射频(RF)开关是控制RF信号在电路不同部分间路由的电子元件，例如开关信号或重定向信号。这些开关对许多通信技术的运作至关重要，包括智能手机、基站和无线网络。

最近，来自阿卜杜拉国王科技大学、巴塞罗那自治大学和其他研究机构的研究人员开发了可在超过100 GHz的惊人频率下运行的忆阻式射频开关。这些开关在《自然电子学》上发表的一篇论文中介绍，可能有助于提高现有通信设备的数据传输速率。

研究人员开发的射频开关基于忆阻器，这是一种在经过精心设计的电气应力后可以改变其电阻的双端电子器件。忆阻器本质上充当开关，可根据需求在关闭状态（即高阻抗阻断电流流动）和开启状态（即低阻抗允许电流流动）之间切换。

论文的主要作者Mario Lanza告诉Tech Xplore说："用于毫米波(mmWave)应用的RF数据传输开关是现代无线收发器中覆盖5G和6G通信频段的基本构建模块。它们的功能概念相当简单：在(i)阻断来自电路不同部分的高频信号（隔离），和(ii)以尽可能低的功率损耗传输信号之间切换。这听起来可能很简单，但实际上非常具有挑战性，特别是当宽带通信标准被推向更高频率（超过数百GHz）以改善电信数据速率时。"

在超过100 GHz的频率下，非理想性、器件寄生效应和性能需要被仔细且全面地考虑以获得可接受的性能。这些需求由集成电路(IC)中的不同组件解决，包括微机电系统(MEMS)、半导体器件如晶体管、二极管或可变电容，以及最近还包括基于金属-绝缘体转变材料的忆阻器。

所有这些组件都有其独特的优势。然而，利用它们开发能在超过100GHz频率下运行的无线通信解决方案到目前为止仍然是一个巨大的挑战。

研究的第一作者Sebastian Pasos博士说："忆阻器是相对简单的结构，在金属电极之间夹着一层绝缘或半导体层（即一个电容器），能够通过电刺激持续改变其电阻。基于单层二维材料（如六方氮化硼(h-BN)或二硫化钼(MoS2)）的忆阻器已被探索用作RF开关。"

对单层二维材料基忆阻器施加受控应力会促使导电金属丝的形成和破坏。当器件处于开启状态时，这种金属丝会产生非常低的电阻，使操作频率可达480 GHz。

尽管发现它们能达到令人期待的操作频率，但基于单层二维材料的忆阻式射频开关通常存在显著的局限性。最显著的是，它们通常表现出有限的耐久性和不确定的产率，这在不同器件和周期之间可能有很大变化。

Pazos说："通常研究的简单串联开关架构也有应用限制。为了解决耐久性和可变性问题，我们考虑使用多层h-BN（而不是单层），我们过去使用这种材料时忆阻器的产率更高。因此，我们制造了大量布置在RF波导结构上的金属/h-BN/金属忆阻器阵列，这种结构允许在高频下表征器件。"

Lanza和他的同事开发的多层h-BN RF开关通过控制h-BN中的一个或多个导电丝来运作。这些金属丝的形成、生长和逐步破坏可以通过仔细地向忆阻器施加应力电信号（以电压/电流脉冲的形式）来引发。

Lanza说："通过化学气相沉积(CVD)制造的多层h-BN具有良好的绝缘性能，相对较低的介电常数（~4）。这种绝缘体的一个独特特征是存在缺陷簇，这些缺陷簇通过金属离子的迁移促进丝状电阻开关，同时将金属丝的生长限制在这些由高度稳定的晶体h-BN包围的缺陷区域内。"

团队设备中形成的金属丝可以通过称为焦耳热的电流流动过程被破坏。这使得在任何应力极性下都可以切换设备中的电磁信号。

换句话说，团队的开关可以用正电压或负电压操作，也可以用两者的组合操作，而不是其他只有在两种极性电压都施加时才工作的忆阻器。这可能会促进新的忆阻式RF开关在电路内的集成，因为它简化了它们的操作。

Lanza解释说："由于h-BN在忆阻结构中是一种大部分惰性的绝缘体的独特特性（使金属离子能自由迁移而不与金属电极交换其他离子，如氧），金属丝是金属性的，这使得开启电阻非常低，导致在高达120 GHz的频率下功率损耗非常低（<1 dB）。此外，它们简单的金属-绝缘体-金属三明治结构使它们易于集成到广泛的技术平台和应用中，从单片集成电路到微带和多层PCB技术。"

Lanza及其同事最近的研究展示了多层h-BN忆阻器在开发下一代通信技术方面的潜力，表明它们可以作为高频开关。这些忆阻式RF开关可能有助于引入未来更快通信的移动网络标准，如5G和6G。

使用脉冲控制，Lanza和他的同事还能够在他们的设备中实现非常低的开启电阻，这是实现高频操作的一个关键要求。这种令人期待的低开启电阻还伴随着有限的周期间变异性，这意味着团队的设备在切换事件之间表现出色，并在数百甚至数千次切换周期后仍保持其性能。

Lanza说："获得这些结果对忆阻器来说是一个根本性的挑战，特别是对于用于RF毫米波应用的基于2D材料的忆阻器。事实上，我们报告的改进至少是之前努力的10倍。此外，通过串联和并联配置的忆阻器排列构建RF开关电路，为这些忆阻器设备提供了更实用的范围，这是之前未能实现的。"

"这是在显示出与成熟的RF开关技术（如CMOS开关或相变忆阻器）具有潜在竞争力的性能的同时实现的，但频率超过200 GHz。"

这个研究团队引入的新型忆阻式RF开关可能很快就会被集成到各种IC中，以进一步评估其性能和实际潜力。这些有前景的设备的一个关键优势是，理论上它们应该容易与成熟的电子和制造工艺集成。

Lanza补充说："我们在之前的工作中已经展示了h-BN忆阻器可以与CMOS电路集成，在存储器和神经形态应用方面显示出有希望的性能结果。将此进一步扩展到高频RF/毫米波领域现在将帮助我们构建更复杂的应用，充分利用我们设备的潜力，进一步提高它们的可靠性，并使我们更接近实际应用。这可以最大化这项技术的影响，并为下一代毫米波电路提供可能的解决方案，例如可配置的高频通信电路、组件和片上天线阵列。"