RF MEMS para Estaciones Base
Arquitecturas de Estaciones Base

Hoy en día, el proveedor de infraestructura tiene que ofrecer una gran variedad de productos de estaciones base
Variantes de una estación base para satisfacer la mayoría de las necesidades de los operadores. Además de tener que ofrecer compatibilidad con varios estándares, tales como GSM, UMTS, CDMA, hay también varias bandas de frecuencia en las que el sistema puede operar. Más aun, hay también varios niveles / clases de potencia RF. Suponiendo que haya que ofrecer compatibilidad con 4 estándares, 11 bandas de frecuencia y 5 niveles de potencia de salida, habrían 220 productos diferentes, según se exhibe en la Figura 9.

Desde luego, una gran fracción de todas las combinaciones potenciales, o son irrelevantes para el mercado, o no están reflejadas en los estándares. Suponiendo que se descarte el 85% de las combinaciones, el 15% restante todavía implicaría 33 diferentes variantes. Desde la perspectiva de la cadena de suministro, es altamente deseable el lograr un alto nivel de concordancia entre las variantes restantes, ya que el método clásico de un producto de estación base dedicado para cada situación especifica ocasiona el que se pierdan una multitud de
efectos sinérgicos.

Examinando el resto de las variantes, se puede apreciar que las variantes más grandes se encuentran en las bandas de frecuencia. Las variantes a lo largo del eje de los estándares pueden circumscribirse a sólo dos estándares grandes para el futuro, los cuales son UMTS y CDMA, incluyendo sus evoluciones HSDPA y EVDO. Y de todos modos, UMTS y CDMA pertenecen a la misma familia de sistemas de códigos múltiples (“code multiplex systems”), con diferencias promordialmente reflejadas en el procesamiento de la banda base y diferencias que se limitan al sector de la radio. Con respecto a las clases deÇ potencia, la limitación a dos niveles podría ser aceptable también. En última instancia, esto significa que el eje de banda de frequencia (“Frequency band”) es el mayor contribuyente a las variantes. Esto, a su vez, obliga a un proveedor de infraestructura a buscar tecnología que facilite una radio unificada que pueda servir múltiples bandas de frecuencia. “Servir” aqui significa que una u otra banda de frecuencia podrá seleccionarse.


No significa que habría que proveer acceso a las diferentes bandas simultáneamente. En la literatura, esto es denominado una radio reconfigurable. Reconfiguración se refiere a que las caracteristicas RF pueden redefinirse mediante programación o “software”, no mediante una modificación manual o sintonización. Desde ésta perspectiva, uno diría que tal radio es una radio definida
por software, pero en el dominio analógico. Ésta es una noción más amplia del término “radio definida por
software” (“Software defined radio”—SDR) para permitir que las propiedades de las etapas procesadoras de señales sean definidas por software, no solamente en lo que respecta a lo digital sino, también, en el dominio analógico (RF)

Para distinguir la noción clásica de la tecnología de la radio definida por software, la cual se enfoca pricipalmente en la parte digital de una radio, de la nueva noción del SDR, incluyendo ahora también las etapas analógicas, una terminología adicional se está estableciendo en la literatura, a saber, la de “radio de frecuencia ágil” o “radio reconfigurable”. Agilidad de frecuencia se refiere a la capacidad de la radio para operar en múltiples bandas, mientras que SDR en el pasado contemplaba únicamente la capacidad para operar en múltiples estándares. De manera que la capacidad de múltiples bandas está reflejada en la radio y la capacidad para estándares múltiples está primordialmente reflejada en el sector que procesa la banda base. La capacidad de potencia de salida está entonces definida por el tamaño del amplificador de potencia.

En el contexto de una estación base, es muy deseable el que no sólo la radio, sino también otras etapas RF ofrezcan agilidad de frecuencia. Esto significa que también el amplificador de potencia y los filtros, como los duplexores, deben poseer agilidad de frecuencia o, en otras palabras, deben ser reconfigurables La Figura 10 muestra el concepto de la estación base con
agilidad de frecuencia.

Si todas las etapas relacionadas a la RF fueran reconfigurables por software, entonces también la reconfiguración remota de la banda de frecuencia de operación de una estación base sería factible. En el caso de estaciones base, se evitaría el visitarla para efectuar la reconfiguración, ya que esto implica enormes costos y largos periodos en los que la estación base estaría fuera de servicio.

Varios niveles de reconfiguración pueden imaginarse:

a) Reconfiguración al enviarse al campo. Esto significa que al momento de enviar una estación base ésta se configure para operar en una banda de frecuencia y que no es posible hacer reconfiguraciones futuras. Esto sería compatible con quemar una matriz de fusibles con un convertidor de calibración. De modo que esto es equivalente a reconfiguración una sola vez.
b) Reconfiguración mediante la reinicialización (“reboot”) Esto significa que una estación base tiene que ser reinicializada para activar su operación en otra banda de frecuencia. Tal reinicialización puede efectuarse muchas veces. Sin embargo, una reinicialización implica irse fuera de servicio y puede tomar un periodo de tiempo.




Figura 10. Arquitectura de una estación base con agilidad de frecuencia.

c) Reconfiguración cada vez que se recibe una llamada Éste es el nivel de reconfiguración dinámica más alto. Sin embargo, esto requiere un esfuerzo tremendo, el cual muy probablemente no podrá ser justificado por los beneficios. Los operadores de las redes están interesados en obtener garantías de cobertura y capacidad y, por tanto, realizan una planificación muy cuidadosa de la red, y cambios a ésta son hechos raras veces para no arriesgar la estabilidad de la misma. De manera que la reconfiguración, por razones teniendo que ver con la optimización de la red, no se efectuarían muy frecuentemente. Y si se necesitara hacer una reconfiguración, un operador usualmente esperaría hasta la noche, cuando el tráfico es bajo y la pérdida del servicio menos crítica.


