單刀六擲機(jī)電同軸機(jī)械開關(guān)壽命提升試驗(yàn)研究

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(中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東青島 266555)

1 引言

機(jī)電同軸開關(guān)能夠被廣泛應(yīng)用于航空、航天、通信、軍事、科學(xué)等領(lǐng)域。單刀六擲開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)微波信號從一路選通六路中任一路的功能，并且因其具有良好的射頻性能，如低駐波比、低插入損耗、高隔離度、高工作頻率等特點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于通訊系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等自動測試系統(tǒng)中。因?yàn)樯漕l機(jī)械開關(guān)在系統(tǒng)工作過程中，承擔(dān)微波信號鏈路的連接和切換功能，因此要求開關(guān)的可靠性能高，壽命時間長[1-4]。

現(xiàn)在，越來越多的學(xué)者對于開關(guān)等動作器件的可靠性和壽命的研究越來越多。本論文基于之前的研究工作，設(shè)計(jì)研究射頻可靠性自動測試系統(tǒng)，用于檢測和記錄開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)開關(guān)失效原因，從而有針對性的進(jìn)行改善，從而提高開關(guān)的可靠性和壽命。

本論文的內(nèi)容主要分為以下幾個部分：1、引言中說明了單刀六擲機(jī)電同軸開關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，及目前人們所關(guān)心的研究方向；2、設(shè)計(jì)、加工、裝配了一種寬帶單刀六擲機(jī)電同軸開關(guān)，并對其主要的射頻指標(biāo)進(jìn)行了測試；3、介紹了目前單刀六擲開關(guān)可靠性及壽命的現(xiàn)狀，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)，對開關(guān)的可靠性和壽命進(jìn)行了改進(jìn)。4、最后對論文的主要工作進(jìn)行簡要總結(jié)。

2 單刀六擲開關(guān)設(shè)計(jì)及測試

圖1展示了單刀六擲開關(guān)工作的基本原理。從圖中可以看到，單刀六擲開關(guān)主要由電磁繼電器和射頻傳輸線組成，并且有7個射頻端口(C, 1, 2, 3, 4, 5, 6)。通過電磁繼電器的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)射頻端口C與其余6個射頻端口中任意一個端口連接的功能。

由之前的描述可知，電磁繼電器主要作用是將射頻端口C和其余6個端口進(jìn)行選擇連通。而在開關(guān)中，真正能夠決定開關(guān)射頻性能的部分主要是射頻傳輸線，是開關(guān)中最重要的組成部分。其性能好壞直接決定了開關(guān)的指標(biāo)能否滿足自動測試系統(tǒng)的要求。我們利用專業(yè)的射頻設(shè)計(jì)軟件Ansoft HFSS對DC～26.5GHz單刀六擲開關(guān)的射頻傳輸線進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，如下圖2所示。

由上圖2所示，DC～26.5GHz單刀六擲開關(guān)的射頻傳輸線主要由同軸波導(dǎo)、介質(zhì)撐、傳輸簧片組成。在工作時，中間的內(nèi)導(dǎo)體(端口C)由傳輸簧片連接到旁路的內(nèi)導(dǎo)體(端口1)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微波在端口C與端口1之間進(jìn)行傳輸。同樣的，傳輸簧片可以連接其他端口，進(jìn)行微波傳輸。傳輸簧片的接通和斷開，由上面所述的電磁繼電器控制實(shí)現(xiàn)。

圖2 DC～26.5GHz單刀六擲開關(guān)射頻傳輸線

圖3 DC～26.5GHz單刀六擲駐波比

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，DC～26.5GHz單刀六擲開關(guān)的駐波比計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖可知，在整個工作頻率范圍內(nèi)，駐波比小于1.18，回波損耗大于20dB。

圖4 設(shè)計(jì)研發(fā)的DC～26.5GHz單刀六擲開關(guān)

經(jīng)過設(shè)計(jì)加工的單刀六擲開關(guān)及其測試曲線如圖4、圖5所示。安捷倫E9361C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測量開關(guān)的射頻性能。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，在整個工作頻帶內(nèi)，開關(guān)的駐波比小于1.32，傳輸損耗小于0.45dB。射頻性能良好，能夠滿足自動測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖5 單刀六擲開關(guān)測試曲線

3 單刀六擲開關(guān)的壽命測試及提升

因?yàn)樯漕l機(jī)械開關(guān)是整個通信、雷達(dá)及自動測試系統(tǒng)中必不可少的射頻器件，它的可靠性和壽命將直接影響整個系統(tǒng)的性能。因此射頻機(jī)械開關(guān)除了能夠滿足必需的射頻性能及各項(xiàng)功能之外，其可靠性和壽命越來越受到行業(yè)的關(guān)注。

為了能夠?qū)崟r監(jiān)測開關(guān)的運(yùn)行情況并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，我們設(shè)計(jì)搭建了射頻機(jī)械開關(guān)可靠性及壽命自動測試系統(tǒng)，如下圖6所示。

