Der Artikel beschreibt die Theorie der HF-MEMS-Technologie auf Siliziumsubstratbasis und demonstriert die Machbarkeit der Implementierung eines HF-Schalters mit hoher Leistung, geringem Verlust und hoher Linearität. Kommerzielle Zweiton-Intermodulationstests zeigen einen IMD3 von 90 bis 110 dBm bei 850 MHz und 90 dBm bei 3,6 GHz.

Abbildung 9: Der Hochleistungs-HF-Schalter MM5130 von Menlo Micro bietet vier Hochleistungskanäle (SP4T) im Formfaktor 2,5 mm x 2,5 mm mit sehr geringer Einfügedämpfung bis 20 GHz. (Bild: Menlo Micro)

Schlüsselparameter von HF- und Mikrowellenschaltern sind geringe Einfügedämpfung, hohe Linearität, hohe Isolation und hohe Belastbarkeit. In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere wichtige Halbleitertechnologien entwickelt. Darunter sind Galliumarsenid (GaAs) und LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) die ausgereiftesten Technologien, insbesondere für niedrige Frequenzen und hohe Leistungen. In den letzten Jahren hat Galliumnitrid (GaN) seinen Weg in verschiedene sehr anspruchsvolle Anwendungen gefunden, und Silizium-auf-Isolator (SOI) oder Silizium-auf-Saphir (SOS) haben sich bei mobilen Antennenschalteranwendungen sehr erfolgreich durchgesetzt.

Wie in diesem Artikel vorgestellt, vermeidet ein MEMS-Schalter mit ohmschem Kontakt viele nichtlineare Effekte beim Schalten in Hochleistungskomponenten. Allerdings muss der Konstrukteur mit den mechanisch nichtlinearen Effekten vertraut sein, um die Vorteile des MEMS-Schalters mit ohmschen Kontakten voll auszuschöpfen.

Die elektrischen Leitungsmechanismen aller hier genannten Technologien basieren jedoch auf Minoritätsträgern in Halbleitern, was einem Design für hohe Leistung, hohe Frequenz und hohe Isolierung nicht zuträglich ist. Die Weiterentwicklung von Prozesstechnologien (für kleinere Geometrien), Halbleitermaterialien (für hohe Elektronenbeweglichkeit und Hochspannung) und Substratmaterial (zB Saphir zur Reduzierung von Leckströmen und damit zur Erzielung einer höheren Isolation) kann nur ein oder zwei Aspekte der Halbleiterleistung verbessern. aber nicht alles.

Bild 1: Die parasitären Elemente um das MEMS-Substrat und im Substrat selbst. Menlo Micro

Ab den späten 1990er Jahren begann die Forschung, sich mit der Technologie mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) zu befassen, um miniaturisierte mechanische Schalter zu bauen, die bis zu Millimeterwellenfrequenzen betreiben können. Die hohe Leitfähigkeit der Metallkontakte sorgt für deutlich geringere Einfügedämpfung, geringere Wärmeentwicklung und höhere Belastbarkeit als die entsprechenden Halbleiter-Pendants.

Es gibt zwei Haupttypen von MEMS-Schalterarchitekturen, solche mit kapazitiven und solche mit ohmschen Metallkontakten. Der kapazitiv geschaltete Kontakt gewinnt aufgrund seiner geringen Einfügedämpfung und hohen Isolation bei Antennenabstimmungsanwendungen mit geringer Leistung an Bedeutung. Es fehlt jedoch die breitbandige HF-Belastbarkeit und Linearität der HF-MEMS-Schalter mit ohmschem Kontakt. Um eine bestmögliche Sperrisolation und hohe Linearität zu erreichen, nutzten die MEMS-Forscher die Erkenntnisse ihrer Kollegen aus der Halbleiterindustrie und begannen, ohmsche Schaltkontakte aus normalem Silizium durch solche aus Keramik und hochohmigen (HiRes ) Si und Glassubstrate . Dieser Artikel präsentiert Analyse- und Charakterisierungsergebnisse sowie die guten Linearitätseigenschaften von HF-MEMS-Schaltern, die auf einem geschmolzenen Siliziumsubstrat (Quarzglas) hergestellt werden.

