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。