Para terminales, la situación es diferente, ya que es ventajoso el operar utilizando otro estándar sin tener que volver a inicializarlo, o encenderlo y apagarlo. Una reconfiguración por reinicialización es un método razonable para estaciones base, desde el punto de vista del proveedor de infraestructura. Esto dota a los operadores de redes con una flexibilidad interesante. Las uniones e intercambios de licencias entre operadores ocurren en todo el mundo y nuevas bandas de frecuencia están siendo autorizadas continuamente para aparear la creciente demanda del tráfico inalámbrico de datos. Por lo tanto, la reestructuración de la red sería facilitada, aun remotamente, desde un Centro de Operación y Mantenimiento central, sin incurrir enormes costos por enviar técnicos a la estación base.


No obstante, parece ser que la motivación real para estaciones base reconfigurables, con agilidad de frecuencia, está a favor del proveedor de infraestructura, no a favor del operador de la red. Éste es un cambio drástico de la
motivación clásica para la radio programada por software. El análisis detallado ha mostrado que el aumento en costo, debido a incluir reconfigurabilidad, es más que
compensado por los ahorros que se obtienen con un mayor nivel de concordancia. Se obtienen ahorros, por ejemplo, mediante:

• Una placa de interconecciones impresas (“printed circuit board”—PCB) para todas las bandas
• Un sólo esfuerzo de desarrollo con aumento moderado en lugar de muchos esfuerzos en paralelo
• Certificación y prueba de conformidad más rápidas
• Simplificación de la documentación
• Simplificación en la administración de la calidad. Una plataforma de prueba unificada
• Reacción extremadamente rápida a nuevas necesidades en el mercado, por ejemplo, cada vez que una nueva banda de frecuencia se abre
• Diseño seguro de nuevas bandas futuras, sin embargo, esto puede que tenga algunos límites
• Apoyo de las estrategias del operador de la red para migraciones de espectro Las ganancias logísticas especificas que pueden lograrse son:
• Un volumen mayor de componentes y PCB => reducción de precio
• La más alta flexibilidad de producción, independiente del orden
• Una base de datos para componentes más pequeña
• Un tiempo menor para establecer la línea de producción
• Reducción en el esfuerzo de diseño y desarrollo
• Unificación en el servicio en el campo y en el mantenimiento
• Reducido esfuerzo de prueba y certificación
• Simplificado esfuerzo de documentación y especificación
• Menor material en exceso => reducción en el riesgo
• Manejo común en la producción, reparación y entrega


En resumen, esto puede fácilmente conducir a ahorros del orden de varios millones de dólares para un proveedor de infraestructura. Falta abordar la cuestión
de cómo lograr ésta flexibilidad en el dominio analógico de RF. Nosotros pensamos que la tecnología RF MEMS es la respuesta a éste requisito de flexibilidad, ya que posee las propiedades únicas que la hacen perfectamente apropiada para llevar a cabo las manipulaciones en la cadena de RF, necesarias paraseleccionar diferentes bandas de frecuencia.

A un alto nivel, podemos explotar los siguientes beneficios de RF MEMS:
_ Conmutación de bajas pérdidas / alto aislamiento (el conmutador ideal)
_ Amplia habilidad de sintonización con condensadores variables
_ La separación de la senda de RF y los terminales de control es posible (similar a los relevadores)



Figura 11. Un filtro reconfigurable.

para realizar ciertas funciones RF reconfigurables, en una estación base con agilidad de frecuencia, son presentados y discutidos en más detalle. En una radio con agilidad de frecuencia, matrices de interruptores RF MEMS pueden utilizarse, por ejemplo, para conmutar filtros, según se muestra en la Fig. 11. En ésta matriz, los filtros no seleccionados son conmutados a tierra en su salida. Esto mejora la atenuación en la banda bloqueada (“stopband”) ya que se provee casi un corto circuito en la entrada dentro de la banda pasada de cada filtro no seleccionado. Una realización práctica del filtro se muestra en la Fig. 12.Para la aplicación como un filtro reconfigurable, es importante tener un buen conmutador a tierra, a la



Figura 12. Un filtro reconfigurable con cuatro bandas de paso.

salida de cada filtro no seleccionado, para aprovechar la atenuación adicional, en la banda bloqueada, proveniente de los filtros no seleccionados. Aquí la pérdida,
típicamenta baja, de los interruptores RF MEMS cuando estan cerrados, es beneficiosa. La resistencia de contacto baja, característica, asegura una buena connección a tierra.

Desde la perspectiva de costo, los gastos generales, incurridos al incluir filtros, que pueden resultar no ser seleccionados si la estación base no se llegara a reconfigurar nunca a lo largo de su vida, pueden ser motivo de preocupación. Sin embargo, como la atenuación adicional en la banda bloqueada es provista por los filtros no seleccionados, los requerimientos para los filtros seleccionados se pueden relajar. Por tanto, en vez de un filtro fijo caro con un diseño clásico y sin agilidad de frecuencia, varios filtros de moderado funcionamiento y costo moderados serían suficientes para realizar agilidad de frecuencia. Por tanto, un filtro reconfigurable con 4.




Figura 13.

