射頻機械開關(guān)的優(yōu)化設(shè)計

桂 盛，魯 帆

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

射頻機械開關(guān)是利用電磁力或彈力來控制驅(qū)動絕緣子和簧片上、下運動,從而實現(xiàn)射頻通道通斷特性，其廣泛應(yīng)用于射頻微波組件、模塊和系統(tǒng)中。相比其他形式開關(guān)，射頻機械開關(guān)具有如下優(yōu)點[1]：(1)插入損耗極低；(2)不會引入信號非線性特征；(3)耐受功率水平較高。然而，機械開關(guān)存在的切換時間較長，一般需20 ms左右等固有不足也限制了其應(yīng)用范圍。此外，機械開關(guān)還會由于彈性元件和電磁元件在使用過程中出現(xiàn)一定概率的疲勞或失效，從而導(dǎo)致偶發(fā)性工作失靈。此類故障現(xiàn)象在美國RLC公司、歐洲Radiall公司和日本松下公司等多家公司的表貼式機械開關(guān)產(chǎn)品上均有出現(xiàn)。因此，針對機械開關(guān)在使用過程中出現(xiàn)的切換偶發(fā)失效問題開展了相關(guān)研究。

1 故障機理分析

機械開關(guān)在使用過程中偶爾出現(xiàn)駐波失配、插損增大、相位遠(yuǎn)離基準(zhǔn)等異?，F(xiàn)象。經(jīng)廣州5所可靠性實驗報告和器件解剖分析初步判定故障原因為：機械開關(guān)在使用過程中因頻繁切換導(dǎo)致限位裝置產(chǎn)生的磨損微粒和極微小形變讓簧片在原動力下無法位置復(fù)原，從而造成開關(guān)兩端口均不能正常吸合。此非正常閉合產(chǎn)生的極細(xì)小間隙會引起端口駐波失配，進(jìn)而導(dǎo)致高頻信號波長短空間耦合插損小,傳播損耗變化并不明顯，相位偏移大；低頻信號波長長,空間耦合插損大,傳播損耗變化大，相位偏移小。

為了解決上述原因，本文從機械開關(guān)的工作原理入手展開研究。機械開關(guān)主要包含電磁系統(tǒng)、同軸接口結(jié)構(gòu)、通斷切換(接觸系統(tǒng))系統(tǒng)3個部分，其開關(guān)原理如圖1所示，采用+12 V控制，將機械開關(guān)的1腳接地，2腳接0 V或+12 V。當(dāng)2腳接0 V時，組件開通NC路；當(dāng)2腳接+12 V時，組件開通NO路。

射頻機械開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)機械開關(guān)1腳接地、2腳接+12 V時，機械開關(guān)線圈加載電流，線圈通電而產(chǎn)生磁場，磁場吸附銜鐵，銜鐵吸合推桿隨銜鐵向下運動，A觸點動簧片與絕緣子斷開，B觸點動簧片與絕緣子接觸，從而實現(xiàn)C-NO信號的開通。當(dāng)機械開關(guān)1腳接地、2腳接0 V時，機械開關(guān)線圈未加電，彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧恢復(fù)力使得B觸點動簧片與絕緣子斷開，A觸點動簧片與絕緣子接觸，從而實現(xiàn)C-NC信號的切換。

圖2 機械開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

從上述機械開關(guān)原理可以看出，機械開關(guān)在使用過程中出現(xiàn)故障的主要原因有：(1)電磁鐵性能下降或失效，造成控制C-NO通路閉合不到位或者無響應(yīng)；(2)彈簧性能下降或者失效，造成C-NC通路閉合不到位或者無響應(yīng)。盡管機械開關(guān)在使用要求中明確最小切換時間優(yōu)于15 ms，仍會因彈性元件疲勞引起機械開關(guān)概率性吸合不到位或者控制失效等問題，特別是在動簧片相對絕緣子距離較近的狀態(tài)下，微波高頻信號空間傳輸損耗較低，機械開關(guān)插入損耗性能下降不明顯(12～18 GHz插入損耗增加約0.2～0.3 dB)，但相位偏離值較大，器件故障可檢測性較差。

