MEMS射頻開關可在惡劣的軍事環境中替代EMR

無論是在地面、空中、海上還是太空中運行，國防電子系統都面臨著巨大的挑戰，從廣泛而快速的溫度變化到極端的沖擊和振動。他們必須在多年甚至數十年完美運行的同時忍受這些濫用，這就是為什么國防部、DARPA 和軍事承包商不斷探索能夠滿足嚴格軍事規范的先進組件、材料和制造工藝的原因。最近的成功案例之一是用于射頻應用的微機電系統 (MEMS)，其中射頻開關就是一個很好的例子。

MEMS 技術克服了可能無法克服的挑戰，主要但不完全是為了實現使用壽命和可靠性。通往成功的道路需要二十多年的大量研究和開發，并在此過程中留下了失敗的嘗試（和公司）的痕跡。

也就是說，這是值得的。與傳統的機電繼電器 (EMR) 相比，MEMS 射頻開關的速度要快 1,000 倍，體積至少要小 90%，功耗僅為十分之一毫瓦，并且可以處理至少 20W CW 的射頻輸入功率。最先進的 MEMS 射頻開關可以承受超過 30 億次開關操作，而且它們的壽命很可能很快就會達到 200 億次開關操作。

與 MEMS 開關最接近的競爭對手是固態器件。與 EMR 相比，它們更小、更快、更可靠。然而，固態開關比 MEMS 開關消耗更多的功率，產生的熱量必須通過散熱器或復雜的熱管理方案消散。最后，半導體永遠不會完全“關閉”，由此產生的泄漏電流會浪費功率。盡管工程師多年來一直在努力克服射頻 EMR 和固態開關的缺點，但這些改進都是一系列妥協，而不是“理想”的解決方案。

嚴密的防守

MEMS 射頻開關的可靠性和穩健性對航空航天和國防工業很感興趣，因為這些設備必須在一個平臺上運行數年或數十年。即使是單個開關的故障也可能產生災難性的后果，尤其是當它位于子系統的關鍵部分時。此外，尺寸、重量、功率和成本是衡量國防或航空航天系統中所有組件的關鍵指標，而 MEMS 射頻開關滿足這些要求。例如，采用 2.5 × 2.5 × 0.9-mm 芯片級封裝的單個 MEMS 開關可以替代多個 EMR，并且大型 MEMS 開關矩陣比單個 EMR 消耗更少的直流功率。

使 MEMS 射頻開關變得可靠的最大障礙一直是金屬疲勞問題，這會導致工作壽命短和可靠性問題，這阻礙了這些設備在市場上的應用。然而，合金的進步已經有效地消除了 MEMS 器件的失效機制。

通用電氣 (GE) 的研究人員解決了大多數這些進步，包括金屬疲勞。該公司需要能夠為其斷路器處理高水平交流和直流電源的開關技術，并發現當前的 MEMS 實施在苛刻或其他惡劣操作條件下的可靠性方面存在重大缺陷。

從 2004 年開始，GE 開始為 MEMS 設備開發高溫、極其可靠的金屬合金，這種合金可以承受極端工作溫度而不會犧牲性能。關鍵挑戰是如何大規模制造這些微型設備，并將它們配置為能夠承受數千伏、數十安培和千瓦的射頻功率，同時運行數年甚至數十年而不會出現故障。

GE 與多個行業合作伙伴于 2016 年創建了 Menlo Micro 作為一家獨立公司，以進一步發展 MEMS 開關技術，其結果就是 Menlo Micro 所稱的Ideal Switch。然后，Menlo Micro 在 GE 的研究基礎上設計了自己的歐姆 MEMS 開關，使用電沉積合金創建了專有的制造工藝，并生產了具有金屬導電性的靜電驅動梁/接觸結構。

在致動器金屬疲勞方面，MEMS 器件具有固有的優勢，因為雖然所有開關都采用金屬梁進行致動，但 MEMS 開關致動器非常小，以至于它們的質量可以忽略不計。這意味著即使在極端沖擊和振動條件下，大多數 EMR 在相同條件下都會失效，它們也可以提供一致的性能。即使在超過 100 g 的加速度下，這些開關仍然保持可靠，遠遠超過 EMR 可以適應的范圍以及 IEC 60601/60068 標準和 MIL-STD 810G/H 對振動和沖擊應力的要求。Ideal Switch 已暴露于 –196?C 的液氮浴和溫度低于 10 K 的量子計算稀釋冰箱中，沒有出現故障。

Menlo Micro 的開關采用玻璃通孔封裝制造，采用短金屬化通孔，可顯著減小開關尺寸；消除射頻和微波應用的引線鍵合；并將封裝寄生效應降低 75% 以上。這項創新使 Ideal Switch 產品組合能夠在 DC 至 26 GHz 范圍內運行，即將推出的設計能夠推動超過 60 GHz。

Menlo Micro 的最新射頻開關 MM5120 SP4T 開關在 –40?C 至 150?C 的溫度范圍內工作，在 DC 至 18 GHz 的射頻性能變化極小。它處理 25-W CW（150-W 脈沖）功率，三階截點 (IIP3) 處的線性度大于 90 dBm。

該開關的通態插入損耗在 6 GHz 時僅為 0.4 dB，功耗小于 5 mW，并且具有保證的工作壽命，至少 30 億次開關周期不會導致性能下降。表 1 顯示了射頻開關產品的性能摘要。

表 1：可用射頻開關產品的性能總結

（來源：門羅微）

概括

EMR 已成為數十種射頻應用的主要產品，從自動測試系統到電信設備再到防御系統，它不太可能很快從市場上消失。然而，現在 MEMS 射頻開關的技術問題已經解決，EMR 的競爭對手沒有它的限制，提供更好的性能、更低的成本、更小的數量級，并且可以更好地承受航空航天帶來的嚴酷考驗和防御系統。此外，MEMS 射頻開關在線性度、泄漏和功率效率方面優于固態同類產品。

雖然 Menlo Micro 的 Ideal Switch 推出僅幾年時間，但它已經實現了曾經被認為不可能的使用壽命，并將其頻率范圍擴展到毫米波區域，并繼續提高其處理更高級別射頻功率的能力。Ideal Switch 為防御系統設計人員提供了一種替代方案，可用于開關矩陣、接收器前端、可調諧濾波器、天線調諧器、設備接口板、數字步進衰減器以及 MIMO 天線陣列和有源電子轉向陣列 (AESA) 雷達中的波束控制。

審核編輯：湯梓紅