射頻開關在高低溫電測試試驗中的失效分析及改進

龔秀麗，孫紹強，李 鑫

（中國電子科技集團公司第四十研究所 安徽 蚌埠 233010）

射頻開關在高低溫電測試試驗中的失效分析及改進

龔秀麗，孫紹強，李 鑫

（中國電子科技集團公司第四十研究所 安徽 蚌埠 233010）

本文針對射頻開關在高低溫電測試試驗中，出現(xiàn)的各種接觸不良現(xiàn)象，進行了失效分析，找出了失效原因，提出了改進措施，其中最主要的改進措施是更改射頻開關輔助簧片上推桿作用力的位置。該措施采用ANSYS軟件對輔助簧片進行了應力仿真分析，并結合改進前后的高低溫電測試試驗，得出了改進后射頻開關輔助簧片對靜觸點的作用力增大，解決了輔助簧片接觸不良的現(xiàn)象。因此，改進后的射頻開關具有更好的可靠性。

射頻開關；單刀雙擲；低溫電測試；高溫電測試；失效分析

射頻開關[1-2]的失效主要是動作異常，而引起這一失效的主要因素有觸點材料[3-4]、觸點表面處理工藝[5]、觸點間隙[6-7]、動作時間[8-9]、動作頻率、動作電壓[10]、電流[11]、環(huán)境溫度[12]等。其中環(huán)境溫度是影響射頻開關動作異常的一個重要因素。文中根據(jù)射頻開關在高低溫電測試試驗中的各種失效現(xiàn)象，進行分析，找出失效原因，并提出了相應的改進措施。而針對最主要的失效原因進行了機構優(yōu)化改進，并通過應力仿真分析模型和改進后試驗結果得出，改進后的射頻開關具有更好的可靠性。

1 結構和工作原理

為了更好的分析射頻開關在高低溫電測試試驗中的失效原因，文中首先介紹射頻開關的整體結構和工作原理。

1.1 結 構

射頻開關都是由信號控制系統(tǒng)[13]、電磁轉換系統(tǒng)[14]、射頻傳輸切換系統(tǒng)[15]等3大部分組成。其組成框圖如圖1所示。以JPT-2T型單刀雙擲射頻同軸開關為例，其整體簡圖如圖2所示。

圖1 組成框圖

圖2 整體簡圖

1.2 工作原理

由圖3所示，JPT-2T型單刀雙擲射頻同軸開關的工作原理為：射頻繼電器的D型連接器1端和2端施加額定工作電壓+28 Vd.c.，相當于激勵電壓施加到線圈L上，線圈中有電流通過，在鐵芯中產(chǎn)生磁場，磁場力帶動鐵芯動作，使射頻端J3J2通道導通，而鐵芯動作又使鐵芯上的推桿向上推動，使 J3J2射頻通道指示端的輔助簧片接通。去電時，J3J2射頻通道和其指示端斷開，而J1J2射頻通道和其指示端導通。J2為射頻通道的公共端。

圖3 工作原理圖

2 高低溫電測試試驗

試驗：樣本數(shù)量為 25只，先進行低溫電測試試驗，后進行高溫電測試試驗。試驗具體條件如下：

1）低溫電測試試驗

①-55℃±3℃環(huán)境溫度下，保持1 h；

②開關分別施加最小工作電壓（24 Vd.c.）和最大工作電壓（32 Vd.c.）激勵試驗樣品動作，每個通道動作100次；

③射頻通道應施加電壓不大于6 Vd.c.、電流不大于5 mA的負載進行監(jiān)測（如指示燈）；

2）高溫電測試試驗

①85℃±3℃的環(huán)境溫度下，保持1 h；

②開關分別施加最小工作電壓（24 Vd.c.）和最大工作電壓（32 Vd.c.）激勵試驗樣品動作，每個通道動作100次；

③射頻通道應施加電壓不大于6 Vd.c.、電流不大于5 mA的負載進行監(jiān)測（如指示燈）；

試驗技術要求為：在低溫和高溫下，試驗樣品在激勵與去激勵過程中應動作正常。試驗結果如表1所示。

表1 高低溫電測試試驗結果

3 失效分析及優(yōu)化

3.1 失效分析

文中針對表1試驗結果，對樣品進行失效分析。根據(jù)開關的結構和工作原理，對信號控制系統(tǒng)、電磁轉換系統(tǒng)、射頻傳輸切換系統(tǒng)等3部分進行失效分析，失效原因及改進措施見表2所示。

表2 失效分析及改進措施

由表2可得，引起射頻開關失效的最主要因素為輔助簧片低溫冷縮和加工時硬度不均勻，并因此而導致開關在低溫下，在激勵與去激勵循環(huán)動作幾次后，輔助觸點出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象。由于受輔助簧片加工工藝的限制，本所不能加工出高精度的簧片，所以文中對輔助簧片的組件機構進行優(yōu)化改進。

3.2 優(yōu)化改進

改進前和改進后的輔助簧片的組件機構原理圖如圖4和圖5所示。靜觸點和輔助簧片一端約束固定，輔助簧片對靜觸點的壓力為0.2～0.4 N。根據(jù)設計要求，本文輔助簧片材料為鈹青銅，其許用應力為1 050 MPa，按照材料安全使用要求，在低溫-55℃下，輔助簧片上施加0.4 N的作用力，采用Static structural（ANSYS）模塊建立模型，得出其應力仿真分析圖，如圖6和圖7所示。

