MEMS射频开关可在恶劣的军事环境中替代EMR

无论是在地面、空中、海上还是太空中运行，国防电子系统都面临着巨大的挑战，从广泛而快速的温度变化到极端的冲击和振动。他们必须在多年甚至数十年完美运行的同时忍受这些滥用，这就是为什么国防部、DARPA 和军事承包商不断探索能够满足严格军事规范的先进组件、材料和制造工艺的原因。最近的成功案例之一是用于射频应用的微机电系统 (MEMS)，其中射频开关就是一个很好的例子。

MEMS 技术克服了可能无法克服的挑战，主要但不完全是为了实现使用寿命和可靠性。通往成功的道路需要二十多年的大量研究和开发，并在此过程中留下了失败的尝试（和公司）的痕迹。

也就是说，这是值得的。与传统的机电继电器 (EMR) 相比，MEMS 射频开关的速度要快 1,000 倍，体积至少要小 90%，功耗仅为十分之一毫瓦，并且可以处理至少 20W CW 的射频输入功率。最先进的 MEMS 射频开关可以承受超过 30 亿次开关操作，而且它们的寿命很可能很快就会达到 200 亿次开关操作。

与 MEMS 开关最接近的竞争对手是固态器件。与 EMR 相比，它们更小、更快、更可靠。然而，固态开关比 MEMS 开关消耗更多的功率，产生的热量必须通过散热器或复杂的热管理方案消散。最后，半导体永远不会完全“关闭”，由此产生的泄漏电流会浪费功率。尽管工程师多年来一直在努力克服射频 EMR 和固态开关的缺点，但这些改进都是一系列妥协，而不是“理想”的解决方案。

严密的防守

MEMS 射频开关的可靠性和稳健性对航空航天和国防工业很感兴趣，因为这些设备必须在一个平台上运行数年或数十年。即使是单个开关的故障也可能产生灾难性的后果，尤其是当它位于子系统的关键部分时。此外，尺寸、重量、功率和成本是衡量国防或航空航天系统中所有组件的关键指标，而 MEMS 射频开关满足这些要求。例如，采用 2.5 × 2.5 × 0.9-mm 芯片级封装的单个 MEMS 开关可以替代多个 EMR，并且大型 MEMS 开关矩阵比单个 EMR 消耗更少的直流功率。

使 MEMS 射频开关变得可靠的最大障碍一直是金属疲劳问题，这会导致工作寿命短和可靠性问题，这阻碍了这些设备在市场上的应用。然而，合金的进步已经有效地消除了 MEMS 器件的失效机制。

通用电气 (GE) 的研究人员解决了大多数这些进步，包括金属疲劳。该公司需要能够为其断路器处理高水平交流和直流电源的开关技术，并发现当前的 MEMS 实施在苛刻或其他恶劣操作条件下的可靠性方面存在重大缺陷。

从 2004 年开始，GE 开始为 MEMS 设备开发高温、极其可靠的金属合金，这种合金可以承受极端工作温度而不会牺牲性能。关键挑战是如何大规模制造这些微型设备，并将它们配置为能够承受数千伏、数十安培和千瓦的射频功率，同时运行数年甚至数十年而不会出现故障。

GE 与多个行业合作伙伴于 2016 年创建了 Menlo Micro 作为一家独立公司，以进一步发展 MEMS 开关技术，其结果就是 Menlo Micro 所称的Ideal Switch。然后，Menlo Micro 在 GE 的研究基础上设计了自己的欧姆 MEMS 开关，使用电沉积合金创建了专有的制造工艺，并生产了具有金属导电性的静电驱动梁/接触结构。

在致动器金属疲劳方面，MEMS 器件具有固有的优势，因为虽然所有开关都采用金属梁进行致动，但 MEMS 开关致动器非常小，以至于它们的质量可以忽略不计。这意味着即使在极端冲击和振动条件下，大多数 EMR 在相同条件下都会失效，它们也可以提供一致的性能。即使在超过 100 g 的加速度下，这些开关仍然保持可靠，远远超过 EMR 可以适应的范围以及 IEC 60601/60068 标准和 MIL-STD 810G/H 对振动和冲击应力的要求。Ideal Switch 已暴露于 –196˚C 的液氮浴和温度低于 10 K 的量子计算稀释冰箱中，没有出现故障。

Menlo Micro 的开关采用玻璃通孔封装制造，采用短金属化通孔，可显着减小开关尺寸；消除射频和微波应用的引线键合；并将封装寄生效应降低 75% 以上。这项创新使 Ideal Switch 产品组合能够在 DC 至 26 GHz 范围内运行，即将推出的设计能够推动超过 60 GHz。

Menlo Micro 的最新射频开关 MM5120 SP4T 开关在 –40˚C 至 150˚C 的温度范围内工作，在 DC 至 18 GHz 的射频性能变化极小。它处理 25-W CW（150-W 脉冲）功率，三阶截点 (IIP3) 处的线性度大于 90 dBm。

该开关的通态插入损耗在 6 GHz 时仅为 0.4 dB，功耗小于 5 mW，并且具有保证的工作寿命，至少 30 亿次开关周期不会导致性能下降。表 1 显示了射频开关产品的性能摘要。

表 1：可用射频开关产品的性能总结

（来源：门罗微）

概括

EMR 已成为数十种射频应用的主要产品，从自动测试系统到电信设备再到防御系统，它不太可能很快从市场上消失。然而，现在 MEMS 射频开关的技术问题已经解决，EMR 的竞争对手没有它的限制，提供更好的性能、更低的成本、更小的数量级，并且可以更好地承受航空航天带来的严酷考验和防御系统。此外，MEMS 射频开关在线性度、泄漏和功率效率方面优于固态同类产品。

虽然 Menlo Micro 的 Ideal Switch 推出仅几年时间，但它已经实现了曾经被认为不可能的使用寿命，并将其频率范围扩展到毫米波区域，并继续提高其处理更高级别射频功率的能力。Ideal Switch 为防御系统设计人员提供了一种替代方案，可用于开关矩阵、接收器前端、可调谐滤波器、天线调谐器、设备接口板、数字步进衰减器以及 MIMO 天线阵列和有源电子转向阵列 (AESA) 雷达中的波束控制。

审核编辑：汤梓红