MEMS RF 스위치를 사용하여 고급 무선 설계 및 통합 문제 해결

넓은 대역폭의 고주파수 무선 통신이 확산되고 다중 무선 주파수(RF) 인터페이스와 안테나가 통합되면서 기존 RF 스위칭 방식의 한계가 확대되고 있습니다. 마이크로 일렉트로닉스 시스템(MEMS) 기술을 기반으로 하는 RF 스위치는 고급 무선 시스템 설계자들에게 발생하는 공간, 스위칭 속도, 프런트 엔드 필터링 및 유연성 문제를 해결하는 데 실행 가능하고 간편한 솔루션으로 등장했습니다.

이 기사에서는 먼저 기존의 전기 기계, 다양한 무접점 아날로그 및 PIN 다이오드를 비롯하여 RF 스위치에 대한 기존 접근 방식에 대해 알아봅니다. 그런 다음 Analog Devices를 예로 들어 MEMS 기반 RF 스위치의 주요 특성을 살펴봅니다. 그리고 설계자가 MEMS RF 스위치를 적용하는 방법을 이해하고 긴 수명과 안정적인 작동을 보장하는 데 유용한 성능 특성 및 사용 가능한 개발 지원에 대해 논의합니다.

RF 스위치 응용 분야 및 옵션

단일 안테나로 다중 무선 통신 통합을 지원하면서 다중 입력, 다중 출력(MIMO)에서 여러 안테나를 지원하거나, 원하는 내부 경로를 따라 신호를 전달하거나, 자동화 테스트 장비(ATE) 관련 스위칭 매트릭스를 관리하려면 RF 스위치가 필요합니다. RF 스위칭 동작에 단일 출력 경로로 전달할 많은 가능한 입력 신호 중 하나를 선택하는 작업이 포함될 수 있습니다. 또한 반대로 RF 스위칭을 사용하여 단일 신호를 지정된 많은 출력 경로 중 하나에 전달할 수도 있습니다.

최근까지 RF 스위칭은 주로 다음을 사용하여 구현되었습니다.

•기존 전기 기계 RF 스위치: 수동 또는 모터로 제어되며, 단일 12V/24V 회선 또는 USB 포트를 통해 원격 작동을 지원합니다. 이러한 스위치는 사용이 간편하고 동축 커넥터를 포함하며 수십 기가헤르츠의 탁월한 성능을 제공하지만, 작은 크기, 경량형 또는 고속 스위칭이 필요한 응용 분야에는 실용적이지 않습니다. 오래된 기술임에도 불구하고 여전히 널리 이용 가능하며, 많은 경우에 유일한 솔루션으로 사용됩니다.

•PIN 다이오드 기반 스위치: 이 스위치는 우수한 RF 성능과 높은 스위칭 속도를 제공합니다. 하지만 잠재적 특성을 구현하려면 전문 지식이 필요합니다. 이 스위치는 별도의 온/오프 제어 라인이 없는 2단자 장치로, DC 제어와 RF 경로를 입력으로 병합한 다음 출력으로 분리하기 위해 복잡하게 연결된 회로망이 필요합니다. 따라서 대부분의 PIN 기반 RF 스위치는 전체 모듈에 지원 회로망이 포함된 상태로 제공됩니다.

•전계 효과 트랜지스터(FET) 및 하이브리드 무접점 스위치: 이 스위치는 고급 반도체 소재와 프로세스를 사용하여 기본 저주파수 트랜지스터 스위치에 상응하는 RF를 제공하는 일종의 무접점 스위치입니다. 이 장치는 전자 스위치로서 온/오프를 빠르게 전환하고(마이크로초 이내) 설계를 간소화할 수 있지만, 분리 및 기타 성능 면에서 제한적입니다.

최근에는 MEMS 기반 RF 스위치가 실행 가능한 옵션으로 등장하여 현재 표준 제품으로 제공되고 있습니다. 이러한 장치는 일부 MEMS 가속도계에 사용되는 것과 유사한 캔틸레버형 MEMS 소자를 기반으로 하는 스위치 메커니즘을 사용하지만, RF 신호 경로에 MOM(Metal-on-Metal) 접점을 제공하는 전자 제어 스위치에 필요한 기능을 추가했습니다.

