一種帶觸點狀態(tài)指示功能的高耐壓射頻開關(guān)的設(shè)計

史利兵，馬建英，溫 潔

(1.陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞，721300；2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西西安，710054)

1 引言

射頻開關(guān)(射頻繼電器或微波開關(guān))是一種傳輸和切換射頻信號的機電元件。與傳統(tǒng)的電磁繼電器相比，它除了具有電磁繼電器常規(guī)的電氣性能指標(biāo)外還具有特有的射頻性能指標(biāo)，如插入損耗、電壓駐波比、隔離度等，廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達系統(tǒng)、電臺、電子對抗、自動控制系統(tǒng)等裝備中。隨著裝備使用環(huán)境更加惡劣，射頻指標(biāo)要求更優(yōu)，用戶提出了一種具有觸點狀態(tài)指示功能、高介質(zhì)耐電壓、優(yōu)良射頻指標(biāo)的開關(guān)的需求。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

該種耐高壓射頻開關(guān)具有一組轉(zhuǎn)換觸點(SPDT型)，帶觸點狀態(tài)指示功能，標(biāo)準HN型連接器引出端，介質(zhì)耐電壓高達4000Vr.m.s.，主要由于某型飛機電臺信號的傳輸和切換。其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)難點

1)產(chǎn)品的壽命次數(shù)高達5×105次。

2)射頻指標(biāo)與高介質(zhì)耐電壓的匹配綜合設(shè)計：在頻率DC～3GHz的射頻參數(shù)：電壓駐波比：≤1.3：1，插入損耗≤0.3dB，隔離度≥70dB，介質(zhì)耐電壓4000Vr.m.s.。

2.3 開關(guān)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

2.3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該產(chǎn)品為高壓射頻開關(guān)，整體采用平衡力式結(jié)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電磁系統(tǒng)和接觸系統(tǒng)組成，通過螺桿、螺釘緊固連接。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 電磁系統(tǒng)

2.3.2 電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

電磁系統(tǒng)見圖2，采用差動式磁路，主要由永久磁鋼提供保持力，保證銜鐵在閉合狀態(tài)與斷開狀態(tài)的可靠性；鐵心與軛鐵采用鉚裝連接，減小非工作氣隙造成的磁阻，提高電磁系統(tǒng)的磁效率；設(shè)計支架將線圈與磁鋼包覆，采用點焊固定，整體結(jié)構(gòu)剛性良好，以滿足產(chǎn)品的振動、沖擊指標(biāo)。

2.3.3 接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

接觸系統(tǒng)是該射頻開關(guān)的關(guān)鍵部分，主要由底座部分、蓋板及簧片組件等零部件組成，并形成微波腔體，該腔體及動簧片形成屏蔽帶狀線結(jié)構(gòu)，帶狀線又稱三板線，它由兩塊相距為b的接地板與中間寬度為w、厚度為t的矩形截面導(dǎo)體構(gòu)成，接地板之間均勻填充介質(zhì)或空氣(見圖3)。產(chǎn)品輸出端使用標(biāo)準HN型同軸連接器，為同軸線結(jié)構(gòu)，帶狀線是由同軸線演化而來，故兩者性能相似。連接器內(nèi)芯和動簧片形成信號通路，主要來導(dǎo)通和斷開射頻信號。接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖3 帶狀線結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 接觸系統(tǒng)

1)接觸電阻可靠性設(shè)計

該產(chǎn)品要求接觸電阻小于0.05Ω。在實際測量中總的電阻R=Rj+Rp，接觸電阻Rj=Rc+Rf，式中Rc為收縮電阻，Rf為表面膜電阻，Rp為導(dǎo)體電阻。

接觸電阻估算：

接觸電阻與觸點材料、觸點壓力，接觸面形式等有關(guān)，故接觸電阻可用經(jīng)驗公式計算：

①接觸電阻：Rj=K/Fm，

式中，K為常數(shù)，K=0.67×10-3；

F為觸點壓力，預(yù)設(shè)值0.6N；

m為常數(shù)，面接觸形式m=1，

故Rj≈1.12mΩ，Rj總=2×1.12=2.24mΩ

②動簧片體電阻估算：

動簧片鈹銅材料的電阻率為4.5×10-8Ω·m，動簧片寬度6mm，動簧片厚度0.8mm，動簧片長度L=22mm。

Rp動=ρL/S≈0.21mΩ

③連接器接觸電阻：

HN型連接器為標(biāo)準件，接觸電阻≤3mΩ，則Rp連=6mΩ。

故理論上接觸電阻R= 2.24mΩ+0.21mΩ+6mΩ=8.45mΩ?？梢詽M足≤50mΩ的要求。

2)機械參數(shù)設(shè)定

①建立銜鐵跟蹤與動簧片變形的模型示意圖(圖5)

圖5 力——位移簡圖

a：銜鐵跟蹤；

a′：推桿處對應(yīng)的銜鐵跟蹤；

b′：動簧片變形量；

c′：推動簧片變形量

②建立模型所需要的數(shù)據(jù)

動簧片：長L1寬b1厚h1

推動簧片：長L2寬b2厚h2

動簧片(鈹銅材料)：E1=1.27×1011Pa

推動動簧片(鈹銅材料)：E2=1.27×1011Pa

推動簧片慣性矩：I2= b2 h23/12=0.01125

③理論計算

設(shè)定銜鐵跟蹤a=0.1mm,根據(jù)相似三角形等比性質(zhì)：a′=7/9a≈0.078mm，a′=b′+c′，F(xiàn)1與F2為作用力與反作用力：F1=F2，