2 解決途徑

為了解決上述問題，我們對機械開關(guān)做了大量驗證工作，結(jié)合失效分析報告和故障時特征現(xiàn)象得出初步結(jié)論：(1)吸合不到位的故障情況下射頻上C-NC與C-NO端均為開路；(2)控制失效的故障情況下控制電壓與導(dǎo)通支路邏輯不符。通過以上結(jié)論，結(jié)合機械開關(guān)在電路中的作用，在電路中設(shè)置了判別點A、B和BIT故障告警，具體原理框圖如圖3所示。

圖3 反饋工作流程圖

從圖3可以看出，電路通電后，TTL輸入電平為低時，NC-C導(dǎo)通，NO-C斷開；判別點A比較器輸出為低電平，判別點B比較器輸出為高電平；電路正常機內(nèi)自檢(BIT)輸出高電平(狀態(tài)a)。當(dāng)NC-C、NO-C均斷開，判別點A、B比較器輸出均為高電平，此刻電路正常BIT輸出低電平(狀態(tài)c)。NC-C斷開、NO-C導(dǎo)通，判別點A比較器輸出為高電平、判別點B比較器輸出為低電平，此時，電路正常BIT輸出低電平(狀態(tài)d)。同理，TTL輸入電平為高時，情況類似，其表現(xiàn)出來的狀態(tài)如表1所示。

表1 控制與判別信號真值表

電路通過BIT反饋報警電平可以明確得到機械開關(guān)工作狀態(tài)正常與否，上位機即可通過BIT的回報結(jié)果及時了解機械開關(guān)工作狀態(tài)，并重新復(fù)位輸入控制信號解決問題。

3 電路的設(shè)計

針對上述解決方法，本文分別從射頻電路和數(shù)字電路2個方面對機械開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 射頻電路的設(shè)計

為了阻斷電路前級電位對檢測點A、B的影響，在射頻電路NC、NO輸入端增加隔直電容；在NC及NO端采用繞線電感實現(xiàn)電壓檢測機械開關(guān)選通回路。機械開關(guān)導(dǎo)通支路可以等效成傳輸線，其電路模型如圖4所示。

圖4 電路模型

圖4中L1、L2、L3分別為機械開關(guān)任意通道的檢測繞線電感，C1、C2為前級隔直電容，當(dāng)NC-C或者NO-C任一支路導(dǎo)通時，可形成NC-C或者NO-C電壓回路。在設(shè)計過程中，可通過降低電容電感影響，保真機械開關(guān)射頻性能。針對上述電路方式，以某設(shè)備現(xiàn)有前端組件為例分析其電路特性。通過查詢組件內(nèi)使用的相關(guān)芯片資料可知，開關(guān)在13.5 GHz頻率處，因優(yōu)化電路引入的隔直電容插入損耗小于0.18 dB，電容串聯(lián)電路中其損耗與頻率的曲線關(guān)系查手冊如圖5所示。

圖5 電容串聯(lián)運用插入損耗

為了進(jìn)一步確認(rèn)此優(yōu)化電路對機械開關(guān)電路性能的影響，利用HFSS仿真軟件建立對應(yīng)的仿真模型(如圖6所示)。通過仿真結(jié)果數(shù)據(jù)比對，可以看出由金絲繞線電感帶來的損耗約0.075～0.13 dB(見圖7)。

圖6 射頻電路優(yōu)化設(shè)計仿真模型圖

圖7 繞線電感仿真模型及結(jié)果對比

3.2 數(shù)字電路的軟件設(shè)計

數(shù)字電路主要實現(xiàn)以下2種工作狀態(tài)：電路通電工作瞬態(tài)和輸入指令切換瞬態(tài)。

在電路通電工作瞬態(tài)中，首先是由單片機發(fā)送工作指令給比較電路的電源開關(guān)，通過比較電路檢測當(dāng)前機械開關(guān)通斷路阻抗情況回饋給單片機，最后單片機通過查詢真值表輸出BIT信號機械開關(guān)的性能狀態(tài)[2]。