Un amplificador reconfigurable. posiciones diferentes, no implicaría 4 veces el costo. Un problema adicional se vuelve evidente. No es prudente el encapsular cada filtro y la matriz de MEMS individualmente, según se muestra en la Fig. 12, ya que esto implica mayores costos de encapsulado como en los módulos que comprenden múltiples “chips” (“multi-chip modules”) donde todos los filtros y la matriz de MEMS residen en un paquete. Desde luego, la técnica de encapsulado a nivel de substrato para la matriz de MEMS sería entonces aconsejable. Tal paquete compartido, también evitaría largas lineas de microcintas entre un filtro y su conmutador correspondiente. Si la línea microcintas es de un cuarto de largo de onda, entonces existe el problema de que el conmutador connectado a tierra es transformado en un circuito abierto a la salida de un filtro no seleccionado. Mediante esto se pierde la atenuación adicional de la banda bloqueada. Lo que sería aceptable es una microcinta de una mitad de largo de onda con respecto a la banda de paso de cada filtro. Pero esto implicaría líneas de longitudes diferentes entre los filtros y cada conmutador correspondiente.

Otro uso de los interruptores MEMS puede ser la reconfiguración de estructuras de apareo de impedancias con amplificadores reconfigurables de bandas múltiples, según se muestra en la Fig. 13.

En tal configuración, los interruptores MEMS deben proveer un corto circuito o un circuito abierto perfecto. Sin embargo, estudios prácticos demuestran que, mientras a nivel de CI se produce una buena alteración entre corto circuito y circuito abierto, una vez encapsulados éste comportamiento es seriamente degradado. La razón para esto es que los encapsulados típicos tienen dimensiones mucho más grandes que las del CI, de modo que existe
alguna transformación dentro del encapsulado. Esto puede conducir a un comportamiento de circuito abierto aun si el conmutador estuviera cerrado y proveyera un corto circuito a tierra. En una configuración de línea recta,
donde el conmutador es cerrado y abierto, éste tipo de efecto parásito no causa problemas y no afecta el funcionamiento en cuanto a exhibir conmutación con bajas pérdidas y alto aislamiento, pero en el contexto de estructuras reconfigurables esto es un problema serio.

Claramente, éste problema pertenece al ámbito de encapsulación de RF MEMS, no a MEMS mismo, ya que l funcionamiento a nivel de CI es superior. Para superar éste problema, uno podría también considerar un encapsulado a nivel de substrato y directamente pegar los componentes MEMS a un substrato blandito dentro del módulo del amplificador. Esto parece razonable, ya que los dispositivos activos dentro del módulo de potencia van montados directamente sin encapsulados individuales y van pegados directamente a un substrato blandito. Utilizando éste método, los efectos parásitos del encapsulado de los dispositivos activos y MEMS desaparecerían.
Además de éstos retos en el encapsulado de MEMS, debe mencionarse que la separación de las líneas de control y de RF es altamente beneficiosa, en lo tocante al conmutador MEMS en el contexto de estructuras de apareo reconfigurables, ya que puede evitarse el tener que utilizar circuitos T de polarización (“bias Tee”).

Los efectos parásitos de la T de polarizacion, bajo condiciones reales, serían del mismo orden que los elementos de apareo a ser conmutados. Más aun, se puede
suponer que se necesitan al menos dos interruptores en la entrada y salida de cada banda de frecuencia. Si el amplificador reconfigurable tiene que proveer servicio a 4 bandas, esto implicaría 16 interruptores. Si también 16 circuitos de polarizacion fueran necesarios, el diseño sería realmente complicado y los efectos parásitos de éstos serían dificiles de controlar. Otro desafío es la capacidad de manejo de potencia de
los dispositivos MEMS

Debido a corrientes circulantes enlos circuitos de apareamiento, las corrientes de RF pueden fácilmente elevarse a 1 o 2 A. Desde luego, la topología de apareamiento es un factor clave que define las corrientes máximas a través de los interruptores MEMS. Parece ser que los voltajes altos, a través de un conmutador con transformación de impedancia, son más fáciles de manejar que las corrientes de RF altas. Los interruptores RF MEMS de hoy en día sostienen alrededor de 1 a 5W, lo cual corresponde a un manejo de corriente máxima del orden de varios cientos de mA. Algún esfuerzo debe dedicarse a aumentar el manejo de corriente. Quizás otros mecanismos de activación, como piezoeléctrico o magnético, deberían preferirse ya que se podrían realizar fuerzas de contacto más grandes. Mayores fuerzas de contacto deberían resultar en menor resistencia de contacto, lo cual conduciría entonces a un mayor manejo de corriente o potencia de RF.

En el contexto de las estaciones base, el número de ciclos de conmutación es de menos relevancia ya que la reconfiguracion ocurre muy raras veces. La habilidad de reconfigurar la estación base es una inversión protegida por los operadores de la red, sin embargo, podría suceder que una estación base sea configurada una vez, al momento de envío, y nunca más sea reconfigurada durante su vida. Normalmente suponemos que habrán dos reconfiguraciones por año, lo cual significaría 30 ciclos, suponiendo un vida de 15 años. De modo que 102 ciclos deberían ser suficientes. Sin embargo, aun si se supone que la reconfiguración es efectuada más a menudo, teniendo en cuenta la variación de tráfico durante el día, digamos 4 conmutaciones por día, entonces esto resultaría en 105 ciclos (4 reconfiguraciones por día x 365 días x 15 días). Tal número podría ser fácilmente satisfecho por los interruptores MEMS de hoy en día. Para comparar, un conmutador TX/RX en un microteléfono GSM requeriría de 1010 a 1011 ciclos.

Podría concluirse, por lo tanto, que para propósitos de reconfiguración, el número de ciclos de conmutación para aplicaciones de estaciones base es un parámetro menos crítico. Más aun, el voltaje de activación o la potencia de activación es menos crítica en las estaciones base ya que éstas tienen un suministro de potencia de la distribución de la planta eléctrica, y el ahorro en batería es un problema minúsculo comparado con los microteléfonos. Como se dijo previamente, la reconfiguración de una estación base ocurre raras veces y requeriría probablemente una sola reinicialización, de modo que el tiempo de conmutación no tiene relevancia.

