato utilizzando uno processo CI al silicio specifico per MEMS, sfruttando l'ampia esperienza progettuale e costruttiva associata a questo processo per migliorare la produzione e ridurre i costi (Figura 3).

Figura 3: L'effettiva progettazione e realizzazione dell'interruttore RF MEMS implica una serie complessa di strati e rivestimenti di silicio e altri materiali, nonché aree incise. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per migliorare le prestazioni e ridurre la resistenza di contatto c.c. e l'impedenza RF, ogni polo di contatto è di fatto costruito come un insieme di poli paralleli. La tecnologia MEMS lo rende un elemento pratico (Figura 4).

Figura 4: Per ridurre la resistenza c.c. di contatto e l'impedenza RF, i poli di contatto degli interruttori MEMS sono costruiti come più contatti paralleli. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Ogni componente elettronico ha una o più cifre di merito (FOM) usate per caratterizzarne le prestazioni. Per un interruttore, uno dei valori FOM più importanti è il suo R_on moltiplicato per la sua capacità off (C_off). Viene solitamente detto prodotto R_onC_off ed è espresso in unità di femtosecondi (fs). Valori bassi di R_onC_off indicano una perdita di inserzione inferiore in modalità On e un isolamento superiore in modalità Off, che sono entrambi attributi auspicabili. Ovviamente, per la linea di alimentazione c.c., c.a. e commutatori a bassa frequenza, R_on è il fattore dominante, mentre C_off è in larga misura irrilevante. Il prodotto R_onC_off per gli interruttori MEMS di Analog Devices è inferiore a 8 fs, il che è indice di buone prestazioni RF in modalità On e Off.

Pilotaggio ed ESD complicano la progettazione ma non l'uso vero e proprio

Con certe classi di componenti i progettisti hanno il problema di come pilotarli e controllarli, con tutte le difficoltà che ne conseguono. Idealmente, il controllo sarebbe un semplice segnale di livello logico standard. (Va ricordato che fra gli inconvenienti vi è la difficoltà di interfacciamento e di pilotaggio dell'interruttore RF a diodo PIN.)

Per l'azione elettrostatica degli interruttori RF MEMS di Analog Devices, l'azionamento del controllo e l'interfaccia presentano quella che potrebbe sembrare una sfida progettuale, dato che il campo elettrico richiede circa 89 volt c.c, per spostare l'asticina di commutazione. Di fatto, però, il problema non si pone perché questi interruttori MEMS da 3,1 a 3,3 volt includono un circuito di boost c.c./c.c. su un die separato, il che elimina la necessità di un driver esterno ad alta tensione o di una sorgente di alimentazione (Figura 5).

Figura 5: In figura sono rappresentati il CI di pilotaggio di ADGM1004 (a sinistra) e il die dell'interruttore MEMS (a destra), con il die di protezione ESD della porta RF montato sopra con wire bonding al leadframe in metallo (ADG1304 non ha il die ESD). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Una preoccupazione suscitata da quasi tutti i dispositivi a stato solido è la sensibilità alle scariche elettrostatiche. Gli interruttori RF meccanici tradizionali ne sono invece esenti, essendo intrinsecamente immuni a queste scariche. Per affrontare il problema della sensibilità alle scariche elettrostatiche, Analog Devices ha incluso un elemento di protezione da ESD. Questo terzo elemento separato all'interno del contenitore ADGM1004 è montato sul die MEMS ed è trasparente all'utente. Assicura una capacità nominale del modello di corpo umano (HBM) ESD di 5 kV per i pin dei poli (da RF1 a RF4) e il pin comune (RFC) e di 2,5 kV per tutti gli altri pin. Per applicazioni che non richiedono la protezione ESD - e ve ne sono - ADGM1304 elimina questo elemento di protezione, per cui ha un contenitore più sottile e una maggiore larghezza di banda.

Malgrado i due die attivi all'interno del loro contenitore, come ricordato sopra questi interruttori sono minuscoli, il che è sempre un vantaggio importante per RF dell'ordine di gigahertz. Per facilità d'uso, i loro segnali di controllo sono compatibili CMOS/LVTTL.

Funzionamento, prestazioni e affidabilità

Diversamente dagli interruttori RF a stato solido che utilizzano la tecnologia dell'interruttore analogico o del diodo PIN che è in grado di gestire frequenze solo fino a circa 10 MHz, gli interruttori elettromeccanici e le rispettive controparti MEMS possono gestire segnali fino a c.c. Questa estensione delle prestazioni potrebbe sembrare inutile, in quanto i segnali di interesse sono in un intervallo che va da centinaia di megahertz a diversi gigahertz.