在輸入指令切換工作狀態(tài)中，首先是單片機將接收到的輸入指令下發(fā)到機械開關(guān)控制驅(qū)動電路，并計時15 ms不再接收輸入指令，機械開關(guān)同時相應(yīng)切換工作狀態(tài)，阻抗檢測電路檢測當(dāng)前機械開關(guān)通斷路阻抗情況回饋給單片機，最后單片機通過查詢真值表輸出BIT信號表明機械開關(guān)的工作狀態(tài)。2種工作方式流程圖如圖8所示。

圖8 控制工作流程圖

3.3 數(shù)字電路的硬件設(shè)計

圖9所示為數(shù)字電路硬件設(shè)計原理圖，預(yù)置單片機在電源上電后輸出控制信號給+5 V電源控制三極管，使之驅(qū)動比較器A、比較器B工作。比較器的參考電壓通過調(diào)節(jié)分壓電阻R1、R2的阻值設(shè)置為V0，然后通過調(diào)節(jié)分壓電阻R3、R4的阻值設(shè)置為VA(V0，比較器輸出“1”。單片機通過此時比較器的輸出信號比對真值表輸出BIT信號“1”，表示機械開關(guān)工作正常。

當(dāng)上電流程完成后，TTL控制信號發(fā)生變化,導(dǎo)通NO-C支路(表1狀態(tài)b)，單片機輸出控制信號到+12 V電源控制三極管,使機械開關(guān)工作狀態(tài)切換，并同時計數(shù)15 ms，不響應(yīng)TTL控制信號的變化。比較器A、B判斷當(dāng)前開關(guān)兩通道接觸電阻情況輸出信號，單片機比對真值表，其過程同理NC-C工作狀態(tài)。

當(dāng)機械開關(guān)發(fā)生故障,閉合不到位，即兩通道均處于開路狀態(tài)(表1狀態(tài)c、e)時，比較器A、B檢測電壓為+5 V,全部輸出信號“1”，單片機比對真值表判斷機械開關(guān)工作故障,輸出BIT信號“0”告警；當(dāng)機械開關(guān)彈性失效或者磁力失效時，兩通道工作狀態(tài)與邏輯相反(表1狀態(tài)d、f)，單片機輸出BIT信號“0”告警。

圖9 數(shù)字電路原理框圖

4 實物功能測試

基于上述優(yōu)化電路的設(shè)計情況，利用機械開關(guān)裝配實物進(jìn)一步驗證設(shè)計方案的合理性，其裝配實物如圖10所示，測試結(jié)果如圖11所示，可以看出機械開關(guān)的增益曲線(圖11(b))與未加檢測電路的原增益曲線(圖11(a))對比，插入損耗增加約0.16 dB。

圖11 原插損和增加檢測電路插損

此外，針對機械開關(guān)輸入控制信號時間保護(hù)功能，做如下測試，其測試結(jié)果如圖12所示，測試步驟如下：首先用示波器通道1探頭測量輸入控制時序(黃色)，通道2探頭測量單片機輸出控制時序(綠色)；其次，比對探頭2曲線相鄰上升沿和下降沿差值，從圖中可以看出，機械開關(guān)控制信號保護(hù)時間約15.7 ms，滿足機械開關(guān)使用要求。

圖12 開關(guān)切換保護(hù)實測圖

5 結(jié)束語

本文提出了一種射頻機械開關(guān)的使用優(yōu)化設(shè)計方案。在設(shè)計過程中，分別從理論分析、軟件仿真及實物測試展開論證。從實測結(jié)果可以看出，此項優(yōu)化設(shè)計可以直觀檢測機械開關(guān)的工作狀態(tài)，很好地避免機械開關(guān)出現(xiàn)故障時引入工作狀態(tài)的系統(tǒng)誤差。此優(yōu)化設(shè)計可為類似開關(guān)的故障分析拓寬思路，也能為機械開關(guān)的可靠性設(shè)計提供保障。