»HF-MEMS-Relais sind ‘erwachsen’ geworden«

7. April 2009, 11:57 Uhr | Nicole Kothe, Markt&Technik
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Nach Überzeugung der Experten von Omron gehört den Hochfrequenzrelais auf MEMS-Basis die Zukunft: Sie vereinen die hohe Signalintegrität elektromechanischer Relais mit der hohen Schaltgeschwindigkeit und der langen Lebensdauer eines MOSFET-/PIN-Dioden-Relais.

Vier Techniken haben jahrelang den Markt für HF-Schaltkomponenten dominiert: Halbleiterrelais auf der Basis von MOSFETs oder PIN-Dioden, Reed-Schalter bzw. -Relais, mechanische Hochfrequenzrelais und Koaxialrelais. Welche Technik die geeignetste ist, entscheidet die jeweilige Priorität der Kriterien Frequenzbereich, Schaltgeschwindigkeit, Größe, Kosten und Lebensdauer. MEMS-Hochfrequenzrelais könnten die klassische Aufteilung der bestehenden Technologien gemäß ihrer jeweiligen Stärken und Schwächen bei diesen Kriterien aufheben, mehr noch: Sie bringen in spezifischen Anwendungen Vorteile bei gleich mehreren dieser Faktoren.

Die aktuellen HF-Schalttechnologien

MOSFETs bieten heutzutage die niedrigsten Preise und höchsten Schaltgeschwindigkeiten. Sie sind kompakt und verkraften praktisch unbegrenzt viele Schaltvorgänge. Aber diese Komponenten basieren auf Halbleitertechnologien und bringen daher auch Nachteile mit sich: Die höhere Einfügedämpfung im geschalteten, sowie die geringere Isolation im sperrenden Zustand setzen der Leistungsfähigkeit physikalische Grenzen. »Diese parasitären Effekte wirken sich auf Linearität und Dämpfung aus«, erklärt Jens Vogt, Market Development Manager MEMS Technology bei Omron Electronic Components Business Europe. »Unter dem Strich führt das dazu, dass MOSFETs nur im unteren Frequenzbereich mit einigen hundert MHz bis zu etwa 1 GHz eingesetzt werden können.«

• Mit PIN-Dioden kann man die Vorteile der Halbleiterrelais auch bei höheren Frequenzen und Leistungen nutzen. Aufgrund ihrer technischen Eigenschaften überzeugen sie durch ihre kurzen, im Mikrosekundenbereich liegenden Schaltzeiten. »Wie die MOSFETs haben PIN-Dioden allerdings ihre Grenzen bei der relativ geringen, bei ca. 20 dB liegenden Isolation «, verdeutlicht der Experte. »Ferner benötigen sie eine relativ hohe Sperrspannung, um den hochohmigen Aus-Zustand aufrecht zu erhalten. Ungünstiger noch ist die Eigenheit der PIN-Dioden, dass Einfügedämpfung und Isolation von der Frequenz des übertragenen Signals abhängen.«

Reed-Relais bieten die Vorteile elektromechanischer Schaltlösungen. Die Einfügedämpfung ist geringer und die Impedanz im geöffneten Zustand praktisch unendlich hoch. Obwohl ihr Volumen deutlich über dem von MOSFETs liegt und sie ca. fünfmal mehr kosten, kann man viele davon auf Leiterplatten unterbringen. Reed-Relais können recht zerbrechlich sein, da ihre magnetisch betätigten Kontakte üblicherweise in einen Glaszylinder eingebaut sind. »Ebenso wie bei den MOSFETs, nehmen auch die Probleme mit Reed-Relais zu, je höher die Frequenz des zu schaltenden Signals ist«, erklärt Vogt. »Ihre Konstruktion weist in der Regel eine koaxiale Abschirmung innerhalb der Spule auf, weshalb sich das Reed-Relais für hochfrequente Signale wie eine Wellenleitung darstellt. Selbst wenn man die Konstruktion verkleinert, um die parasitäre Kapazität zu reduzieren, können Reed-Relais Signale nur bis ca. 6 GHz übertragen.«

Bei noch höheren Frequenzen können mechanische Hochfrequenzrelais punkten. »Im Unterschied zu MOSFETs sind sie im eingeschalteten Zustand komplett eingeschaltet«, führt Vogt aus. »Im ausgeschalteten Zustand stellen sie für den Signalpfad eine maximale Isolation dar. Die marktführenden Produkte weisen eine hervorragende Signalintegrität auf, allerdings ist die Lebensdauer wegen ihrer mechanischen Grundkonstruktion vergleichsweise eingeschränkt. Mit Hilfe von Fertigungstechniken wie etwa Tri-Plate oder Microstrip-Wellenleitungen erhalten Hochfrequenzrelais eine HF-Performance, die zweifellos über der von MOSFETs liegt.« Bis 10 GHz einsetzbare Hochfrequenzrelais seien mit Abmessungen von typisch ca. 14 x 9 x 8 mm deutlich größer als Reed-Schalter oder MOSFETs.

Geht es um noch höhere Frequenzen von über 10 GHz, bewähren sich mechanische Koaxialrelais durch ihre sehr niedrigen HF-Verluste und ihre enorme, zwischen 60 und 100 dB liegende Isolation. Gravierende Nachteile dieser Bauelemente sind nach Vogts Überzeugung ihre vergleichsweise großen Abmessungen, ihre hohe DC-Verlustleistung und ihre langsamen Schaltzeiten.


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