利用并联的MEMS开关和固态开关的开关体系结构

发明领域

本发明的实施例涉及开关，更具体地说，涉及包括与固态开关 并联组合的微机电系统开关的开关。

背景信息

有许多应用要求快速的开关速度。例如对于多模式多频带蜂窝 电话应用，例如GSM(全球移动通信系统)，GPRS(通用分组无线电业 务)以及3G(第三代无线)，天线转换器要将天线转换到不同的频带并 在发射(TX)和接收(RX)模式之间转换。目前将固态开关用于此目的。 虽然RF(射频)MEMS开关金属触点串联开关一般都具有好得多的插入 损耗和隔离特性，但它们比固态开关慢得多。

参阅图1A和1B，图中分别示出MEMS直插式悬臂梁金属触点串 联开关的侧视图和顶视图。这种类型的MEMS开关可以用已知的MEMS 制造工艺制造。

如图所示，在衬底100上形成开关。可以在衬底100的一侧形 成金属化的信号线102，并且可以在衬底100的第二侧形成第二信号 线104。悬臂梁106可以固定在第二信号线104上。在第一信号线102 的上方悬臂梁106的下侧形成凸块(电极)108。可以在悬臂梁106的 下方，在衬底100上激励板110形成。通过在激励导线112上加电压 使激励板激励，将悬臂梁106向下拉，导致凸块108与第一信号线102 电接触。这接通了开关因而在第一信号线102和第二信号线104之间 形成电信号通路。

对于TX/RX转换，通常需要几微秒的速度。MEMS开关为达到这 个速度，开关结构(即悬臂梁106)最好是非常刚性的，使得机械谐振 频率很高。这也就是说开关所需的激励电压较高(40-100V)才能克服 此刚性。在这种情况下，就需要高电压驱动芯片。这种驱动芯片可 以利用特殊的CMOS工艺制造以获得此激励电压。这些常常很昂贵， 增加了开关模块的总成本。

附图简要说明

图1A和1B分别是MEMS开关的侧视图和顶视图；

图2是绘制激励电压和开关速度的关系曲线并示出MEMS开关的 间隙大小的示意图；

图3是单刀双掷天线开关的方框图；

图4是将固态开关阵列用于TX模式而将单一固态开关用于RX 模式的天线转换器的方框图；

图5是按照本发明一个实施例利用并联的固态开关和MEMS开关 的天线转换器的方框图；

图6是显示在斜坡上升/下降期间以及在信号发射期间MEMS和 固态开关序列的示意图；

图7是说明RX到TX转换序列的流程图；

图8是说明TX到RX转换序列的流程图。

详细说明

固态开关和MEMS开关在某些开关应用中都具有优点和缺点。具 体地说，使用半导体组件且没有可动部分的高速固态开关速度很快 但制造较昂贵。比起MEMS开关，它们工作所需的功率也较少。但固 态开关往往比MEMS开关有较高的插入损耗。插入损耗是指在开关输 入和开关输出之间信号所受到的功率损失。MEMS开关通常具有较小， 也就是较好的插入损耗。但MEMS开关的制造成本较高且在高速应用 时比固态开关要消耗更多的功率。

表1按照本发明的实施例对固态天线开关和MEMS RF(射频)开关 的特性做了比较。

表1 MEMS开关和固态开关的比较

如表所示，MEMS开关具有较好的插入损耗，但其代价是MEMS开 关通常慢得多。事实上，MEMS开关可能太慢而不能应用于某些高速 应用，例如天线转换应用等。此外，如图2所示，为了使MEMS开关 更快，一般使它们更具刚性，于是需要更大的激励电压。在一些蜂 窝电话中，最高的电压是大约15V，用于显示器。此外，许多CMOS 工艺能够生产15-20V，但通常不能再高很多。对于实际的间隙大小 (0.5-1μm)(指的是凸块108和接触信号线触点102之间的间隙)，15V 激励电压的开关时间，即使不考虑开关的稳定时间，也比8μs大很 多。

图3是用于单频带GSM蜂窝电话的单刀双掷天线转换器300的 简单方框图。开关310只是在接收器314和发射器316之间转换天线 312。但当使用MEMS开关时，每个单一开关可能不能传输用于GSM发 射的足够的电流。

所以，如图4所示，串联开关阵列318用于发射(TX)，而单一 开关320仍可以用于接收(RX)。而且，为了改善隔离，也可以使用分 路开关322。为了改善隔离，当相应的分路开关318或320接通时， 这些分路开关322或者将接收器314或者发射器316连接到地。

为了利用两种开关的所需特征，本发明的实施例提供一种利用 并联的MEMS开关和固态开关的体系结构。按照实施例，通过固态开 关获得较快的开关速度，通过MEMS串联开关获得较低的插入损耗， 并通过MEMS分路开关获得高的隔离。

参阅图5，天线500通过多组并联连接的MEMS开关(M)和固态开 关(S)连接到或者接收器502或者发射器504。如图所示，接收器502 通过并联连接的固态开关S506和MEMS开关M508连接到天线500。 同理，发射器通过固态开关S510和与固态开关S510并联连接的MEMS 开关阵列M512连接到天线500。MEMS开关阵列M512包括多个MEMS 开关(图中示出6个以示说明，即M514-M519)，以便容纳发射所需的 较高电流。但在MEMS开关阵列中也可以使用较多或较少的开关，根 据特定应用的发射电流而定。

