Ренди Ричардс, Гектор Де Лос Сантос (перевод А. Федянович)

MEMS-устройства для СВЧ-приложений: новая волна. Часть II

В настоящее время технология микроэлектромеханических систем (MEMS) является одним из самых революционных направлений в разработке изделий радио- и СВЧ-диапазона. Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к современным и перспективным изделиям СВЧ-техники, является снижение их веса, объёма, потребляемой мощности и стоимости одновременно с повышением их функциональности, рабочей частоты и уровня интеграции.Реализацию данных требований обеспечивают новые СВЧ-компоненты, изготовленные по MEMS-технологии с использованием системного подхода к построению их архитектуры.В первой части статьи, опубликованной в "Chip News" № 7 за 2001 год, были сформулированы требования к СВЧ-системам и установлен необходимый потенциал MEMS для удовлетворения этих требований. В части II мы остановимся на тех поистине революционных возможностях, которые открывает MEMS-технология в системной интеграции и создании новых архитектур.

Интерес к использованию MEMS-технологии в СВЧ-диапазоне является следствием её гибкости. Она позволяет преодолеть ограничения, присущие интегрированным СВЧ-устройствам, и реализовать схемы совершенно иного уровня. Поэтому конечной целью применения MEMS в СВЧ-технике является расширение преимуществ уровня устройства до уровня системы и достижение беспрецедентных характеристик конечного продукта, как показано на рис. 1. Ниже будут рассмотрены работающие образцы схем MEMS.

Рисунок 1. Типичная цепь распространения преимуществ для ВЧ MEMS

Схемы MEMS на катушках индуктивности

Катушки индуктивности являются ключевыми элементами резонансных контуров, обеспечивающих, в частности, согласование импеданса сети, работу малошумящих усилителей и генераторов, управляемых напряжением (ГУН).

Увеличение коэффициента усиления, рассеяние мощности или наличие фазовых шумов в таких схемах приводит, в свою очередь, к необходимости объединения MEMS-катушек индуктивности на одном кристалле. Возможно, наиболее ярким примером достижений, полученных в результате использования MEMS-катушек индуктивности, является первая демонстрация резонансного СВЧ-усилителя с комплементарным металло-оксидным транзистором, проведённая Chang, Abidi и Gaitan.

На рис. 2 показаны сравнительные характеристики усилителей с удалённой и неудалённой подложками катушки индуктивности.

Рисунок 2. СВЧ CMOS-усилитель с подвешенной MEMS-катушкой индуктивности (а), поперечное сечение катушки индуктивности (в) и её характеристики (с)

Применение MEMS-катушки индуктивности даёт выигрыш по усилению на 12 дБ и удвоенное увеличение резонансной частоты.

MEMS-схемы, основанные на варакторе

Варакторы являются существенными компонентами везде, где требуется настройка схемы (например, в различных согласующих схемах и ГУН).

Поскольку тенденция уменьшения размеров сохраняется и в данном случае, а хорошие полупроводниковые варакторы, к сожалению, не могут быть изготовлены с использованием традиционных технологий, применяемых при производстве интегральных микросхем, необходимыми характеристиками обладают только MEMS-варакторы. Вот пример последнего из достижений исследователей Dec и Suyama, которые, используя параллельный плоский конденсатор 1,4 пФ (Q = 14 на частоте 2 ГГц), изготовленный по стандартной технологии микрообработки поверхности поликристаллического кремния, продемонстрировали работу ГУН на частоте 2,4 ГГц с фазовым шумом 122 dBc/Гц при отстройке от несущей частоты на 1 МГц и возможностью перестройки диапазона на 3,4% относительно изменяющегося напряжения 5 В.

MEMS-схемы, основанные на переключателе

Прототип MEMS-переключателя в диапазоне частот от 0 до 4 ГГц обеспечивает величину вносимых потерь около 0,1 дБ и развязку на уровне 50 дБ.

Это демонстрирует их большой потенциал для замены полупроводниковых переключателей, обладающих значительно большими потерями и потребляющих больше энергии. Сюда же относятся и T/R-переключатели, фазосдвигатели, переключаемые фильтры, перекрёстные мультиплексоры, перестраиваемые антенны и фазированные решётки.

В этой области в последнее время создан многополосный 4-бит фазосдвигатель с усреднёнными вносимыми потерями всего лишь 1,4 дБ и обратными потерями более чем 11 дБ (рис. 3).

Рисунок 3. 4-бит фазосдвигатель Х-полосы

Схемы на микрообработанных объемных резонаторах

Хорошо известно, что добротность Q объёмного резонатора пропорциональна его объёму. Поэтому естественно рассматривать использование объёмных резонаторов в традиционных схемах и приложениях, в которых уровень частот и быстродействия не может быть реализован по-иному.

Это схемы генераторов, ГУН и фильтров. Последний пример: MMIC (монолитная СВЧ-интегральная схема), представляющая собой генератор частоты 33,2 ГГц, стабилизированный микрообработанным объёмным резонатором, показанным на рис. 4, который обеспечивает фазовый шум 113 dBc/Гц при отстройке 1 МГц, что на 18 дБ лучше, чем MMIC без стабилизации.

Рисунок 4. ГУН на микрообработанных резонаторных полостях; схема (а) и вид сверху (в) объёмного генератора, смонтированного в волноводном корпусе WR-28

Схемы на микромеханическом резонаторе

На низких частотах объёмные резонаторы имеют чрезмерно большие размеры. Микромеханические резонаторы в этом плане становятся весьма привлекательными, так как их резонансная частота пропорциональна квадратному корню отношения плотности к массе (stiffness-to-mass ratio).

