利用MEMS开关表征高性能天线调谐器件
Mike Seibel and
Brian Denheyer, NI；Tamir Moran,
Menlo Microsystems
评估下一代技术与现有技术的性能是一项长期的挑战。测试行业从透彻了解测试方法的基本原理入手，不断应对这一挑战。在这种理解的指导下，选择能够完成当前任务的技术。这就是对下一代高性能天线调谐开关(ATS)的谐波和S参数进行表征的挑战。天线调谐开关用于宽带天线，以提高天线的效率。由于开关可置于信号链中的滤波器之后，因此它们必须非常线性，以防止产生天线通带内的谐波。考虑到被测ATS的特性，测试系统必须能够在大功率基本信号电平约为10W的条件下测量极低的谐波电平：-140dBc左右。用于表征ATS的测试系统如图1，图1中的ATS配置为直通测量，图2中的ATS配置为分流测量。![]()
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这两种情况下使用的都是NI（现为艾默生公司的一部分）半导体测试系统。它能产生一个倍频程带宽和10W的大功率信号。测试信号通过开关矩阵传输到被测设备（DUT），并测量DUT产生的高达20GHz的谐波。最好能同时连接多个DUT，以减少测试时间和每个DUT的测试成本。在测试序列中，开关矩阵可分别创建从功率放大器（PA）和接收器到每个DUT的路径。用于谐波测量的基音由一台NI PXIe-5842矢量信号收发器产生，该装置配有一台NI PXIe-5632矢量网络分析仪。该配置还可在分流或直通位置对DUT执行S参数测量。测试信号的调节首先从PA开始，紧接着是一个环行器，它提供了一个路径来测量由于放大器失配而反射的功率。前向耦合器可用于监测和校准输出功率。需要低通滤波器来过滤放大器谐波。双工器可分隔基波和谐波之间的频带。高通滤波器在双工器的RX端对基波进行额外滤波。由于信号功率大，放大器和滤波器组件体积庞大，需要电缆互连，所有这些因素加在一起占用了宝贵的空间。灵活的多DUT连接功能的缺点是需要多个开关。这种结构会在信号路径中形成开关树。由于这些开关会衰减大功率信号，因此低插入损耗非常重要，而使用SP4T开关有助于降低损耗。多个开关会对线性度造成挑战。每个开关都会产生谐波，这些谐波会出现在测试信号上并被反射，从而影响测量结果。最后，要实现测试系统所需的高连接密度，开关的小尺寸至关重要。测试高频ATS的方法给开关带来了负担。它必须能处理大功率、失真低、损耗小、开关速度快，而且占用空间小。开关必须能提供直流连接，这样才能对DUT进行电阻和漏电测量。最佳测试结果在很大程度上取决于开关的选择。要选择正确的元件，就必须全面了解可用的选项。一个完美的开关在偏置导通时没有电阻，在偏置关断时电阻无限大。它可以瞬间切换，改变状态或保持接通状态都不需要电源，在任何功率水平下都能通过电信号，体积非常小，可以永久使用，而且不需要任何成本。然而，这种装置并不存在，因此必须平衡开关的优点和缺点，以尽可能接近理想开关。用于高频应用的开关技术主要有两种：固态和机电。每种类型都有多种选择：固态：绝缘体上硅（SOI）；PIN二极管；砷化镓场效应晶体管（GaAs FET）；GaN FET。就固态开关而言，PIN二极管是电流控制型，而FET是电压控制型。两者都可以在不同的半导体工艺中实现，如GaAs、AlGaAs、GaN和硅。对于基于FET的开关，SOI和蓝宝石上硅也是常用的工艺。使用PIN二极管需要进行一系列复杂的权衡。其中一些主要优点包括：