Ci sono però molte applicazioni RF che richiedono una commutazione quasi c.c. o realmente c.c. e una capacità di frequenza più elevata. Ne fanno parte sistemi con frequenze intermedie basse (IF) come 455 kHz e Software-Defined Radio (SDR) che devono gestire una slice molto ampia dello spettro RF. Inoltre, ci sono progetti in cui il percorso RF fornisce anche il percorso di alimentazione c.c. per il preamplificatore front-end dell'antenna nel blocco a basso rumore (LNB) delle parabole VSAT e l'accesso satellitare a TV/Internet. In queste applicazioni, riuscire a commutare e instradare l'alimentazione c.c. insieme al segnale RF attraverso un singolo componente di piccole dimensioni rappresenta un grande vantaggio progettuale.

Come per tutti i dispositivi meccanici ed elettromeccanici, la vita utile del meccanismo del core è limitata. Nel caso dell'interruttore RF elettromeccanico in metallo, va in genere da cinque e 10 milioni di cicli. Dato un tempo di commutazione dell'ordine di decine di millisecondi, questo valore in genere era accettabile. Tuttavia, gli interruttori RF basati su MEMS hanno un tempo on/off molto più rapido (30 µs per ADGM1004 e ADGM1304). Per molte delle loro applicazioni target, come ad esempio la configurazione di un sistema MIMO dinamico, una vita utile di 10 milioni di cicli rappresenta una limitazione. Gli interruttori MEMS sono però classificati per un miliardo di cicli, presumendo che siano utilizzati entro il livello del segnale e l'inviluppo di potenza definiti. Questa vita utile è maggiore di due ordini di grandezza rispetto a quella degli interruttori meccanici ed elettromeccanici tradizionali.

Oltre alle sollecitazioni dovute ai cicli di temperatura associati ai componenti elettronici ed elettromeccanici, sulla vita utile degli interruttori MEMS e RF elettromeccanici convenzionali incidono anche altri fattori. Fra questi vi sono la commutazione a caldo rispetto a quella a freddo.

La commutazione a caldo si ha quando esiste un differenziale di tensione tra la sorgente del segnale e il drain quando l'interruttore viene chiuso, e/o se sta scorrendo corrente quando l'interruttore viene aperto. Diversamente dalla commutazione a freddo, in cui al momento della commutazione non è presente nessuna potenza del segnale, quella a caldo comporta una riduzione della durata dell'interruttore sulle superfici di contatto che dipende dalla grandezza della tensione a circuito aperto tra source e drain. Le schede tecniche degli interruttori MEMS contengono tabelle e grafici che mostrano l'effetto della commutazione a caldo su vita utile e cicli.

All'altra estremità dello spettro del ciclo on/off vi è un parametro chiamato COL (Continuously-On Lifetime). Si tratta di una situazione che si verifica spesso nella strumentazione, in cui un interruttore viene messo in condizione On per un periodo di tempo prolungato, cosa che può anche ridurre la vita del contatto di commutazione. Gli interruttori MEMS di Analog Devices sono progettati per avere un tempo medio fra i guasti (MTBF) COL di sette anni a 50 °C e di 10 anni a 85 °C. Questi valori sono confermati anche dalla prova accelerata di durevolezza.

Trattandosi di una tecnologia relativamente nuova, i potenziali utenti potrebbero guardare con una certa circospezione a questi interruttori RF basati su MEMS. A causa delle sollecitazioni elettriche e meccaniche, della temperatura e degli urti/vibrazioni, i loro timori si estendono poi anche altri aspetti dell'affidabilità a breve e a lungo termine. Ciò è particolarmente vero per le applicazioni di commutazione RF MEMS in sistemi militari/aerospaziali mission-critical, così come in sistemi per il settore automotive. Per alleviare tali preoccupazioni, Analog Devices ha condotto molti test stabiliti dal settore e da MIL (Tabella 2).

Tabella 2: Questo elenco parziale di test di qualificazione della tecnologia degli interruttori MEMS indica la vasta portata della qualificazione di affidabilità per questi dispositivi. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Progettazione di interruttori MEMS in un circuito

Sebbene gli interruttori RF basati su MEMS siano facili da applicare, sono un po' più complessi dei dispositivi elettromeccanici standard e le loro schede tecniche contengono diverse avvertenze di progettazione. In particolare, ricordano che tutti i terminali del percorso dell'interruttore devono essere collegati a un riferimento di tensione c.c. Può trattarsi di un riferimento a un altro componente attivo con un riferimento di tensione interna o un'impedenza a terra (un po' come non lasciare "flottante" un ingresso o un'uscita del gate CMOS). In caso contrario, potrebbero accumularsi cariche sui terminali e le tensioni sarebbero libere di fluttuare a livelli sconosciuti. Questo a sua volta può portare a un comportamento di azionamento inaffidabile che può danneggiare l'interruttore.