Таким образом, развитие направления MEM-резонаторов даёт значительный эффект, особенно для создания фильтров.

В настоящее время резонансная частота находится значительно ниже 1 ГГц (на уровне 156 МГц), и добротность Q, измеренная в условиях вакуума, приближается к 9400.

Продемонстрированы фильтры, работающие на частотах от нескольких кГц до нескольких МГц. Рис. 5 показывает эквивалентную схему и отклик фильтра с двумя резонаторами, работающего на частоте 7,8 МГц.

Рисунок 5. Tico-резонаторный MEMS фильтр (a), характеристика (б) и модель схемы (в)

Схемы на линиях передачи

Линии передачи широко используются в СВЧ-электронике, поскольку они играют роль ключевых элементов многих схем и систем, дополняя схемы, заключенные в них самих. Ряд схем, используемых различными типами линий (а именно, фильтрами, диплексерами и антеннами), показаны на рис. 6

Рисунок 6. Внешний вид изготовленных микрообработкой К-полосного диплексера сверху (а) и снизу (б), частотная характеристика (в) и G-полосная волноводная антенна микрообработки (от 140 до 220 ГГц) (г)

СВЧ MEMS системная интеграция и новые архитектуры

Требование увеличения мощности портативных средств связи чрезвычайно заостряет проблему интеграции. В самом деле, в таких изделиях, как сотовые телефоны, радиосети, радары, системы LMDS, MMDS, антенны с управляемой диаграммой направленности и спутниковая связь, задачи сокращения стоимости, потребляемой мощности и веса остаются первостепенными. Одной из многообещающих новаций MEMS является возможность увеличения степени интеграции СВЧ-компонентов, что позволяет сделать гигантские шаги в области системной интеграции и новых архитектур, направленных на выполнение современных требований.

Подходы к СВЧ MEMS-монтажу в радиосистемах

Возможны два подхода к СВЧ MEMS- монтажу - "снизу вверх" и "сверху вниз".

Подход "снизу вверх" предполагает простую замену СВЧ-элементов на новые MEMS-устройства согласно заранее разработанной архитектуре. В сценарии "сверху вниз" необходимо начинать с разработки системной архитектуры, не подверженной предубеждению обычных ограничений, навязанных обычными СВЧ-компонентами.

Типичный пример подхода "снизу вверх" показан на рис. 7 при обычной архитектуре приёмопередатчика. В данном контексте ясно, что пассивные компоненты вне микросхемы, переключатели, фильтры, ГУН, смесители, генераторы и диплексеры являются кандидатами на непосредственную замену их на MEMS-дубликаты. Другим приме-ром построения "снизу вверх" может быть фазированная антенная решётка (ФАР).

Рисунок 7. Упрощённая архитектура обычного приёмопередатчика

В самом деле, поскольку MEM-переключатели требуют наноджоулевую энергию переключения и постоянно - энергию "виртуального нуля", не нужно большого воображения, чтобы представить ФАР, содержащие на несколько порядков величин больше элементов, чем можно предвидеть при замене обычных переключателей.

С другой стороны, в литературе уже появилось определённое число утверждений, основанных на подходе "сверху вниз", особенно в отношении приёмопередатчиков. Две концепции приёмника показаны на рис. 8.

Рисунок 8. Основанный на MEMS приёмопередатчик (а), использующий MEMS настраиваемый фильтр передней кромки (в) с наборами IF фильтров акустического резонанса

Верхний вариант использует перестраиваемый входной фильтр, который позволяет повысить интеграцию схемы благодаря резкому снижению промежуточной частоты. Второй вариант использует коммутируемый набор акустических резонансных фильтров, благодаря чему происходит упрощение системы из-за используемого при этом фиксированного первого гетеродина.

Аналогичный подход показан на рис. 9. Здесь выбор полосы приёма осуществляется матрицей коммутируемых фильтров со схемами согласования.

Рисунок 9. Архитектура переключаемого приёмника переднего края

Возможности следующей волны: создание согласованной системы

Без подходящей среды создание и своевременная разработка, а также быстрое развёртывание производства систем, базирующихся на MEMS-тех-нологиях и изделиях, фактически безнадёжно - из-за масштабности проектов, а также сложной физической и многодоменной природы устройств MEMS.

Таким образом, инструменты для проектирования MEMS-изделий становятся весьма существенным условием появления систем, основанных на СВЧ MEMS.

Инструменты CAD (автоматизированного проектирования) обеспечивают среду, в которой имеются все аспекты проектирования и производства MEMS-устройства: от принципов физического моделирования до системного уровня моделей устройства.

Типовой цикл проектирования устройства СВЧ MEMS показан на рис. 10.

Рисунок 10. Последовательность создания СВЧ MEMS-устройств

Использующий механические и электрические спецификации, процесс проектирования интерактивен до тех пор, пока обе спецификации не устанавливаются на необходимое место в проекте. Внутри итерационных петель обратной связи может быть использовано специальное программное обеспечение для корректировки проекта в плане отработки некоторых потенциальных внешних воздействий и производство устройств и сами устройства. Таковыми могут быть, например, удары упаковки, нагрузка в процессе производства или изменение температуры и влажности. Процесс проектирования заканчивается кратким файлом S-параметров и/или моделью определённого порядка для последующего использования в моделирующем устройстве.