RF MEMS
Sandia designs, characterizes and delivers miniaturized, reliable RF MEMS components and systems such as filters, switches, and oscillators that provide differentiating capabilities to Sandia system groups impacting national security and nuclear weapons. diseños de Sandia, la caracteriza y la entrega en miniatura, fiable RF MEMS componentes y sistemas, como los filtros, conmutadores, osciladores y diferenciar las capacidades que ofrecen a grupos de sistemas que afectan la seguridad nacional de Sandia y armas nucleares.

Aluminum Nitride RF MEMS Resonators Nitruro de aluminio resonadores de MEMS de RF
Sandia has developed an aluminum nitride (AlN) process for fabricating RF MEMS micro resonators at frequencies ranging from 1 MHz to 3 GHz. Sandia ha desarrollado un nitruro de aluminio (AlN) proceso de fabricación de MEMS de RF resonadores micro a frecuencias que van desde 1 MHz a 3 GHz. This process uses the same equipment and materials that were developed to fabricate FBARS (film bulk acoustic resonators), which are widely used to implement cellular phone duplexers and filters at 1.9 GHz. Este proceso utiliza el mismo equipo y materiales que fueron desarrollados para la fabricación de los FBAR (resonadores acústicos película a granel), que son ampliamente utilizados para aplicar duplexores de teléfonos celulares y los filtros de 1,9 GHz. Like FBARS, the piezoelectric transduction mechanism of these resonators allows the realization of low insertion loss filters. Al igual que los FBAR, el mecanismo de transducción piezoeléctrica de estos resonadores permite la realización de filtros de baja pérdida de inserción. Unlike FBARS, Sandia's AlN process allows resonators at any frequency between 1 MHz and 3 GHz to be fabricated on the same wafer because the resonant frequency is determined lithographically. A diferencia de los FBAR, el proceso de Sandia de AlN permite resonadores con una frecuencia entre 1 MHz y 3 GHz que se deberán fabricar en la misma oblea, porque la frecuencia de resonancia se determina litografía. The AlN resonator process also includes Sandia's unique molded tungsten (W) capabilities. El proceso también incluye resonador de AlN única de Sandia moldeado de tungsteno (W) capacidad. Incorporation of W into the AlN process eliminates the need for resonators that are suspended above the substrate by quarter-wave beams. La incorporación de W en el proceso de AlN elimina la necesidad de resonadores que se suspende sobre el sustrato por vigas de cuarto de onda. It is this technology that allows the scaling of AlN resonators into the GHz range without introducing spurious modes, reductions in quality factor (Q), and with acceptable power handling for both the transmit and receive paths in full-duplex radios. Es esta tecnología que permite la ampliación de los resonadores de AlN en el rango de GHz sin introducir modos espurios, la reducción de factor de calidad (Q), y con la potencia de manipulación aceptables tanto para la transmisión y recepción de caminos en las radios de dúplex completo. This technology is most suited for realizing resonators from 1 MHz to 3 GHz, with Q's approaching 5000, and impedances less than 300 Ohms. Esta tecnología es más adecuada para la realización de resonadores de 1 MHz a 3 GHz, con Q que se acerca 5000, y impedancias menos de 300 Ohms.

108 MHz Dual Mode AlN RF MEMS Filter 108 MHz de doble modo de MEMS de RF de AlN filtro



Measured and Simulated Response of the Dual Mode Filter with Different Termination Impedances. Medidos y simulados de respuesta del filtro de doble modo de terminación con impedancias diferentes.

Narrow-gap Polysilicon RF MEMS Resonators Estrecho-brecha de MEMS de RF polisilicio Resonadores
A polysilicon MEMS resonator process has been developed at Sandia for the fabrication of high-Q oscillator references and intermediate frequency (IF) filters. Un proceso de polisilicio resonador MEMS ha sido desarrollado en Sandia para la fabricación de referencias oscilador de alta-Q y de frecuencia intermedia (IF) filtros. This process can achieve electrode-to-resonator gaps less than 100 nm, which is needed to reduce the impedance of capacitively transduced devices. Este proceso puede alcanzar lagunas electrodo-resonador a menos de 100 nm, lo cual es necesario para reducir la impedancia de los dispositivos capacitivamente transducidas. While high frequency resonators can be implemented in this process, it is best suited for fabricating resonators below 200 MHz because the impedance levels are significantly lower at these frequencies. Mientras que los resonadores de alta frecuencia puede ser implementado en este proceso, es el más adecuado para la fabricación de resonadores debajo de 200 MHz, porque los niveles de impedancia son significativamente menores a estas frecuencias. Advantages of these polysilicon resonators when compared to microfabricated piezoelectric resonators include much higher Q (> 60,000), low drift, tunability, and low vibration sensitivity. Las ventajas de estos resonadores de polisilicio en comparación con microfabricated resonadores piezoeléctricos son mucho más alto Q (> 60.000), la deriva baja, posibilidad de ajuste, y la sensibilidad de baja vibración. These properties make polysilicon µresonators ideal for implementing miniature oscillators and IF filter banks for RF MEMS applications. Estas propiedades hacen μresonators polisilicio ideal para la aplicación de los osciladores en miniatura y si los bancos de filtros de RF MEMS aplicaciones.