Bei einem Halbleiterschalter resultieren die wichtigsten nichtlinearen Effekte aus der Sättigung des Einschaltwiderstandes und der Modulation der Ausschaltkapazität durch Hochleistungssignale. Bei der Verwendung von Transistoren für eine Schaltfunktion werden mehrere Transistoren in Reihe geschaltet, um sie für Hochspannungsanwendungen, beispielsweise an der Antenne, geeignet zu machen. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Transistoren wird durch die Drain-Source-Durchbruchspannung (VDS) jedes Transistors relativ zum maximalen Spannungshub am Antennenanschluss bestimmt. Wenn ein Transistor vollständig eingeschaltet ist, wird die Nichtlinearität hauptsächlich durch seinen Einschaltwiderstand bestimmt. Ist der Transistor ausgeschaltet, wird die Linearität nicht nur durch die Sperrkapazität beeinflusst, sondern auch durch andere parasitäre Mechanismen, die bei Halbleitern üblich sind. Ein Nebeneffekt tritt auf, wenn höhere Leistungen einen hohen Spannungshub am Antennenanschluss erzeugen. Dieser hohe Spannungshub kann die dem Antennenport am nächsten liegenden Sperrtransistoren (über den VDS-Durchbruch hinaus) durch eine große Spannungsdifferenz beeinflussen, dh der Spannungsabfall wird nicht gleichmäßig auf jeden Transistor in der Reihenschaltungskette verteilt.

Abb. 2: Messergebnisse des gleichen Schalterlayouts, einmal aufgebaut auf Quarzglas (blau). und einmal auf 3000 Ωcm Si-Substrat (rot). Menlo Micro

Bei der Verwendung von PIN-Dioden für die Schaltfunktion gibt es Parameter, die sicherstellen, dass die Schaltung den Spannungsspitzen an der Antenne standhält. Die Nennspannung und der thermische Widerstand sind wichtige Parameter für Diodenschalter. Weitere Diodenparameter wie Serienwiderstand, Sperrschichtkapazität und die Dicke der intrinsischen Schicht bestimmen ebenfalls die maximale Belastbarkeit und Linearität.

MEMS-Schalter unterscheiden sich grundlegend von Halbleiterschaltern darin, wie sie auf nichtlineare Energie reagieren. Die Nichtlinearitäten von MEMS-Schaltern entstehen durch eine Kombination von mechanischen und elektrischen nichtlinearen Effekten. Diese Effekte übertragen Energie vom Grundsignal in andere Frequenzbänder, wo sie andere Signale stören. Ein Beispiel aus der Praxis ist, wenn sich zwei Inband-Sendesignale mischen und Energie in das benachbarte Empfangsband übertragen, wo sie die empfangenen Signale stören.

Beim ohmschen MEMS-Schaltkontakt entfallen die herkömmlichen Halbleiterverlustmechanismen aufgrund der MEMS-Struktur. Die limitierenden Faktoren in der Linearität von MEMS-Schaltern hängen von den Materialeigenschaften des Substrats, den metallurgischen Grenzflächen und den strukturmechanischen Eigenschaften ab, wie in Bild 1 dargestellt. Der Substratwiderstand und die Koppelkapazität bestimmen die Leistung des kleinen HF-Signals. Die resultierende Kleinsignalleistung einer ohmschen Kontaktteststruktur aus Quarzglas im Vergleich zu 3000 Ωcm HiRes-Silizium ist in Bild 2 dargestellt. Bei 20 GHz weist der auf Quarzglas aufgebaute Schalter eine 0,2 dB geringere Einfügedämpfung und eine 6 dB höhere Isolation auf. Für Hochleistungsanwendungen hat Quarzglas weniger Nichtlinearitätseffekte als HiRes-Silizium.

Abbildung 3: Der Hüllkurveneffekt, der durch die Addition zweier hochfrequenter Signale entsteht, erzeugt einen niederfrequenten Anteil bzw. eine Überlagerungsfrequenz. Menlo Micro

Bei einem MEMS-Schalter im geschlossenen Zustand führen die Gleichrichtungseffekte, bei denen die Signalspannung die Kontaktkraft moduliert, hauptsächlich zu Produkten der zweiten Harmonischen. Wenn sowohl positive als auch negative Spannungen zu einer erhöhten Kontaktkraft führen, ist das Ergebnis eine Kontaktkraft, die doppelt so schnell wie das Eingangssignal variiert. Bei Frequenzen oberhalb der mechanischen MEMS-Resonanzfrequenzen ist diese Quelle der Nichtlinearität im Allgemeinen sehr gering, da die Masse der MEMS-Schaltleiste als Tiefpassfilter wirkt und eine mechanische Dämpfung bewirkt.