圖6 開關(guān)可靠性及壽命自動測試系統(tǒng)

在圖6所示的自動測試系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)為射頻機(jī)械開關(guān)提供驅(qū)動電壓。電壓能夠?qū)崿F(xiàn)0V～40V程序控制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要用于控制整個系統(tǒng)并對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時記錄。信號控制系統(tǒng)能夠提供TTL控制和標(biāo)準(zhǔn)控制兩種控制信號。本文設(shè)計(jì)的單刀六擲開關(guān)需要TTL控制。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測量開關(guān)的射頻性能及重復(fù)性。設(shè)計(jì)和搭建的開關(guān)自動測試系統(tǒng)能夠測量開關(guān)的啟動電壓、運(yùn)行壽命和可靠性等指標(biāo)。

通過自動測試系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)之前所設(shè)計(jì)的開關(guān)運(yùn)行不到100萬次均會出現(xiàn)故障。這很難滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)及其他自動測試系統(tǒng)的要求。因此射頻機(jī)械開關(guān)的壽命提升工作刻不容緩。而開關(guān)又是最為復(fù)雜的無源器件之一，由很多零部件組成，因此需要通過測試，找到對開關(guān)壽命影響最大的關(guān)鍵零部件，對其進(jìn)行優(yōu)化。

通過之前的描述可知，開關(guān)中間內(nèi)導(dǎo)體(端口C)與傳輸簧片和旁路內(nèi)導(dǎo)體(端口1, 2, 3, 4, 5, 6)之間若能夠有效連接，則意味著開關(guān)有良好的射頻性能和良好的工作狀態(tài)。而傳輸簧片和兩個內(nèi)導(dǎo)體良好接觸的時候，他們之間必然存在一定的觸點(diǎn)壓力。一方面，若觸點(diǎn)壓力過小，則傳輸簧片和內(nèi)導(dǎo)體之間容易發(fā)生接觸不良現(xiàn)象，導(dǎo)致開關(guān)故障；另一方面，若觸點(diǎn)壓力過大，則傳輸簧片的形變量過大，容易導(dǎo)致簧片被折彎或斷裂。因此，觸點(diǎn)壓力是最為重要和關(guān)鍵的參數(shù)之一，在提高開關(guān)可靠性和壽命時，需要對其進(jìn)行優(yōu)化和保證。經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析發(fā)現(xiàn)，同軸內(nèi)導(dǎo)體伸入腔體的高度和傳輸簧片推桿的長度共同決定了觸點(diǎn)壓力。

最終，通過理論設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，將同軸內(nèi)導(dǎo)體的深度優(yōu)化為(0.55±0.01)mm，傳輸簧片的推桿長度優(yōu)化為(0.60±0.01)mm。從而得到優(yōu)化后的接觸壓力約為0.3N。

同時在同軸內(nèi)導(dǎo)體和傳輸簧片不斷接觸過程中，內(nèi)導(dǎo)體和傳輸簧片在接觸區(qū)域有明顯的磨損，如下圖8所示。為了能夠提高開關(guān)的性能，對同軸內(nèi)導(dǎo)體的表面粗糙度進(jìn)行優(yōu)化，對其進(jìn)行拋光處理，結(jié)果如下圖9所示。由圖可知，拋光后的同軸內(nèi)導(dǎo)體的表面粗糙度明顯下降，有利于降低簧片和內(nèi)導(dǎo)體之間的磨損。

圖8 運(yùn)行過后內(nèi)導(dǎo)體和傳輸簧片圖片

圖9 拋光后的同軸內(nèi)導(dǎo)體

經(jīng)過大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)后，單刀六擲射頻機(jī)械開關(guān)的可靠性和壽命有了明顯的改進(jìn)，能夠從100萬次無故障提升到500萬次無故障。

在以后的工作中，我們將對開關(guān)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，繼續(xù)提高開關(guān)的可靠性和壽命。

4 結(jié)論

文章設(shè)計(jì)了一款工作于DC～26.5GHz的單刀六擲射頻機(jī)械開關(guān)。測試結(jié)果表明，在整個工作頻帶內(nèi)，開關(guān)的駐波比小于1.32，傳輸損耗小于0.45dB。為了實(shí)時檢測開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)并搭建了射頻機(jī)械開關(guān)自動測試系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測并記錄開關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過理論優(yōu)化和試驗(yàn)優(yōu)化同軸內(nèi)導(dǎo)體的深度、傳輸簧片的推桿長度及同軸內(nèi)導(dǎo)體表面粗糙度等重要參數(shù)，開關(guān)的運(yùn)行壽命能夠從100萬次提高到500萬次。論文工作對射頻機(jī)械開關(guān)的可靠性提升奠定一定的理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。以后重點(diǎn)工作將對開關(guān)繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠滿足現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)的要求。