在卫星和无线通信领域,微波开关是构建冗余网络的关键组件,其性能的优劣直接影响着系统的可靠性和功能性。传统的电磁机械或半导体技术虽各有千秋,但随着通信技术向毫米波频段发展,对开关的小型化、高性能和高可靠性提出了更高要求。在此背景下,一种基于相变材料(PCM)的新型射频开关应运而生,为解决毫米波开关矩阵应用中的难题带来了新的曙光。
传统的电磁机械部件体积庞大、开关速度低,虽射频性能优异,但在卫星载荷应用中受到诸多限制。半导体技术虽在一定程度上弥补了这些不足,然而射频微机电系统(MEMS)技术存在可靠性问题,如介质充电、微焊接和粘连等。近年来,相变材料(PCM)在射频开关领域崭露头角。其中,碲化锗(GeTe)常用于存储器和光学介质,其通过嵌入式微加热器施加短热脉冲来改变材料电阻率的特性,为开发小型化、适用于毫米波应用的复杂射频设备提供了可能。
T 型射频开关凭借四个端口和六个信号路径,具备三种操作状态,在冗余网络中展现出高度灵活性,能有效应对各种信号路由需求。本文首次报道的基于 PCM 的紧凑型 T 型射频开关,采用独特的设计,将十二个 PCM 单刀单掷(SPST)串联开关巧妙排列,确保在任意给定信号路径中仅有两个 SPST 开关,从而降低射频负载,拓展工作频率范围。在三种操作状态下,该开关展现出卓越性能:状态 1 和状态 2 中,端口 1 - 2 与端口 3 - 4、端口 2 - 3 与端口 1 - 4 分别连接,射频性能一致;状态 3 中,端口 1 - 3 与端口 2 - 4 连接,虽插入损耗略高于前两者,但仍保持良好性能。在直流至 67GHz 频率范围内,插入损耗低于 1.6dB,回波损耗优于 17dB,端口间隔离度高于 26dB,这种性能表现为毫米波开关矩阵应用提供了坚实保障。
T 型开关的射频性能优化是设计的关键挑战。其内部结构复杂,包含多个关键组件,如 90 度弯曲结构、四端口射频交叉结构、偏置线、互连线和微加热器等。为避免电容耦合,信号路由采用 M2 层;90 度弯曲结构经过优化,可适应多根偏置线交叉而不干扰射频信号;射频交叉结构的设计更是精妙,通过优化金属层间介质厚度等参数,在实现理想射频匹配的同时降低信号损耗,确保了在整个工作频率范围内的出色性能,同时避免了使用空气桥,简化了设计。
该 T 型开关采用六层微制造工艺,在 400μm 蓝宝石晶片上进行加工。工艺涵盖三层金属层(M0、M1 和 M2)、一层 PCM 层和两层介质层(V0 和 V1),具体步骤包括高温溅射钨层(M0)、沉积氮化硅层(V0)、溅射 GeTe 层(PCM)、蒸发金层(M1)、沉积二氧化硅层(V1)和再次蒸发金层(M2),每个步骤都经过精细的图案化处理,确保了开关的精确构造。
制造完成的 T 型开关在测试中表现出色。光学显微照片展示了其紧凑的尺寸,优化后的 90 度弯曲和射频交叉结构在宽带操作中发挥了重要作用。电磁仿真和实际测量结果表明,在直流至 67GHz 频率范围内,开关的射频性能稳定可靠,与设计预期相符。不过,在初始原型测试中,也发现部分状态存在可靠性问题,如 PCM 在多次循环后出现熔化或开裂现象,目前研究团队正在积极改进,以提升开关的可靠性。
这款基于 PCM 的小型化 T 型射频开关在毫米波冗余开关矩阵应用中具有巨大潜力。它不仅为无线和卫星通信领域提供了更小型化、高性能的解决方案,也为相关技术的进一步发展奠定了基础。随着研究的深入,其可靠性将不断提高,有望在未来的通信系统中发挥更为重要的作用,推动毫米波通信技术迈向新的高度。