Le schede tecniche spiegano e illustrano alcuni modi involontari in cui possono verificarsi questi nodi flottanti e mostrano come aggirare il problema. Ad esempio, quando due dispositivi ADGM1304 sono utilizzati nella tradizionale disposizione in cascata, dei semplici resistori di shunt possono ridurre al minimo il potenziale problema (Figura 6).

Figura 6: L'installazione di resistori di shunt tra i terminali dell'interruttore e la terra eviterà la possibilità di cariche e accumuli di tensione che possono portare a un comportamento erratico e persino danneggiare l'interruttore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Anche se per gli interruttori RF MEMS le possibili applicazioni sono numerose, alcune stanno diventando sempre più evidenti e importanti. Per le comunicazioni wireless, comprese le radio mobili e gli smartphone, la tendenza è quella di aumentare il numero di bande e modalità che devono essere alloggiate in un'unica unità; lo standard 5G sta spingendo questo scenario ancora più avanti. Un filtro RF riconfigurabile dinamicamente può risolvere il problema permettendo di coprire più bande/modalità, con le dimensioni ridotte e l'alta velocità richieste.

A tale fine si può utilizzare una coppia di dispositivi ADGM1304 in un filtro passa banda riconfigurabile, che qui viene mostrato come una topologia ad accoppiamento induttivo, a terminazione singola in due sezioni nominalmente centrate su 400 MHz nella banda a frequenza ultra alta (UHF) (Figura 7). Gli interruttori MEMS sono collegati in serie con ognuno degli induttori di shunt che soddisfano i requisiti relativi a perdita di inserzione bassa e piatta, ampia larghezza di banda RF, basse correnti parassite, bassa capacità e alta linearità.

Figura 7: Una funzione sempre più richiesta per i telefoni wireless è la capacità di gestire più bande RF e modalità attraverso un unico percorso del segnale. Un filtro a induttore commutato che utilizza i dispositivi MEMS può fornire questa funzione in un ingombro ridotto e con alte prestazioni. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Gli interruttori collegano/scollegano gli elementi induttori raggruppati, da 15 nH a 30 nH che impostano la frequenza del filtro, mentre il loro basso R_on riduce l'impatto negativo che una resistenza in serie ha sul fattore di qualità (Q) dell'induttore di shunt. La progettazione mantiene anche la corrispondenza critica di 50 Ω sulle porte di ingresso e di uscita a tutte le impostazioni dell'interruttore.

Quando si progetta con RF nella regione dei gigahertz, oltre ai modelli e ai parametri S per la simulazione, occorre disporre di una scheda di valutazione idonea, in quanto i modelli non sono mai perfetti e non possono catturare tutte le sottigliezze del progetto vero e proprio. Per accelerare il time-to-market, ridurre al minimo la frustrazione dell'utente e consentire una valutazione completa e corretta del progetto, Analog Devices offre EVAL-ADGM1304 (Figura 8).

Figura 8: La scheda di valutazione per ADGM1304 non è solo comoda. È uno strumento che assicura che la valutazione delle prestazioni dei componenti sia effettuata in condizioni omogenee e consente anche sia la calibrazione che il test delle prestazioni dell'applicazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La scheda di valutazione comprende connettori SMA per i segnali RF, connettori SMB per i segnali di controllo degli interruttori e una linea di trasmissione "tramite calibrazione" incorporata per la calibrazione dell'analizzatore, oltre a un manuale utente dettagliato (UG-644).

Conclusione

Le applicazioni wireless proliferano e i requisiti di dimensioni, costi e prestazioni si fanno sempre più stringenti. Di conseguenza, grazie all'elevata velocità di commutazione, alle dimensioni ridotte, all'affidabilità a lungo termine e ad altre caratteristiche favorevoli, gli interruttori RF basati su MEMS rappresentano un'utile aggiunta al kit di strumenti dei progettisti.

Gli interruttori RF MEMS, come ADGM004 e ADGM1304 di Analog Devices, possono semplificare i progetti più datati e, allo stesso tempo, consentire ai progettisti di soddisfare le richieste di quelli più recenti per prodotti a frequenza superiore con maggiore densità del circuito. Per sfruttare al meglio le capacità dei dispositivi, i progettisti dispongono di un ampio supporto sotto forma di schede di valutazione, modelli e documentazione.