無論是在地面、空中、海上還是太空中運(yùn)行，國防電子系統(tǒng)都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，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(shù)十年完美運(yùn)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(yán)格軍事規(guī)范的先進(jìn)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(yīng)用的微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)，其中射頻開關(guān)就是一個很好的例子。

MEMS 技術(shù)克服了可能無法克服的挑戰(zhàn)，主要但不完全是為了實(shí)現(xiàn)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(fā)，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(tǒng)的機(jī)電繼電器 (EMR) 相比，MEMS 射頻開關(guān)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(jìn)的 MEMS 射頻開關(guān)可以承受超過 30 億次開關(guān)操作，而且它們的壽命很可能很快就會達(dá)到 200 億次開關(guān)操作。

與 MEMS 開關(guān)最接近的競爭對手是固態(tài)器件。與 EMR 相比，它們更小、更快、更可靠。然而，固態(tài)開關(guān)比 MEMS 開關(guān)消耗更多的功率，產(chǎn)生的熱量必須通過散熱器或復(fù)雜的熱管理方案消散。最后，半導(dǎo)體永遠(yuǎn)不會完全“關(guān)閉”，由此產(chǎn)生的泄漏電流會浪費(fèi)功率。盡管工程師多年來一直在努力克服射頻 EMR 和固態(tài)開關(guān)的缺點(diǎn)，但這些改進(jìn)都是一系列妥協(xié)，而不是“理想”的解決方案。

嚴(yán)密的防守

MEMS 射頻開關(guān)的可靠性和穩(wěn)健性對航空航天和國防工業(yè)很感興趣，因?yàn)檫@些設(shè)備必須在一個平臺上運(yùn)行數(shù)年或數(shù)十年。即使是單個開關(guān)的故障也可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，尤其是當(dāng)它位于子系統(tǒng)的關(guān)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(tǒng)中所有組件的關(guān)鍵指標(biāo)，而 MEMS 射頻開關(guān)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(guān)可以替代多個 EMR，并且大型 MEMS 開關(guān)矩陣比單個 EMR 消耗更少的直流功率。

使 MEMS 射頻開關(guān)變得可靠的最大障礙一直是金屬疲勞問題，這會導(dǎo)致工作壽命短和可靠性問題，這阻礙了這些設(shè)備在市場上的應(yīng)用。然而，合金的進(jìn)步已經(jīng)有效地消除了 MEMS 器件的失效機(jī)制。

通用電氣 (GE) 的研究人員解決了大多數(shù)這些進(jìn)步，包括金屬疲勞。該公司需要能夠?yàn)槠鋽嗦菲魈幚砀咚浇涣骱椭绷?a target="_blank">電源的開關(guān)技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的 MEMS 實(shí)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(shè)備開發(fā)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(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何大規(guī)模制造這些微型設(shè)備，并將它們配置為能夠承受數(shù)千伏、數(shù)十安培和千瓦的射頻功率，同時運(yùn)行數(shù)年甚至數(shù)十年而不會出現(xiàn)故障。

GE 與多個行業(yè)合作伙伴于 2016 年創(chuàng)建了 Menlo Micro 作為一家獨(dú)立公司，以進(jìn)一步發(fā)展 MEMS 開關(guān)技術(shù)，其結(jié)果就是 Menlo Micro 所稱的Ideal Switch。然后，Menlo Micro 在 GE 的研究基礎(chǔ)上設(shè)計了自己的歐姆 MEMS 開關(guān)，使用電沉積合金創(chuàng)建了專有的制造工藝，并生產(chǎn)了具有金屬導(dǎo)電性的靜電驅(qū)動梁/接觸結(jié)構(gòu)。

在致動器金屬疲勞方面，MEMS 器件具有固有的優(yōu)勢，因?yàn)殡m然所有開關(guān)都采用金屬梁進(jìn)行致動，但 MEMS 開關(guān)致動器非常小，以至于它們的質(zhì)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(shù) 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(guān)仍然保持可靠，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 EMR 可以適應(yīng)的范圍以及 IEC 60601/60068 標(biāo)準(zhǔn)和 MIL-STD 810G/H 對振動和沖擊應(yīng)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(xiàn)故障。

Menlo Micro 的開關(guān)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(guān)尺寸；消除射頻和微波應(yīng)用的引線鍵合；并將封裝寄生效應(yīng)降低 75% 以上。這項(xiàng)創(chuàng)新使 Ideal Switch 產(chǎn)品組合能夠在 DC 至 26 GHz 范圍內(nèi)運(yùn)行，即將推出的設(shè)計能夠推動超過 60 GHz。

Menlo Micro 的最新射頻開關(guān) MM5120 SP4T 開關(guān)在 –40?C 至 150?C 的溫度范圍內(nèi)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(diǎn) (IIP3) 處的線性度大于 90 dBm。

該開關(guān)的通態(tài)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(guān)周期不會導(dǎo)致性能下降。表 1 顯示了射頻開關(guān)產(chǎn)品的性能摘要。

表 1：可用射頻開關(guān)產(chǎn)品的性能總結(jié)

（來源：門羅微）

概括

EMR 已成為數(shù)十種射頻應(yīng)用的主要產(chǎn)品，從自動測試系統(tǒng)到電信設(shè)備再到防御系統(tǒng)，它不太可能很快從市場上消失。然而，現(xiàn)在 MEMS 射頻開關(guān)的技術(shù)問題已經(jīng)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(shù)量級，并且可以更好地承受航空航天帶來的嚴(yán)酷考驗(yàn)和防御系統(tǒng)。此外，MEMS 射頻開關(guān)在線性度、泄漏和功率效率方面優(yōu)于固態(tài)同類產(chǎn)品。

雖然 Menlo Micro 的 Ideal Switch 推出僅幾年時間，但它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了曾經(jīng)被認(rèn)為不可能的使用壽命，并將其頻率范圍擴(kuò)展到毫米波區(qū)域，并繼續(xù)提高其處理更高級別射頻功率的能力。Ideal Switch 為防御系統(tǒng)設(shè)計人員提供了一種替代方案，可用于開關(guān)矩陣、接收器前端、可調(diào)諧濾波器、天線調(diào)諧器、設(shè)備接口板、數(shù)字步進(jìn)衰減器以及 MIMO 天線陣列和有源電子轉(zhuǎn)向陣列 (AESA) 雷達(dá)中的波束控制。

審核編輯：湯梓紅