Ähnlich verhält es sich bei einem geöffneten MEMS-Schalter: Diese Gleichrichtereffekte bewegen die MEMS-Schalterleiste mit der doppelten Geschwindigkeit des Eingangssignals. Die geringe Kapazitätsänderung während dieser Verschiebung ist ein Grund für die Nichtlinearität im geöffneten Zustand des Schalters.

Ein weiterer Beitrag zur Nichtlinearität sind Effekte, die von den das Substrat durchdringenden elektrischen und magnetischen Feldern herrühren. Dies führt zur zweiten und dritten Harmonischen. Bei einem MEMS-Schalter ist das Substrat oft der limitierende Faktor für die Linearität. Als Basissubstratmaterial für den ohmschen MEMS-Schalter wurde Quarzglas gewählt, um die nichtlinearen Beiträge deutlich zu begrenzen.

Während die meisten mechanischen Nichtlinearitätseffekte bei niedrigen Frequenzen auftreten, sollte bei mehreren hochfrequenten Trägern, die eng beabstandet sind, Vorsicht geboten werden. Dies kann zu Hüllkurveneffekten führen, die, wenn sie stark genug sind, die niederfrequenten mechanischen Nichtlinearitäten stimulieren können. Dies manifestiert sich normalerweise als Verschlechterung des Intermodulationsprodukts dritter Ordnung (IM3) oder in anderen Mehrtonlinearitätsmessungen. Dieselben nichtlinearen Effekte können auch durch amplitudenmodulierte Signale ausgelöst werden. Abbildung 3 veranschaulicht dieses Phänomen.

Das Signal-Rausch-Verhältnis der Oberwellen ist ein Maß für die Signalverzerrung des Gesamtsystems. Als etablierte Methode zur Überprüfung der Linearität werden normalerweise die 2. und 3. Harmonische verwendet, um die Linearität des Systems zu bewerten. Dieser Wert ist im Systemdesign sehr wichtig, um die Signalintegrität sicherzustellen. Traditionell werden harmonische Spitzen durch Filterung abgeschwächt. Aufgrund der überlegenen Oberschwingungsleistung des MEMS-Schalters können mehrere Systemvorteile realisiert werden: Eliminierung von Filtern, Reduzierung von Pfadverlusten, erhöhter Systemwirkungsgrad und weniger Komponenten.

Abb. 4: Blockschaltbild des Messaufbaus zur Oberwellenmessung. Menlo Micro

Abbildung 4 zeigt den allgemeinen Testaufbau für Oberwellenmessungen. Ein Signalgenerator liefert das erforderliche Eingangssignal, ein Tiefpassfilter entfernt Oberwellen am Signaleingang des Verstärkers. Der Ausgang des Verstärkers gelangt dann über Isolator und Bandpassfilter zum Prüfling / Prüfling (DUT). Der Isolator sorgt dafür, dass Reflexionen keine Mischprodukte am Verstärkerausgang verursachen, und der Bandpassfilter sorgt für die Reinheit des Signaleingangs von Oberwellen zum Prüfling. Am Ausgang des Testobjekts wird ein 30 dB Dämpfungsglied verwendet, um die Signalleistung am Eingang des Spektrumanalysators auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren. Ein programmierbarer Tuner wird zwischen dem Testobjekt und dem Dämpfungsglied für die Messungen des Harmonischen / Stehwellenverhältnisses (VSWR) verwendet. Dadurch kann das VSWR von 1:1 auf 5:1 modifiziert und die Phase von 0 bis 360° gesteuert werden. Die gemessene harmonische Wellenform in Bezug auf die Eingangsleistung des MEMS-Schalters ist in Abbildung 5 zusammen mit Daten von anderen Geräten dargestellt. Die gemessenen Harmonischen vs. VSWR-Daten für den MEMS-Schalter sind in Abbildung 6 dargestellt. Sie sind eine Worst-Case-Messung für jedes VSWR, da die Phase über 360° durchlaufen wird.

Abbildung 5: Oberschwingungen relativ zum Träger als Funktion des Eingangsleistungspegels. Menlo Micro

Wie in Abbildung 5 gezeigt, ist die Messung der 2. Harmonischen des Metallkontakt-MEMS durch die Grenzen des Testsystems begrenzt. Das harmonische Verhalten des Metallkontakt-MEMS 2 zeigt eine Verbesserung von 8 bis 10 dB im Vergleich zum Halbleiterschalter bei 30 dBm Eingangsleistung. Das harmonische Verhalten des Metallkontakt-MEMS 3 zeigt eine Verbesserung von 18 dB gegenüber dem Halbleiterschalter bei einer Eingangsleistung von 30 dBm.