예를 들어 Analog Devices의 0Hz(DC) ~ 13GHz 단극 4투(SP4T) 스위치 ADGM1004와 유사한 DC ~ 14GHz SP4T 스위치 ADGM1304를 고려해 보십시오(그림 1).

그림 1: ADGM1004 MEMS 스위치 제품 구성도는 기본 SP4T 아키텍처와 기타 중요 기능(예: 정전기 방전(ESD) 보호 다이오드)을 보여줍니다. ADGM1304 스위치는 유사하지만 다이오드 수가 부족하고 몇 가지 세부 사양이 다릅니다. (이미지 출처: Analog Devices)

ADGM1004 및 ADGM1304는 소형(5mm × 4mm × 1.45mm) RF 호환 24핀 리드 프레임 칩 스케일 패키지(LFCSP) 내에서 일반 기계식 온/오프, 접점 폐쇄 기능을 구현합니다. 이 두 스위치는 30µs 이내에 전환할 수 있으며 DC ~ 13GHz 또는 14GHz(각각)의 대역폭을 사용합니다. 사양은 전반적으로 비슷하지만 저항(R_on), 3차 교차점(IIP3) 및 RF 전력(최대값)의 측면에서 미묘한 차이가 있습니다(표 1).

표 1: Analog Devices ADGM1004 및 ADGM1304 MEMS 기반 RF 스위치의 상위 사양은 성능이 비슷하며 큰 차이가 나지 않습니다. (이미지 출처: DigiKey)

기계식 MOM(Metal-to-Metal) 접점 폐쇄 장치인 이 두 스위치는 단일 에너지를 한 방향으로 흐르게 할 수 있습니다. 즉, 4극 중 하나의 신호를 공통 극으로 전달할 수 있습니다. 반대로 공통 극의 신호가 네 스위치 극 중 하나로 흐르게 할 수 있습니다.

MEMS RF 스위치 원리 및 구현

상당한 기술적 도약이 이루어졌기 때문에 개념적으로는 간단하지만 실행은 간단하지 않습니다. 이는 MEMS RF 스위치에도 적용됩니다. MEMS RF 스위치는 금속화된 팁을 스위칭 소자로 활용하는 미세 기공 캔틸레버 빔을 사용합니다. 스위치를 켜면 캔틸레버가 이동하여 해당 금속화된 표면과 접촉했다가 스위치를 끄면 분리되므로 설계 문제는 캔틸레버를 “작동”하는 방법에 있습니다. MEMS RF 스위치의 경우 정전기 작동을 통해 이 동작이 시작됩니다(그림 2). 스위치 단자를 일반적으로 “소스”, “게이트” 및 “드레인”이라고 하지만 여전히 스위칭 FET 장치가 아닌 스위칭 접점 폐쇄 장치입니다.

그림 2: MEMS RF 스위치는 원칙적으로 캔틸레버 빔(게이트)에 이동식 접점이 있는 금속 접점 쌍(소스 및 드레인)을 사용합니다. 여기서 이동식 접점은 정전기력에 의해 이동됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

다양한 면에서 MEMS RF 스위치는 기계식 계전기와 흡사하지만 접촉 작동식 전기자를 통해 마이크로미터 크기로 제작됩니다. 캔틸레버는 자기장이 아닌 정전기력에 의해 작동됩니다. 전체 스위치는 MEMS 특정 실리콘 IC 공정을 사용하여 제작되므로, 이 공정과 관련된 광범위한 설계 및 제조 전문 지식을 활용하여 생산량을 높이고 비용을 절감할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: MEMS RF 스위치의 실제 설계 및 구현에는 실리콘 및 기타 소재의 복잡한 레이어와 코팅 및 식각 영역이 포함됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

성능을 개선하고 DC 접점 저항과 RF 임피던스를 줄이기 위해 각 접촉 단자 극을 실제로 평행하게 제작했습니다. 이는 MEMS 기술 덕택에 가능했습니다(그림 4).