52 MHz Lame' Mode PolySilicon RF MEMS Resonator. 52 MHz Lame 'polisilicio modo de MEMS de RF del resonador.

Ç

Measured Transmission of the Lame' Mode RF MEMS Resonator. Transmisión medidos de la Lame 'RF MEMS modo resonador.
RF MEMS Reliability

MEMS de RF Fiabilidad
Through measurement, characterization and analysis, we provide customer feedback to improve operation, performance and reliability of MEMS components, specifically RF switches. A través de la medición, caracterización y análisis, nos proporcione retroalimentación de los clientes para mejorar el funcionamiento, rendimiento y fiabilidad de los componentes MEMS de RF específicamente interruptores. We have testing capabilities at the DARPA standard for MEMS switches (RFMIP) of 10 GHz. Tenemos pruebas de capacidades en el estándar para los interruptores MEMS DARPA (RFMIP), de 10 gigahertz. We have conducted environmentally controlled studies of switch performance and lifetimes at temperatures ranging from -15C to 75C, including cycling. Hemos llevado a cabo estudios de ambiente controlado de la actuación del interruptor y tiempos de vida a temperaturas comprendidas entre-15C a 75C, incluido el ciclo. Through failure analysis, we have worked with our customers to enhance understanding of operation, mechanically and electrically. A través de análisis de fallas, hemos trabajado con nuestros clientes para mejorar la comprensión del funcionamiento, mecánica y eléctricamente. We have performed tests to understand contamination issues that have caused early failures. Hemos realizado pruebas para entender los problemas de contaminación que han causado los primeros fracasos. We are investigating functionality and performance of RF sensor applications to monitor corrosion and to predict critical component failures. Estamos investigando la funcionalidad y el rendimiento de las aplicaciones de sensor de RF para controlar la corrosión y para predecir fallos críticos de los componentes. By utilizing knowledge of MEMS and by providing unique measurement and characterization capabilities, we can be an integral part of any MEMS project. Al utilizar el conocimiento de MEMS y proporcionando capacidades exclusivas de medición y caracterización, que puede ser una parte integral de cualquier proyecto MEMS.
Relevent Publications

The RF MEMS acronym stands for radio frequency microelectromechanical system, and refers to components of which moving sub-millimeter-sized parts provide RF functionality. El RF MEMS acrónimo de sistema de radio frecuencia microelectromecánicos, y se refiere a los componentes de los cuales en movimiento milímetros de tamaño partes-sub de proporcionar la funcionalidad de RF. RF functionality can be implemented using a variety of RF technologies. RF funcionalidad se puede implementar utilizando una variedad de tecnologías RF. Besides RF MEMS technology, ferrite , ferroelectric , GaAs , GaN , InP , RF CMOS , SiC , and SiGe technology are available to the RF designer. Además de la tecnología MEMS de RF, de ferrita , ferroeléctricos , GaAs , GaN , InP , RF CMOS , carburo de silicio , y SiGe la tecnología están disponibles para el diseñador de RF. Each of the RF technologies offers a distinct trade-off between cost, frequency, gain, large scale integration, lifetime, linearity, noise figure , packaging, power consumption, power handling, reliability, repeatability, ruggedness, size, supply voltage, switching time and weight. Cada una de las tecnologías RF ofrece un claro trade-off entre el costo, la frecuencia, ganancia, integración a gran escala, toda la vida, la linealidad, la figura de ruido , el envasado, el consumo de energía, manejo de potencia, fiabilidad, repetibilidad, robustez, tamaño, tensión de alimentación, tiempo de conmutación de y el peso.

RF MEMS switches, switched capacitors and varactors, which can replace field effect transistor (FET) switches and PIN diodes , are classified by actuation method ( electrostatic , electrothermal, magnetic, piezoelectric ), by axis of deflection (laterally, vertically), by circuit configuration (series, shunt), by clamp configuration ( cantilever , fixed-fixed beam), or by contact interface (capacitive, ohmic) ^{[ 2 ]} . RF MEMS interruptores, condensadores y Varactors cambiado, que puede sustituir transistor de efecto de campo (FET) interruptores y diodos PIN , se clasifican por el método de accionamiento ( electrostática , electrotérmico, magnético, piezoeléctricos ), por el eje de la desviación (lateral, vertical), por el circuito configuración (serie, shunt), según la configuración de fijación ( cantilever , haz fijo-fijo), o por contacto con la interfaz (capacitiva, óhmica) . Electrostatically-actuated RF MEMS components offer low insertion loss and high isolation, high linearity, high power handling and high Q factor, do not consume power, but require a high supply voltage and hermetic wafer level packaging (WLP) (anodic or glas frit wafer bonding) or single chip packaging (SCP) (thin film capping, liquid crystal polymer (LCP) or low temperature co-fired ceramic (LTCC) packaging). Electrostáticamente accionada RF MEMS ofrecen componentes pérdida de inserción baja y el aislamiento de alta, alta linealidad, la manipulación de alta potencia y alto factor Q, no consume energía, pero requieren una tensión del sistema y hermético de envases nivel del wafer (WLP) (glas frita oblea o anódica vinculación) o chip de envases individuales (SCP) (película delgada de nivelación, de polímero de cristal líquido (LCP) o la temperatura que queman conjuntamente cerámica de baja (LTCC) embalaje).

RF MEMS switches were pioneered by Hughes Research Laboratories, Malibu, CA ^{[ 3 ]} , Raytheon, Dallas, TX ^{[ 4 ] [ 5 ]} , and Rockwell Science, Thousand Oaks, CA ^{[ 6 ]} , during the nineties. RF MEMS se cambia por primera vez por Hughes Research Laboratories, Malibu, CA, Raytheon, Dallas, TX, y Ciencia Rockwell, Thousand Oaks, CA durante los años noventa. The component shown in Fig. El componente se muestra en la figura. 1, is a center-pulled capacitive fixed-fixed beam RF MEMS switch, developed and patented by Raytheon in 1994. 1, es un centro-sacó capacitiva haz fijo-fijo el interruptor RF MEMS, desarrollada y patentada por Raytheon en 1994. A capacitive fixed-fixed beam RF MEMS switch is in essence a micro-machined capacitor with a moving top electrode - ie the beam. Un haz de capacitiva fijo-fijo RF MEMS interruptor es en esencia un condensador de micro-mecanizado con un electrodo en movimiento arriba - es decir, la viga.