Abbildung 6: Oberschwingungen relativ zum Träger als Funktion des VSWR. Menlo Micro

Eine Eigenschaft, die bei der Messung des ohmschen Schalters beobachtet wurde, ist die geringe harmonische Verzerrung bei höheren Eingangsleistungen. Dieses Ergebnis ermöglicht eine einfachere Skalierung des HF-MEMS-Schalters im Vergleich zu anderen Halbleitertechnologien über das gesamte Leistungsspektrum. Dieses Phänomen ist beim Vergleich der 3. Harmonischen ausgeprägter. Dieses Leistungsverhalten ergibt sich aus der Kombination der grundlegenden Vorteile des Metall-Metall-Kontakts mit denen des Quarzglas-Substrats.

Die Intermodulation zwischen den Frequenzkomponenten erzeugt zusätzliche Komponenten bei Frequenzen, nicht nur bei harmonischen Frequenzen (ganzzahligen Vielfachen) von beiden, wie harmonischer Verzerrung, sondern auch bei Summen- und Differenzfrequenzen der ursprünglichen Frequenzen und bei Summen und Differenzen von Vielfachen dieser Frequenzen . Intermodulation ist unerwünscht, da sie unerwünschte Signale erzeugt, oft in Form von Seitenbändern. In Funksystemen erhöht dies die belegte Bandbreite, was zu Nachbarkanalstörungen führt.

Abbildung 7: Blockschaltbild des Testaufbaus für passive Intermodulation. Menlo Micro

Abbildung 7 zeigt den Testaufbau für das IMD3. Es handelt sich um einen Zweitontest mit Signalgenerator und Verstärkerkette für jedes Signal. Die Signale werden kombiniert und gefiltert, um eine ausreichende Isolierung zwischen ihnen sicherzustellen. Das kombinierte Signal gelangt über einen Richtkoppler und einen Leistungsmesser zur Leistungsregelung zum Prüfling. Ein Bandpassfilter zur Unterdrückung der beiden Signale und zum Durchlassen des IMD-Signals sowie ein 30-dB-Dämpfer werden am Ausgang des Messobjekts verwendet, um die Leistung am Eingang des Spektrumanalysators auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren.

Abbildung 8: IP3 für MEMS und andere Technologien. Menlo Micro

IP3 (dBm) = PIN - 0,5 IMD3 (dBc), Formel (1)

Abbildung 9: Der Hochleistungs-HF-Schalter MM5130 von Menlo Micro bietet vier Hochleistungskanäle (SP4T) im Formfaktor 2,5 mm x 2,5 mm mit sehr geringer Einfügedämpfung bis 20 GHz. Menlo Micro

Die in Abbildung 8 gezeigten IP3-Daten stammen aus den Messungen des IMD3, die in Formel (1) genau beschrieben sind. Die Träger sind +30 dBm bei 1764 MHz und 1834 MHz. Die Daten der Metall-MEMS-Struktur liegen nahe an den Grenzwerten des Testsystems und sind 10 dB bzw. 15 dB besser als die IP3 für Silizium oder SOI. Die MEMS Switches wurden ebenfalls im 800 MHz Band mit +43 dBm gemessen, sie ergaben eine IP3 von +94 dBm. Ein verbessertes IP3 ermöglicht Modulationsverfahren höherer Ordnung, um eine zunehmende Bandnutzung in aktuellen und zukünftigen Kommunikationssystemen zu unterstützen.

Ich habe die AGB, die Informationen zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

Globes Elektronik GmbH & Co KG

Die Automobilindustrie durchlebt derzeit tiefgreifende Veränderungen. Gerade die Vernetzung macht aktuelle Fahrzeuge sicherer, komfortabler und erhält neue Funktionen. Dazu müssen Fahrzeuge verschiedene Funktechnologien unterstützen.Weiterlesen ...

Digitalisierung und Vernetzung bewirken eine der umfassendsten Transformationen, die das Auto seit seiner Erfindung durchlaufen hat. Der grundlegende Wandel betrifft Produkte und Technologien, Prozesse und Arbeitsweisen sowie Geschäftsmodelle und Beziehungen in der gesamten Automobilindustrie.

Wer wechselt, wer geht, wer ist neu? In dieser Bildergalerie finden Sie die gesammelten Personalentscheidungen und Entwicklungen der letzten Wochen und Monate.

Schaeffler Automotive Bühl GmbH & Co. KG

Schaeffler Automotive Bühl GmbH & Co. KG