为了改善接收器502的隔离特性，可以使用并联电路，所述并 联电路包括最好是并联连接的MEMS开关M520和固态开关S522，以 便在接收器502与天线500断开时将接收器502短路到地。同理，为 了改善发射器504的隔离特性，也可以使用第二个并联电路，它包 括并联连接的MEMS开关M524和固态开关S526，以便在发射器504 与天线500断开时将发射器504短路到地。

本发明实施例最简单的形式可以包括连接到第一电气装置(在此 例中为天线500)的第一触点507和连接到第二电气装置(在此例中或 者是接收器502或者是发射器504)的第二触点509。将较快的开关例 如固态开关S506连接在第一触点507和第二触点509之间。将较慢 的开关例如机械(MEMS)开关M508以与所述固态开关S506并联的形式 连接在第一触点507和第二触点509之间。这种并联的MEMS/固态开 关配置利用了固态开关的快速转换时间并且利用了MEMS开关改善的 插入损耗和隔离特性。作为另一个优点，利用与MEMS开关并联的固 态开关改善了转换操作期间系统的瞬时频谱。

作为实例，参阅图6，对于GSM/GPRS(全球移动通信系统/通用 分组无线电业务)应用，发射功率的斜坡上升和下降周期为28μs。 所以，原则上只要MEMS开关能在斜坡周期接通或断开，利用MEMS开 关就能满足要求。对于28μs的转换时间，MEMS开关的激励电压可 以降到15V以下。15V以下的激励电压电源芯片可以用普通的CMOS 工艺制造，因此生产成本比较经济。而且对于这种激励电压范围， 可以利用蜂窝电话中已有的电压源，因为显示器一般使用15V左右 的电压。

但是，即使MEMS开关能以可接受的速度在可接受的激励电压下 进行转换，这些比较慢的MEMS开关仍会严重干扰斜坡(上升/下降)周 期的瞬时频谱，这是不能接受的。这一缺点也要通过利用和MEMS开 关并联的固态开关来解决，使得快速的固态开关能覆盖斜坡周期以 避免瞬时频谱的问题。由于仅在斜坡周期需要固态开关，然后它们 就被断开，低插入损耗的MEMS开关就覆盖了数据发射期间，用于固 态开关的大约90％的功率就可节省下来。所以本发明的实施例也可 降低功耗。

利用图5获得的图6显示当将接收器502或发射器504转接到 天线500时在斜坡上升和下降期间固态转换和MEMS转换的曲线图。 对于GSM或增强型GSM应用，分配28μs用作斜坡上升和斜坡下降。 这样，只要MEMS转换动作在此斜坡周期内能够完成，所述开关配置 就可适用。并联的转换较快的固态开关用来避免瞬时频谱问题。因 MEMS开关的通断动作引起的干扰不会显著降低瞬时频谱的质量，并 可通过斜坡DAC(数/模变换器)中预失真进行补补偿。所述预失真是 用来对放大器的非线性进行补偿的一种技术。功率放大器(PA)通常在 其输入和输出之间具有某种非线性转换功能。这种非线性应加以补 偿(在一定程度上)以符合频谱发射的要求。所以，预失真可以认为 是PA非线性的一种反演功能。

在此实例中，利用这种与固态开关并联的MEMS开关结构，对MEMS 开关的速度要求可降低，仅需在28μs内达到稳定状态。如图所示， MEMS开关和固态开关二者同时接通(即关闭)。MEMS开关在连接到天 线的整个持续时间内保持接通状态，负责进行信号发射。相反，固 态开关仅在斜坡上升和斜坡下降期间被激励。换句话说，在整个开 关周期，固态开关仅被激励28μs，而不是(2*28+542.8)μs，这将(固 态开关的)总功耗降低了90％。在信号发射期间(542.8μs)，实现了 MEMS开关的低插入损耗的优点。

图7是说明当天线在接收器和发射器之间转换时的转换序列的 流程图。相反，图8是说明当天线在发射器和接收器之间转换时的 转换序列的流程图。以有助于理解本发明实施例的方式，以依次进 行的多个分立的方框的形式描述各种操作。但是不应该把描述它们 的顺序理解为这些操作必需按此顺序进行，或操作必需以方框图所 示的顺序进行。

参阅图7，当天线500在接收器502和发射器504之间转换时， 在方框700，控制信号断开M508(S506已处于断开状态)，S522和M520 接通。在接通状态时，M502在M508断开时对接收器502提供较好的 隔离。在方框702，控制信号接通S510和MEMS阵列M512，而S526 被断开(M524已处于断开状态)。在方框704，隔离开关S522断开以 节省功率，而隔离开关M520保持接通。最后，在方框706，S510在 斜坡周期后断开以节省功率，而MEMS阵列M512执行信号发射。

同理，图8示出当使天线在发射器504和接收器502之间转换 时的转换序列。在方框800，控制信号断开MEMS阵列开关M512(S510 已处于断开状态)，S526和M524接通，为发射器504提供改善的隔 离。在方框802，控制信号接通S506和M508，将接收器502连接到 天线500，隔离开关M520断开(隔离开关M520已处于断开状态)。在 方框804，发射器隔离开关S526断开以节省功率，并且由M524提供 隔离。最后，在方框806，在斜坡周期之后固态开关S506断开以节 省功率，而由MEMS开关M508执行从天线500到接收器502的信号传 输。

已对本发明的实施例做了具体的图示和/或说明。但是，应当指 出，在不背离本发明的精神和范围情况下，对本发明的各种修改和 变更被以上的论述所覆盖并且落在所附权利要求书的范围内。