그림 4: 접점 DC 저항과 RF 임피던스를 줄이기 위해 MEMS 스위치의 접촉 단자 극을 평행한 여러 접촉 단자로 제작했습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

모든 전자 부품은 성능을 특정하는 데 사용되는 하나 이상의 성능 지수(FOM)가 있습니다. 스위치의 경우 가장 중요한 FOM 값 중 하나는 R_on에 오프 정전 용량(C_off)을 곱한 값입니다. 이 값을 일반적으로 R_onC_off 곱이라고 하며 fs 단위로 표시됩니다. R_onC_off의 하위 값은 하위 온 모드 삽입 손실과 상위 오프 모드 분리를 나타내며, 둘 다 유용한 특성입니다. 물론 DC, AC 전력선 및 저주파수 스위치의 경우 R_on이 우성 인자이고 C_off는 거의 관련이 없습니다. Analog Devices MEMS 스위치의 R_onC_off 곱은 8fs 미만으로 온/오프 모드 RF 성능이 매우 양호합니다.

구동 및 ESD가 설계를 복잡하게 하지만 실제 사용 안 함

특정 부품 등급과 관련하여 설계자가 우려하는 사항 중 한 가지는 구동 및 제어 방법과 이와 연관된 문제에 있습니다. 제어가 간단한 표준 논리 레벨 신호인 경우가 이상적입니다. PIN 다이오드 RF 스위치 연결 및 구동이 어렵다는 점이 이 스위치의 단점 중 하나라는 사실을 기억하십시오.

Analog Devices의 정전기 작동식 MEMS RF 스위치의 경우 스위칭 캔틸레버를 움직이려면 전계에 약 89V DC 전력이 필요하므로 처음에는 제어 구동 및 인터페이스가 설계 과제인 것처럼 보일 수도 있습니다. 하지만 이 3.1V ~ 3.3V MEMS 스위치는 DC/DC 부스트 회로가 별도 다이에 포함되어 있어서 외부 고전압 구동기 또는 공급 소스가 필요하지 않으므로 전혀 문제가 되지 않습니다(그림 5).

그림 5: 금속 리드 프레임에 전선이 연결된 RF 및 ESD 보호 다이가 위쪽에 실장되어 있는 ADGM1004 구동 IC(왼쪽) 및 MEMS 스위치 다이(오른쪽)를 보여줍니다(ADG1304의 경우 ESD 다이 없음). (이미지 출처: Analog Devices)

거의 모든 무접점 장치에서 한 가지 문제점은 ESD에 대한 감도입니다. 기존 기계식 RF 스위치에서는 원래 ESD에 크게 영향을 받지 않으므로 ESD 감도가 문제되지 않습니다. 이 ESD 감도 문제를 해결하기 위해 Analog Devices는 ESD 보호 소자를 포함시켰습니다. ADGM1004 패키지에 포함된 이 별도의 세 번째 소자는 MEMS 다이에 실장되며 사용자에게 투명하게 드러납니다. ESD 인체 모델(HBM) 정격으로 극 핀(RF1 ~ RF4) 및 일반 핀(RFC)의 경우 5kV를 제공하고, 모든 다른 핀의 경우 2.5kV를 제공합니다. ESD 보호가 필요하지 않은 응용 분야의 경우 ADGM1304는 이 보호 기능 소자를 제거하여 패키지가 더 얇고 대역폭이 더 넓습니다.

패키지 내의 두 활성 다이에도 불구하고 이 스위치는 위에 언급한 만큼 작으며, 이는 항상 기가헤르츠 RF의 긍정적인 요소입니다. 제어 신호는 CMOS/LVTTL 호환되므로 쉽게 사용할 수 있습니다.

작동, 성능, 신뢰성

주파수를 약 10MHz까지만 처리할 수 있는 아날로그 스위치 또는 PIN 다이오드 기술을 사용하는 무접점 RF 스위치와 달리 전기 기계 스위치 및 MEMS 스위치는 신호를 DC까지 처리할 수 있습니다. 관심 신호가 수백 메가헤르츠에서 수 기가헤르츠 범위 이내에 있으므로 이는 불필요한 성능 확장처럼 보일 수도 있습니다.

하지만 더 높은 주파수 기능과 함께 DC에 가깝거나 실제 DC 스위칭이 필요한 많은 RF 응용 분야가 있습니다. 여기에는 낮은 중간 주파수(IF)(예: 455kHz)를 사용하는 시스템과 RF 스펙트럼의 매우 넓은 슬라이스를 처리해야 하는 소프트웨어 정의 무선 통신(SDR)이 포함됩니다. 또한 RF 경로에서 매우 작은 애퍼처 단자(VSAT) 접시형 및 위성 TV/인터넷 액세스의 저소음 블록(LNB)에 위치한 안테나 프런트 엔드 전치 증폭기에 DC 전력을 제공하는 설계도 있습니다. 이러한 응용 분야에서는 작은 단일 부품을 통해 RF 신호와 함께 DC 전력을 스위칭 및 연결할 수 있다는 주요 설계 이점이 있습니다.

