Hướng dẫn toàn diện về chuyển mạch PXI RF: MEMS so với EMR và Solid State

2023.12.06

Ứng dụng

Hướng dẫn toàn diện về chuyển mạch PXI RF: MEMS so với EMR và Solid State

Hướng dẫn toàn diện về chuyển mạch PXI RF: MEMS so với EMR và Solid State

Trong thế giới thử nghiệm và đo lường, độ chính xác, hiệu quả và khả năng thích ứng là điều cần thiết để thành công. MEMS, viết tắt của Microelectromechanical Systems, là một công nghệ chuyển mạch vi mô đang cách mạng hóa lĩnh vực này, đặc biệt là trong chuyển mạch RF. Các thiết bị MEMS kết hợp cả bộ phận chuyển động cơ học và điện tử, bao gồm các bộ phận có kích thước từ 1 đến 100 micromet.

Lần đầu tiên được Đại học Utah trình bày cho DARPA (Cơ quan Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến) vào năm 1968, các thiết bị MEMS đã được đưa vào nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm máy in phun, máy đo gia tốc trong ô tô hiện đại để triển khai túi khí, con quay hồi chuyển kiểm soát độ ổn định điện tử cho máy bay không người lái và chuyển mạch quang học, nhưng cho đến nay chỉ có thể truyền những tín hiệu nhỏ, khiến chúng không phù hợp để thử nghiệm điện.

Về các bộ chuyển mạch điện cơ, chuyển mạch MEMS được chế tạo trên nền silicon có cấu trúc ba chiều được gia công vi mô (sử dụng kỹ thuật xử lý bán dẫn) để tạo ra các tiếp điểm của rờ-le chuyển mạch. Các tiếp điểm sau đó có thể được cấp điện bằng từ trường hoặc tĩnh điện. Giống như rờ-le lưỡi gà (Reed), MEMS có thể được chế tạo sao cho các tiếp điểm chuyển mạch được bịt kín (trong gói gốm hoặc ở mức silicon) và điều này thường dẫn đến đặc tính chuyển mạch nhất quán ở mức tín hiệu thấp.

Trong nhiều năm qua, đã có nhiều bài viết về triển vọng của công nghệ MEMS dành cho chuyển mạch RF như một giải pháp thay thế cho các giải pháp chuyển mạch rờ-le Cơ điện (EMR) và Solid State (SS) thường được sử dụng. Tuy nhiên, những thách thức kỹ thuật đã hạn chế tiềm năng mà nó có thể mang lại trên thực tế. Nhiều trở ngại trong số này hiện đã được giải quyết và các giải pháp chuyển mạch RF khả thi về mặt thương mại hiện đang thu hút được sự chú ý của các ứng dụng Kiểm tra & Đo lường (T&M), trong đó có những ứng dụng cần tốc độ chuyển mạch nhanh và tuổi thọ hoạt động rất dài, bên cạnh hiệu suất RF suy hao thấp, ổn định.

Ưu điểm của công nghệ chuyển mạch MEMS

Hiệu suất và khả năng được chứng minh trong cả tương lai: Bộ chuyển mạch Solid State có tuổi thọ gần như vô hạn nhưng độ suy hao chèn cao và đường dẫn tín hiệu được ghép AC, khiến chúng không phù hợp với nhiều ứng dụng RF. Mặt khác, rờ-le điện cơ (EMR) thể hiện các đặc tính RF tuyệt vời từ DC đến khoảng 3 GHz với tổn thất chèn thấp. Tuy nhiên, tuổi thọ điển hình của chúng là 10 triệu hoạt động, hạn chế việc sử dụng chúng trong các môi trường thử nghiệm có khối lượng tương đối thấp. Điểm hấp dẫn của bộ chuyển mạch MEMS là chúng có hiệu suất RF vượt trội của EMR cùng với tuổi thọ dài của bộ chuyển mạch SS. Bộ chuyển mạch MEMS cũng có thể hoạt động ở tần số cao hơn EMR, khiến chúng trở thành lựa chọn phù hợp trong tương lai và cho phép bạn thử nghiệm các sản phẩm tiên tiến hơn mà không cần nâng cấp.

Tuổi thọ: Thiết bị chuyển mạch MEMS được thiết kế có độ bền cực cao, với tuổi thọ vượt xa các giải pháp dựa trên EMR truyền thống. Điều này rất quan trọng, chẳng hạn như đối với những khách hàng trong mảng bán dẫn khối lượng lớn với hoạt động thử nghiệm 24/7, trong đó việc bảo trì hệ thống thường xuyên có thể là mối quan tâm đáng kể. Điều đó cũng có nghĩa là các bộ chuyển mạch MEMS lý tưởng cho các ứng dụng HALT (Kiểm tra tuổi thọ tăng tốc cao) và HASS (Sàng lọc ứng suất tăng tốc cao), trong đó các quy trình kiểm tra có thể mất vài tuần để hoàn thành. Bộ chuyển mạch MEMS mang lại thời gian hoạt động hơn 300 lần và thông lượng hệ thống thử nghiệm gấp 60 lần so với các giải pháp dựa trên EMR.
Giảm chi phí kiểm tra: Nhờ tuổi thọ và tốc độ, bộ chuyển mạch MEMS có thể giảm đáng kể chi phí kiểm tra so với các giải pháp EMR. Bạn sẽ chi tiêu ít hơn cho việc bảo trì hệ thống và có thể tăng công suất thử nghiệm mà không tăng chi phí tương ứng.
Suy hao chèn thấp: Để duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu trong quá trình thử nghiệm, bộ chuyển mạch MEMS có mức suy hao chèn thấp, có thể so sánh với EMR và tốt hơn đáng kể so với bộ chuyển mạch SS.
Đa dạng ứng dụng: Bộ chuyển mạch MEMS RF có thể xử lý 25 W trên 10 MHz so với 10 W đối với EMR. Khả năng xử lý công suất cao này cùng với khả năng chuyển mạch nhanh có nghĩa là chúng có khả năng phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe hơn là EMR.