Fig. La figura. 1 : The capacitive fixed-fixed beam RF MEMS switch 1: El capacitivo fija haz fijo de MEMS de RF switch

From an electromechanical perspective, the components behave like a mass-spring system, actuated by an electrostatic force . Desde un electromecánicos perspectiva, los componentes se comportan como un sistema de masa-resorte, accionado por una fuerza electrostática . The spring constant is a function of the dimensions of the beam, of the Young's modulus , of the residual stress and of the Poisson ratio of its material. La constante del resorte es una función de las dimensiones de la viga, de la del módulo de Young , de la tensión residual y del coeficiente de Poisson de su material. The electrostatic force is a function of the capacitance and the bias voltage. La fuerza electrostática es una función de la capacitancia y la tensión de polarización. Knowledge of spring constant and mass allows for calculation of the pull-in voltage, which is the bias voltage necessary to pull-in the beam, and of the switching time. El conocimiento de la constante elástica y masa permite calcular la retirada de la tensión, que es la tensión de polarización necesaria para tirar en la viga, y del tiempo de conexión.

From an RF perspective, the components behave like a series RLC circuit with negligible resistance and inductance. Desde una perspectiva de RF, los componentes se comportan como un circuito en serie RLC con resistencia despreciable y la inductancia. The up- and down-state capacitance are in the order of 50 fF and 1.2 pF, which are functional values for millimeter-wave circuit design. El de arriba a abajo el estado de la capacitancia son del orden de 50 FF y 1,2 pF, que son los valores funcionales de ondas milimétricas diseño de circuitos. Switches typically have a capacitance ratio of 30 or higher, while switched capacitors and varactors have a capacitance ratio of about 1.2 to 10. Interruptores normalmente tienen una relación de capacitancia de 30 o más, mientras que los condensadores y cambió Varactors tienen una relación de capacidad de alrededor de 1,2 a 10. The loaded Q factor is between 20 and 50 in the X-, Ku- and Ka-band. El factor Q carga es de entre 20 y 50 en el X, Ku y banda Ka.

RF MEMS switched capacitors are capacitive fixed-fixed beam switches with a low capacitance ratio. RF MEMS cambió condensadores son interruptores capacitivos de haz fijo-fijo con una relación de baja capacidad. RF MEMS varactors are capacitive fixed-fixed beam switches which are biased below pull-in voltage. RF MEMS capacitivos Varactors interruptores haz fijo-fijo, que están sesgadas por debajo de pull-in de tensión. Other examples of RF MEMS switches are ohmic cantilever switches, and capacitive single pole N throw (SPNT) switches based on the axial gap wobble motor ^{[ 7 ]} . Otros ejemplos de interruptores RF MEMS óhmicos interruptores voladizo, y capacitiva único polo N tiro (SPNT) conmutadores basados en axiales bamboleo brecha motor . Microfabricationmicrofabricación

An RF MEMS fabrication process allows for integration of SiCr or TaN thin film resistors (TFR), metal-air-metal (MAM) capacitors, metal-insulator-metal (MIM) capacitors, and RF MEMS components. Un proceso de fabricación de MEMS de RF permite la integración de SiCr o tan delgada película de resistencias (TGF), metal-aire-metal (MAM) condensadores, metal-aislante-metal (MIM), condensadores y componentes de RF MEMS. An RF MEMS fabrication process can be realized on a variety of wafers: fused silica ( quartz ), borosilicate glass, LCP, sapphire , and passivated silicon and III-V compound semiconducting wafers. Un proceso de fabricación de MEMS de RF se puede realizar en una variedad de obleas: sílice fundida ( cuarzo ), vidrio borosilicato, LCP, zafiro y pasivado de silicio y compuestos III-V semiconductores obleas. As shown in Fig. Como se muestra en la figura. 2, RF MEMS components can be fabricated in class 100 clean rooms using 6 to 8 optical lithography steps with a 5 μm contact alignment error, whereas state-of-the-art monolithic microwave integrated circuit (MMIC) and radio frequency integrated circuit (RFIC) fabrication processes require 13 to 25 lithography steps. 2, RF MEMS componentes pueden ser fabricados en la clase 100 habitaciones limpias con 6 a 8 litografía óptica pasos con un error de alineación micras de contacto 5, mientras que el estado de la técnica circuito integrado monolítico de microondas (MMIC) y la frecuencia de radio de circuito integrado (RFIC ) requieren procesos de fabricación de 13 a 25 pasos de litografía. The essential microfabrication steps are: Lo esencial de microfabricación pasos son:

Fig. La figura. 2 : RF MEMS fabrication process 2: RF proceso de fabricación de MEMS

• Deposition of the bias lines (Fig. 2, step 3) La deposición de las líneas de polarización (Fig. 2, paso 3)






• Deposition of the electrode layer (Fig. 2, step 4) Formación de la capa del electrodo (fig. 2, paso 4)






• Deposition of the dielectric layer (Fig. 2, step 5) Formación de la capa dieléctrica (Fig. 2, paso 5)






• Deposition of the sacrificial spacer (Fig. 2, step 6) Deposición del espaciador de sacrificio (fig. 2, paso 6)






• Deposition of seed layer and subsequent electroplating (Fig. 2, step 7) El depósito de la capa de semilla y galvanización posterior (Fig. 2, paso 7)






• Beam definition, release and critical point drying (Fig. 2, step 8) definición del haz, la liberación y punto crítico de secado (Fig. 2, el paso 8)