圖4 改進前原理圖

圖5 改進后原理圖

圖6 改進前應力仿真分析圖

由分析結果知，簧片所受到最大應力為40.0 MPa，小于許用應力，滿足使用要求。根據(jù)受力分析，將輔助簧片組件機構簡化為懸臂梁結構，推桿作用力設為F，由力矩平衡得，改進前簧片對靜觸點作用力為3F/4，改進后簧片對靜觸點作用力為4F/3，所以，在簧片滿足使用要求的前提下，改進后的結構接觸更好。

圖7 改進后應力仿真分析圖

為了驗證改進后的結構更好，文中則取25只改進后的產(chǎn)品進行高低溫電測試試驗，實驗結果如表3所示。

由表3可得，改進后的射頻開關在低溫和高溫條件下，在激勵與去激勵循環(huán)動作100次后，輔助觸點基本沒有出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象；6#開關高溫測試時，輔助觸點指示燈接觸不良，是因為溫度升高，輔助簧片表面氧化、腐蝕和磨損，導致接觸電阻增大，電流減小；12#開關由于電路板焊接失誤使兩控制線接頭直接短路；17#開關由于腔蓋孔存在多余物導致主簧片發(fā)生卡阻。

表3 高低溫電測試試驗結果

4 結 論

綜上所述，文中分析了射頻開關的各種失效現(xiàn)象，找出了失效原因，并提出了相應的改進措施。針對輔助簧片低溫冷縮和加工時硬度不均勻等主要失效因素，采取了優(yōu)化改進射頻開關輔助簧片組件機構的措施，并通過應力仿真分析和試驗得出，改進后的射頻開關具有更好的可靠性。

[1]楊靖治.GaAs MOSFET射頻開關器件與電路的研究[D].西安:西安電子科技大學，2014.

[2]張光輝,石玉,何澤濤.基于PIN管的多路大功率寬帶高線性射頻開關的研制[J].電子元件與材料，2012，31(11):59-62.

[3]REN Wan-bin,JIN Jian-bing,LI Dan.Design and application of a novel test rig for simulating and evaluating elec-tric arc and electrical contact characteristics of contact mate-rials[J]. Electrical Engineering Materials，2014（4）:28-32，37.

[4]薛升俊.超低速分合條件下鍍金觸點材料電接觸特性的實驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2014.

[5]左敏.鐵基納米晶磁芯縱向磁場熱處理工藝研究[D].南昌:南昌大學，2014.

[6]詹花茂，姚林志，李志兵.252kV GIS隔離開關特快速暫態(tài)過電壓試驗中觸頭間隙重復擊穿過程研究[J].電網(wǎng)技術，2014，38（9）:2570-2574.

[7]楊曉鋮，王 茜，劉金文.電觸點間隙動態(tài)特征測量研究[J].電工材料，2014（6）:3-8，16.

[8]鄭貴林，陳曦.基于滑動窗口法的智能開關動作時間動態(tài)預測[J].自動化與儀表，2014（8）:61-64.

[9]徐永亮.電氣設計中自動轉換開關電器動作時間的探討[J].現(xiàn)代建筑電氣，2013，4（9）:41-44.

[10]王華昕，藍元良，湯廣福.限流器晶閘管閥自觸發(fā)保護動作電壓閾值設計[J].高電壓技術，2011，34（7）:1811-1817.

[11]耿江海.變壓器鐵心一點接地工作電流計算[J].變壓器, 2013，50（4）:33-35.

[12]劉 雷，張高飛，尤政.環(huán)境溫度對RF-MEMS開關閉合電壓影響研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，32（5）:6-8.

[13]韓佳鑫.車站信號控制系統(tǒng)中PROFIBUS現(xiàn)場總線的應用與設計[D].北京:北京交通大學，2012.

[14]凌闖，操基德.一種射頻繼電器電磁系統(tǒng)設計[J].機電元件, 2014，34（2）:7-9.

[15]宋江柱，徐樂，梁慧敏.射頻同軸開關熱特性仿真分析[J].低壓電器，2014（14）:12-17.

Failure analysis and improvement of RF switch in high and low temperature electric test experiment

GONG Xiu-li，SUN Shao-qiang，LI Xin
（The 40th Institute of China Electronics Technology Corporation，Bengbu 233010，China）

This paper，based on all kinds of poor contact phenomenon of the high and low temperature electric test experiment of RF switch，conduct the failure analysis，find out the failure reason，put forward the improvement measures，the main improvement measure is to change the location of the push rod force on the RF switch auxiliary reed.This measure the stress simulation analysis is carried out on the leaf spring by ANSYS software，and combines with high and low temperature electric test experiment of before and after the improvement，obtain the improved RF switch auxiliary reed on the static contact force increases，and solve the auxiliary reed poor contact phenomenon.Therefore，the improved RF switch has better reliability.

RF switches；SPDT；low temperature electrical test；high temperature electrical test；failure analysis

TN0

A

1674－6236（2016）23-0115-04

2016-01-02稿件編號：201601002

龔秀麗（1988—），女，安徽阜陽人，碩士研究生，工程師。研究方向：電子元器件的測試。