Nhược điểm của công nghệ chuyển mạch MEMS

Mặc dù công nghệ MEMS mang lại nhiều lợi ích nhưng điều quan trọng là phải nhận thức được những hạn chế của nó:

Chuyển mạch nóng: Bộ chuyển mạch MEMS không xử lý tốt chuyển mạch nóng và phải luôn được chuyển mạch nguội, tức là hoạt động khi không có tín hiệu. Chuyển mạch nóng, trong đó tín hiệu được kết nối trong khi bộ chuyển mạch đang hoạt động, có thể gây ra hồ quang, có thể làm hỏng các tiếp điểm MEMS cực nhỏ. Các yếu tố như phóng điện tụ điện và cáp cũng phải được xem xét khi sử dụng công nghệ MEMS để tránh các sự cố chuyển mạch nóng do vô tình.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự lựa chọn: Việc lựa chọn giữa MEMS và các công nghệ chuyển mạch khác phụ thuộc vào số lượng hoạt động được quy định bởi các yêu cầu kiểm tra, nhu cầu chuyển mạch nhanh cũng như các yêu cầu về tổn hao điện và tổn thất chèn.

Giải pháp chuyển mạch Solid State và MEMS so với EMR

	MEMS	EMR	Solid State
Dải tần số	DC ~ 4 GHz (có thể sử dụng tới 5 GHz)	DC ~ 3 GHz	10 MHz ~ 8 GHz
Suy hao chèn	<1.4 dB ~ 4 GHz	<1.0 dB ~ 3 GHz	<6.0 dB ~ 8 GHz
VSWR	<1.5:1 ~ 4 GHz	<1.4:1 ~ 3 GHz	<1.95:1 ~ 8 GHz
Công suất RF tối đa	25 W tại 4 GHz	10 W tại 3 GHz	4 W tại 8 GHz
Thời gian hoạt động	50 micro giây	3 micro giây	50 micro giây
Tuổi thọ	3 tỷ hoạt động	10 triệu hoạt động	Không xác định
Chuyển mạch nóng	Không	Khả năng chịu đựng tốt hơn	Khả năng chịu đựng thấp
Giá mỗi kênh được chuẩn hóa thành EMR	1.3	1	1.9

*Số liệu dành cho các thiết bị chuyển mạch Pickering PXI điển hình cho từng công nghệ.

Hợp tác của Pickering Interfaces với Menlo Micro

Để đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng từ các khách hàng bán dẫn, gần đây Pickering Interfaces đã hợp tác với Menlo Microsystems - một công ty công nghệ chuyên phát triển công nghệ MEMS tiên tiến cho nhiều ứng dụng - để giúp cải tiến sản phẩm bộ ghép kênh RF dựa trên PXI & PXIe MEMS của Pickering Interfaces. Menlo Micro đã đi đầu trong việc hoàn thiện việc chuyển mạch điện trong môi trường MEMS, khiến Menlo Micro trở thành một trong những công ty đầu tiên đạt được thành tích này và hoàn toàn phù hợp với sứ mệnh tại Pickering Interfaces là đáp ứng nhu cầu từ các khách hàng bán dẫn.

Sự hợp tác này đã dẫn đến việc tạo ra dòng sản phẩm MEMS của Pickering Interfaces, mang lại một số lợi thế quan trọng cho sự thành công của khách hàng. Không giống như rờ-le điện cơ truyền thống (EMR), các mô-đun dựa trên MEMS mà Pickering Interfaces đã phát triển bằng cách sử dụng Ideal Switch® của Menlo Micro, cung cấp các đặc tính RF tuyệt vời lên đến 4 GHz và tuổi thọ vượt lên trên 3 tỷ hoạt động, một cải tiến đáng kể so với mức tối đa 10 triệu hoạt động thông thường được cung cấp bởi các giải pháp dựa trên EMR.

Thông số kỹ thuật chính cho Bộ ghép kênh RF dựa trên MEMS 40/42-878 PXI & PXIe

Dạng mô-đun PXI hoặc PXIe
Bộ ghép kênh RF 4 GHz
Công suất RF tối đa lên tới 25 W
Tuổi thọ lên đến hơn 3 tỷ hoạt động
Có sẵn các phiên bản đơn, kép và bốn mô-đun
Lựa chọn phiên bản đầu nối SMB hoặc MCX
Suy hao chèn rất thấp
Thời gian hoạt động nhanh (50 micro giây)
Driver được cung cấp cho Windows và Linux, hỗ trợ hệ thống Real-Time
Các phiên bản PXI được hỗ trợ bởi máy chính PXI hoặc LXI

Tóm tắt

Công nghệ chuyển mạch MEMS là yếu tố thay đổi cuộc chơi dành cho khách hàng. Bằng cách cung cấp tốc độ, độ bền, giảm chi phí thử nghiệm và tổn hao chèn thấp, bộ chuyển mạch MEMS đã trở thành một tài sản vô giá trong lĩnh vực này. Hiểu được những hạn chế và lợi ích của chúng là rất quan trọng nhằm lựa chọn công nghệ phù hợp đáp ứng yêu cầu thử nghiệm của bạn đồng thời đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa độ chính xác và hiệu quả.