RF MEMS fabrication processes, unlike barium strontium titanate (BST) or lead zirconate titanate (PZT) ferroelectric and MMIC fabrication processes, do not require electron beam lithography , molecular beam epitaxy (MBE), or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). RF MEMS procesos de fabricación, a diferencia de estroncio titanato de bario (BST) o zirconato titanato de plomo (PZT) ferroeléctricos y procesos de fabricación MMIC, no requieren de haz de electrones de litografía , epitaxia de haces moleculares (MBE), o de metal orgánicos deposición química de vapor (MOCVD). With the exception of the removal of the sacrificial spacer, the fabrication steps are compatible with a CMOS fabrication process. Con la excepción de la eliminación del espaciador de sacrificio, los pasos de fabricación son compatibles con un proceso de fabricación CMOS.

ApplicationsAplicaciones

Applications of RF MEMS resonators and switches include oscillators and routing networks. Aplicaciones de RF MEMS resonadores y los interruptores son osciladores y las redes de enrutamiento. RF MEMS components are also applied in radar sensors ( passive electronically scanned (sub)arrays and T/R modules) and software-defined radio (reconfigurable antennas , tunable band-pass filters ). RF MEMS componentes se aplican también en los sensores de radar ( para lectura óptica pasiva (sub) conjuntos y módulos T / R) y de radio definida por software (reconfigurable antenas , sintonizables filtros pasa-banda ).

Polarization and radiation pattern reconfigurability, and frequency tunability, are usually achieved by incorporation of lumped components based on III-V semiconductor technology, such as single pole single throw ( SPST ) switches or varactor diodes. Polarización y patrón de radiación reconfigurabilidad, y posibilidad de ajuste de frecuencia, se alcanzan habitualmente por la incorporación de componentes agrupados sobre la base de III-V tecnología de semiconductores, como el único polo solo tiro ( SPST ) conmutadores o diodos varactor. However, these components can be readily replaced by RF MEMS switches and varactors in order to take advantage of the low insertion loss and high Q factor offered by RF MEMS technology. Sin embargo, estos componentes pueden ser sustituidos fácilmente por interruptores RF MEMS y Varactors con el fin de aprovechar la pérdida de inserción baja y alto factor Q que ofrece la tecnología MEMS de RF. In addition, RF MEMS components can be integrated monolithically on low-loss dielectric substrates, such as borosilicate glass, fused silica or LCP, whereas III-V semiconducting substrates are generally lossy and have a high dielectric constant. Además, los componentes de RF MEMS se pueden integrar monolíticamente en bajas pérdidas dieléctricas sustratos, como el vidrio borosilicato, sílice fundida o LCP, mientras que los semiconductores III-V sustratos son por lo general con pérdida y tienen una alta constante dieléctrica. A low loss tangent and low dielectric constant are of importance for the efficiency and the bandwidth of the antenna. Una pérdida de baja constante dieléctrica baja tangente y son de importancia para la eficiencia y el ancho de banda de la antena.

The prior art includes an RF MEMS frequency tunable fractal antenna for the 0.1–6 GHz frequency range ^{[ 8 ]} , and the actual integration of RF-MEMS on a self-similar Sierpinski gasket antenna to increase its number of resonant frequencies, extending its range to 5GHz, 14GHz and 30GHz ^{[ 9 ]} , ^{[ 10 ]} , an RF MEMS radiation pattern reconfigurable spiral antenna for 6 and 10 GHz ^{[ 11 ]} , an RF MEMS radiation pattern reconfigurable spiral antenna for the 6–7 GHz frequency band based on packaged Radant MEMS SPST-RMSW100 switches ^{[ 12 ]} , an RF MEMS multiband Sierpinski fractal antenna, again with integrated RF MEMS switches, functioning at different bands from 2.4 to 18 GHz ^{[ 13 ]} , and a 2-bit Ka-band RF MEMS frequency tunable slot antenna ^{[ 14 ]} . El estado de la técnica incluye una frecuencia RF MEMS antena fractal sintonizable para la frecuencia de 0.1-6 GHz , y la integración real de RF-MEMS en un empaque similar Sierpinski antena propia para aumentar el número de sus frecuencias de resonancia, ampliando su gama de 5 GHz, 14GHz y 30GHz un patrón de radiación de MEMS de RF de la antena en espiral reconfigurable para 6 y 10 GHz , un patrón de radiación de MEMS de RF de la antena en espiral reconfigurable para la frecuencia de banda 6.7 GHz basado en paquetes Radant MEMS RMSW100 interruptores SPST , un MEMS de RF multibanda antena fractal de Sierpinski, de nuevo con interruptores MEMS de RF integrados, funcionando en diferentes bandas de 2,4 a 18 GHz , y un 2-bits en banda Ka de frecuencias RF MEMS sintonizables ranura de la antena.