根據(jù)撓度計算公式：

?c′≈5.63b′，又因為c′+b′=0.078

?b′≈0.012mmc′≈0.066mm

? F1=F2=1.7N

觸點壓力=F/2=0.85N。

④仿真計算

a. 銜鐵跟蹤0.1mm，觸點壓力0.6N，

從動簧片靜態(tài)力-位移仿真可知(如圖6)，當(dāng)動簧片和觸點接觸處產(chǎn)生的形變?yōu)?.012mm，閉合觸點壓力0.6N，銜鐵跟蹤約為0.1mm。

圖6 動簧片靜態(tài)位移仿真

b. 銜鐵跟蹤0.15mm，觸點壓力0.95N

從動簧片靜態(tài)力-位移仿真可知(如圖7)，當(dāng)動簧片和觸點接觸處產(chǎn)生的形變?yōu)?.018mm，閉合觸點壓力0.95N，銜鐵跟蹤約為0.15mm。

圖7 動簧片靜態(tài)位移仿真

綜合理論計算及仿真分析，銜鐵跟蹤設(shè)計預(yù)取值為0.1+0.05 0mm。

3)動簧片、推動簧片應(yīng)力及抗疲勞特性分析

動簧片、推動簧片是繼電器切換負載、承受應(yīng)力最大的零件，材料的屬性能否滿足使用要求，可以通過對動簧片靜態(tài)力-應(yīng)力(圖8)模擬仿真和推動簧片靜態(tài)力-應(yīng)力(圖9)模擬仿真。

圖8 動簧片靜態(tài)力-應(yīng)力

圖9 推動簧片靜態(tài)力-應(yīng)力

從動簧片、推動簧片應(yīng)力云圖(圖8、圖9)可知，動簧片局部最大的應(yīng)力σb為1.6×107N/m2，推動簧片局部最大應(yīng)力為σb為1.2×108N/m2，遠小于鈹銅的最小屈服強度σb =6.86×108N/m2，因此可以保證動簧片、推動簧片在使用過程中的彈性性能。

圖10 鈹銅抗疲勞特性曲線

從鈹銅材料的抗疲勞特性曲線可以看出(圖10)，動簧片、推動簧片的疲勞壽命次數(shù)達到5×105次時，對應(yīng)的疲勞強度約為410N/mm2，而該產(chǎn)品動簧片、推動簧片的最大循環(huán)應(yīng)力為120N/mm2，因此可以滿足該產(chǎn)品壽命次數(shù)要求。

2.3.4 觸點指示功能設(shè)計

銜鐵組件主要由銜鐵、推動簧片、輔助簧片等零件組成，在推動簧片下方安裝0.12mm厚度的輔助簧片(圖11)，輔助簧片上點焊引線與罩子部分指定絕緣子釬焊連接作為指示信號輸出端。射頻開關(guān)線圈加激勵后銜鐵開始動作，由于輔助簧片在推動簧片下方，推動簧片在動作時，會先與輔助簧片接觸，然后推動輔助簧片繼續(xù)動作完成觸點轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)射頻開關(guān)的觸點狀態(tài)指示功能。

圖11 銜鐵組件

3 基于有限元軟件的射頻指標(biāo)仿真 計算

Ansoft-HFSS是一款基于麥克斯韋電磁場方程求解的計算軟件。它具備仿真精度高，可靠性強，仿真速度快，穩(wěn)定成熟等特點。利用HFSS可以高效地仿真設(shè)計高頻結(jié)構(gòu)，包括射頻開關(guān)、微波部件、天線和天線陣等器件。Ansoft HFSS基于有限元的計算分析方法、能計算插入損耗、電壓駐波比、隔離度等S參數(shù)、及計算諧振頻率和場等的參數(shù)。

本文主要利用Ansoft-HFSS仿真計算射頻開關(guān)的插入損耗、電壓駐波比、隔離度等射頻指標(biāo)。其仿真分析過程見下圖12：

圖12 仿真流程圖

根據(jù)已確定的結(jié)構(gòu)方案，對射頻開關(guān)接觸系統(tǒng)進行仿真分析計算，得到該射頻開關(guān)的射頻指標(biāo)如圖13所示。

a)插入損耗

b)隔離度

c)電壓駐波比圖13 射頻指標(biāo)仿真值

通過仿真分析可以看出，接觸系統(tǒng)在DC-3GHz范圍內(nèi)的設(shè)計插入損耗<0.045dB，電壓駐波比<1.20:1，隔離度>73dB，均滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，仿真計算結(jié)果表明接觸系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)和尺寸理論上可以達到設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文介紹了一種帶觸點狀態(tài)指示功能的高介質(zhì)耐電壓射頻開關(guān)，其總體采用平衡力式結(jié)構(gòu)，電磁系統(tǒng)采用差動式結(jié)構(gòu)，接觸系統(tǒng)采用屏蔽帶狀線結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)計零部件結(jié)構(gòu)尺寸，并進行理論計算和仿真分析驗證了設(shè)計方案可以滿足產(chǎn)品的性能要求。今后將根據(jù)用戶需要，研制開發(fā)介質(zhì)耐電壓指標(biāo)更高，射頻指標(biāo)更優(yōu)的同類型產(chǎn)品。