모든 기계 및 전기 기계 장치와 마찬가지로 코어 메커니즘의 수명은 유한합니다. 금속 전기 기계 RF 스위치의 경우 작동 수명 등급이 일반적으로 500만 주기 ~ 1000만 주기 사이입니다. 스위칭 시간이 대략 수십 밀리초일 경우 이 등급은 일반적으로 허용되는 정도입니다. 하지만 MEMS 기반 RF 스위치는 온/오프 시간이 훨씬 더 빠릅니다(ADGM1004 및 ADGM1304의 경우 30µs). 동적 MIMO 시스템 구성을 비롯하여 대부분의 대상 응용 분야에서는 1000만 주기가 수명 한도입니다. 하지만 MEMS 스위치는 정의된 신호 레벨과 전력 포락선 내에서 사용한다고 가정할 때 정격 10억 주기입니다. 이는 기존 기계 및 전기 기계 스위치에 비해 2배 더 우수한 수명 등급입니다.

전자 및 전기 기계 부품과 연관된 온도 순환 스트레스 이외에 MEMS 및 기존 전기 기계 RF 스위치의 수명에 영향을 미치는 다른 요소들이 있습니다. 그중에 “핫” 스위칭과 “콜드” 스위칭이 있습니다.

핫 스위칭은 스위치를 닫을 때 신호 발생기와 드레인 사이에 전압 차이가 존재하거나 스위치를 열 때 전류가 흐르는 경우에 발생합니다. 스위칭 시간에 신호 전력이 공급되지 않는 콜드 스위칭과 달리 핫 스위칭은 발생기와 드레인 사이의 개방 회로 전압의 크기에 따라 접촉 표면에서 스위치 수명이 단축됩니다. MEMS 스위치 규격서에는 핫 스위칭이 수명과 주기에 미치는 영향을 보여주는 표 및 차트가 있습니다.

온/오프 순환 스펙트럼의 반대쪽에는 COL(Continuously-On Lifetime)이라는 파라미터가 있습니다. 이 파라미터는 스위치를 오랫동안 온 상태로 유지하는 계측에서 종종 발생하는 상황으로, 스위치 접촉 수명이 저하될 수도 있습니다. 설계 및 가속 수명 시험을 통해 Analog Devices MEMS 스위치의 COL 평균 무고장 시간(MTBF) 등급이 50°C에서 7년, 85°C에서 10년으로 확인되었습니다.

상대적으로 새로운 기술인 이 MEMS 기반 RF 스위치는 전기 및 기계적 응력, 온도, 충격/진동 등으로 인한 단기 및 장기 신뢰성 측면을 걱정하는 잠재적 사용자가 조심스럽게 볼 수 있습니다. 핵심 군사/항공 우주 및 자동차 시스템의 MEMS RF 스위칭 응용 제품의 경우 특히 그렇습니다. 이러한 우려를 완화하기 위해 Analog Devices는 다양한 산업 및 MIL 정의 테스트를 실시했습니다(표 2).

표 2: MEMS 스위치 기술 자격 테스트의 이 부분 목록은 장치에 대한 신뢰성의 폭을 나타냅니다. (이미지 출처: Analog Devices)

회로에 MEMS 스위치 설계

MEMS 기반 RF 스위치는 적용하기 쉽지만 표준 전기 기계 장치보다 조금 더 복잡하며 규격서에 다양한 설계 주의 사항이 나와 있습니다. 주의 사항에는 모든 스위치 경로 단자를 DC 전압 레퍼런스에 연결해야 한다고 되어 있습니다. 이 레퍼런스는 접지에 대한 임피던스 또는 내부 전압 레퍼런스를 가진 다른 활성 부품일 수 있습니다(CMOS 게이트 입력 또는 출력을 “부동” 상태로 유지하는 것과 비슷함). 그렇지 않은 경우 단자에 전하가 축적되어 전압이 알 수 없는 레벨의 부동 상태로 유지될 수 있습니다. 이 경우 불안정한 액추에이션 동작으로 이어져서 스위치가 손상될 수 있습니다.