FiltersFiltros

RF bandpass filters are used to increase out-of-band rejection, if the antenna fails to provide sufficient selectivity. filtros de paso de banda de RF se utilizan para aumentar el rechazo fuera de banda, si la antena no presenta selectividad suficiente. Out-of-band rejection eases the dynamic range requirement of low noise amplifier LNA and mixer in the light of interference . Fuera de la banda de rechazo facilita el rango dinámico requisito de la baja del amplificador del ruido LNA y mezclador a la luz de la interferencia. Off-chip RF bandpass filters based on lumped bulk acoustic wave (BAW), ceramic , surface acoustic wave (SAW), quartz crystal, and thin film bulk acoustic resonator (FBAR) resonators have superseded distributed RF bandpass filters based on transmission line resonators, printed on substrates with low loss tangent, or based on waveguide cavities. chip de radiofrecuencia de paso de banda-Off filtros basados en ondas acústicas agrupan a granel (BAW), cerámica , onda acústica de superficie (SAW), cristal de cuarzo, y grueso de capa fina resonadores acústicos (FBAR) han sustituido a los resonadores distribuidos RF filtros de paso de banda basado en línea de transmisión de resonadores, impresos en substratos con baja pérdida tangente, o basado en cavidades de guía de ondas. RF MEMS resonators offer the potential of on-chip integration of high-Q resonators and low-loss bandpass filters. RF MEMS resonadores ofrecen la posibilidad de integración en el chip de los resonadores de alto-Q y los filtros de paso de banda de baja pérdida. The Q factor of RF MEMS resonators is in the order of 1000-1000 ^{[ 15 ]} . El factor Q de RF MEMS es resonadores en el orden de 1000-1000

Tunable RF bandpass filters offer a significant size reduction over switched RF bandpass filter banks. Sintonizables filtros de paso de banda de RF ofrecen una reducción significativa en el tamaño de conmutación RF bancos de filtros de paso de banda. They can be implemented using III-V semiconducting varactors, BST or PZT ferroelectric and RF MEMS switches, switched capacitors and varactors, and yttrium iron garnet (YIG) ferrites. Pueden ser implementados usando semiconductores III-V Varactors, BST o ferroeléctricas de PZT y MEMS conmutadores de RF, condensadores y cambió Varactors y hierro granate de itrio (YIG) ferritas. RF MEMS technology offers the tunable filter designer a compelling trade-off between insertion loss, linearity, power consumption, power handling, size, and switching time ^{[ 16 ]} . La tecnología MEMS de RF ofrece al diseñador un filtro sintonizable convincente equilibrio entre la pérdida de inserción, la linealidad, el consumo de energía, manejo de la potencia, tamaño y tiempo de conmutación.

Phase shiftersFase Mandos

RF MEMS phase shifters have enabled wide-angle passive electronically scanned arrays, such as lenses, reflect arrays, subarrays and switched beamforming networks, with high effective isotropically radiated power (EIRP), also referred to as the power-aperture product, and high G _r /T. RF MEMS desfasadores han permitido a gran angular pasiva de lectura automática, matrices, tales como lentes, reflejan las matrices, y cambió la formación de haz subarreglos redes, con alta potencia radiada efectiva (PIRE), también conocida como la apertura de energía del producto y de alta G _R / T. EIRP is the product of the transmit gain, G _t , and the transmit power, P _t . PIRE es el producto de la transmisión de ganancia, G _t, y la potencia de transmisión, _t P. G _r /T is the quotient of the receive gain and the antenna noise temperature. _r G / T es el cociente entre la ganancia de recepción y la temperatura de ruido de la antena. A high EIRP and G _r /T are a prerequisite for long-range detection. Una alta PIRE y _r G / T son un requisito previo para la detección de largo alcance. The EIRP and G _r /T are a function of the number of antenna elements per subarray and of the maximum scanning angle. La EIRP y _r G / T son una función del número de elementos de la antena por subarreglo y del ángulo máximo de escaneo. The number of antenna elements per subarray should be chosen to optimize the EIRP or the EIRP x G _r /T product, as shown in Fig. El número de elementos de la antena por subarreglo deben ser seleccionados para optimizar el PIRE o el G x _r PIRE / t de producto, como se muestra en la figura. 3 and Fig. 3 y la figura. 4. 4.

Fig. La figura. 3 : Radar sensor sensitivity: EIRP x G _r /T 3: la sensibilidad del sensor de radar: PIRE x _r G / T

Passive subarrays based on RF MEMS phase shifters may be used to lower the amount of T/R modules in an active electronically scanned array . Pasivo subarreglos basados en MEMS de RF desfasadores se puede utilizar para reducir la cantidad de módulos T / R en una matriz de lectura óptica activa . The statement is illustrated with examples in Fig. La declaración se ilustra con ejemplos en la figura. 3: assume a one-by-eight passive subarray is used for transmit as well as receive, with following characteristics: f = 38 GHz, G _r = G _t = 10 dBi, BW = 2 GHz, P _t = 4 W. The low loss (6.75 ps/dB) and good power handling (500 mW) of the RF MEMS phase shifters allow an EIRP of 40 W and a G _r /T of 0.036 1/K. 3: asumir una-por-ocho pasiva subarreglo una se utiliza para transmitir y recibir, con las siguientes características: f = 38 GHz, _r = G _t G = 10 dBi, AB = 2 GHz, P _t = 4 W. El de baja pérdida (6,75 ps / dB) y manejo de la potencia buena (500 mW) de la fase de MEMS de RF desplazadores permiten una PIRE de 40 W y un _r G / T, de 0.036 1 / K. The number of antenna elements per subarray should be chosen in order to optimize the EIRP or the EIRP x G _r /T product, as shown in Fig. El número de elementos de la antena por subarreglo debe ser elegido con el fin de optimizar el PIRE o el G x _r PIRE / t de producto, como se muestra en la figura. 3 and Fig. 3 y la figura. 4. 4. The radar range equation can be used to calculate the maximum range for which targets can be detected with 10 dB of SNR at the input of the receiver. La ecuación de radar puede ser utilizado para calcular el alcance máximo para que los objetivos se pueden detectar con 10 dB de relación señal ruido en la entrada del receptor.

Fig. La figura. 4 : EIRP versus number of antenna elements in a passive subarray. 4: pire en función del número de elementos de la antena en una submatriz pasiva.

Fig. La figura. 5 : EIRP x G _r /T versus number of antenna elements in a passive subarray. 5: PIRE x _r G / T en función del número de elementos de la antena en una submatriz pasiva.