규격서에는 이러한 부동 노드가 발생할 수 있는 몇 가지 부주의한 방법을 설명하고 해결 방법을 보여줍니다. 예를 들어 두 ADGM1304 장치를 일반 계단식 배열로 사용할 경우 간단한 션트 저항기를 사용하여 잠재적 문제를 최소화할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 스위치 단자와 접지 사이에 션트 저항기를 설치하면 전하와 전압이 축적되어 불규칙한 동작이나 스위치 손상이 발생할 가능성이 없습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

MEMS RF 스위치와 관련하여 많은 응용 기회가 있으며, 일부는 점차 명확하고 중요해지고 있습니다. 모바일 앱과 스마트폰을 비롯한 무선 통신의 경우 단일 장치에서 수용해야 하는 대역 및 모드 수를 늘리는 추세입니다. 5G 표준에서는 이러한 추세가 더욱 확대되고 있습니다. 동적으로 재구성 가능한 RF 필터는 필요한 최소 크기와 높은 속도로 더 많은 대역/모드를 포함하도록 허용하여 이 문제를 해결할 수 있습니다.

초고주파(UHF) 대역에서 400MHz의 명목상 중심에 위치한 두 섹션에서 유도 결합된 단일 종단 토폴로지로 여기에 표시된 재구성이 가능한 대역 통과 필터에서 ADGM1304 장치 쌍을 사용하여 이를 실현할 수 있습니다(그림 7). 낮고 평탄한 삽입 손실, 넓은 RF 대역폭, 낮은 기생, 낮은 정전 용량 및 높은 선형성에 관한 요구 사항을 충족하는 각 션트 인덕터에 MEMS 스위치를 직렬로 연결합니다.

그림 7: 무선 핸드셋에서는 단일 신호 경로를 통해 여러 RF 대역 및 모드를 처리할 수 있는 기능이 점점 더 필요해지고 있습니다. MEMS 장치를 사용하는 스위치 인덕터 필터는 작은 실장 면적에서 우수한 성능으로 이 기능을 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 스위치는 필터 주파수를 설정하는 15nH ~ 30nH 집중 인덕터 소자를 연결/분리하고, 이 스위치의 낮은 R_on은 계열 저항이 션트 인덕터의 품질 계수(Q)에 미치는 부정적인 영향을 줄입니다. 또한 설계에서 모든 스위치 설정의 입력 및 출력 포트에서 중요한 50Ω 일치를 유지합니다.

시뮬레이션을 위한 모델 및 S 파라미터와 함께 기가헤르츠 이상 영역에서 RF로 설계할 경우 모델이 완벽하지 않고 실제 설계의 모든 세부 사항을 캡처할 수 없으므로 설계 도구로 적합한 평가 기판이 필요합니다. 출시 시간을 단축하고, 사용자 불만을 최소화하고, 전체적이고 공정한 설계 평가를 허용하기 위해 Analog Devices는 EVAL-ADGM1304를 제공합니다(그림 8).

그림 8: ADGM1304에 대한 평가 기판은 단순한 편의보다 훨씬 더 많은 이점을 제공하며, 일관된 조건에서 부품 성능 평가가 수행되도록 보장하고 보정 및 응용 제품 성능 시험을 허용하는 도구입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

평가 기판에는 RF 신호용 SMA 커넥터, 스위치 제어 신호용 SMB 커넥터, 분석기 보정을 위한 기판 실장 “보정 스루” 전송선, 세부 사용 안내서가 포함되어 있습니다(UG-644).

결론

무선 응용 분야가 확산되고 크기, 비용 및 성능 요구 사항이 더욱 까다로워지면서 MEMS 기반 RF 스위치는 빠른 스위칭 속도, 작은 크기, 장기적인 신뢰성 및 기타 유리한 특성들로 인해 설계자의 공구 키트에 유용성을 더해줍니다.

MEM RF 스위치(예: Analog Devices의 ADGM004 및 ADGM1304)는 이전 설계를 간소화할 수 있으므로 설계자는 높은 회로 밀도에 더 높은 주파수 제품을 요구하는 최신 설계 수요를 충족할 수 있습니다. 설계자가 장치의 기능을 최대한 활용할 수 있도록 돕기 위해 평가 기판, 모델 및 설명서의 형태로 포괄적인 지원을 제공합니다.