一種射頻同軸矩陣開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)*

柳 楊，卜祥蕊，牛之友，祝 杰

(中電科思儀科技股份有限公司，青島 266000)

0 引言

矩陣開(kāi)關(guān)，具有損耗小、頻帶寬、壽命長(zhǎng)、應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試儀器領(lǐng)域，還可應(yīng)用于雷達(dá)陣列收發(fā)通道測(cè)試系統(tǒng)及數(shù)字波束形成單元中，是實(shí)現(xiàn)裝備信號(hào)通道切換的關(guān)鍵部件。

開(kāi)關(guān)在系統(tǒng)工作過(guò)程中承擔(dān)著信道鏈路的切換功能[1-2]，這就要求開(kāi)關(guān)在每次切換時(shí)都具有很高的重復(fù)性，從而保持微波信號(hào)幅度和相位的一致與穩(wěn)定。長(zhǎng)時(shí)間、多頻次切換往往使開(kāi)關(guān)產(chǎn)生機(jī)械磨損，因此開(kāi)關(guān)通常是微波系統(tǒng)壽命和穩(wěn)定的最薄弱環(huán)節(jié)，是整個(gè)微波系統(tǒng)中重要的、不可替代的微波鏈路關(guān)鍵部件[3-5]。開(kāi)關(guān)的主要作用，一是進(jìn)行微波信號(hào)路由選擇，提高系統(tǒng)功能組合的靈活性；二是搭建微波傳輸備份環(huán)路，對(duì)失效率較高的微波設(shè)備、單機(jī)進(jìn)行備份，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性[6-9]。矩陣開(kāi)關(guān)除上述功能外，因其靈活的應(yīng)用方式，可以滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景，從而得到廣泛的應(yīng)用。

1 工作原理

矩陣開(kāi)關(guān)作為微波開(kāi)關(guān)的一種，主要用于系統(tǒng)微波信號(hào)通路的切換，是一種通過(guò)機(jī)械動(dòng)作切換微波信號(hào)的部件[10-11]。本文設(shè)計(jì)的矩陣開(kāi)關(guān)共有6個(gè)射頻輸入、輸出端，可以實(shí)現(xiàn)任意2個(gè)端口的相互連通。

通過(guò)合理配置，可以實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)1路選通5路或2路選通4路或3路選通3路的功能，即適合于1×5、2×4、3×3三種形式的應(yīng)用場(chǎng)景，能夠?qū)崿F(xiàn)單刀五擲、單刀雙擲+單刀四擲、單刀三擲+單刀三擲三種組合方式。如圖1所示。

圖1 矩陣開(kāi)關(guān)工作模式

本文研制的矩陣開(kāi)關(guān)工作基本原理是：線圈加電產(chǎn)生電磁力推動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳輸簧片與連接器搭接，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的切換，如圖2所示。

圖2 矩陣開(kāi)關(guān)工作原理

2 主要性能指標(biāo)

本文所設(shè)計(jì)的矩陣開(kāi)關(guān)具有頻段寬、形式靈活、低駐波、低損耗、高隔離、可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通訊、自控、測(cè)試等行業(yè)，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所列。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

矩陣開(kāi)關(guān)由電路控制系統(tǒng)、電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和微波傳輸系統(tǒng)組成，如圖3所示。

圖3 矩陣開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

電路控制系統(tǒng)包括三塊控制板和雙排插針連接器。連接器焊接在開(kāi)關(guān)控制板上，為了保證開(kāi)關(guān)的抗振性，開(kāi)關(guān)控制板通過(guò)外殼和螺釘緊固，保證了其固定緊密。電磁系統(tǒng)包括磁鋼、線圈、銜鐵和頂桿，通過(guò)六個(gè)M2的螺釘固定在微波腔體上，固定了頂桿的行程尺寸，保證了開(kāi)關(guān)閉合和斷開(kāi)的可靠性。微波傳輸系統(tǒng)包括簧片組件、腔體和同軸組件，用于微波信號(hào)的傳輸功能。

3.2 電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與開(kāi)關(guān)的工作電壓、電流、振動(dòng)等環(huán)境目標(biāo)要求相關(guān)，其作用是在電路控制系統(tǒng)施加電信號(hào)后，相應(yīng)的通道產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動(dòng)微波傳輸系統(tǒng)的簧片動(dòng)作實(shí)現(xiàn)微波傳輸通路的切換。

圖4 電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

本開(kāi)關(guān)采用平衡旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。平衡旋轉(zhuǎn)式電磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸兩端銜鐵部分質(zhì)量相對(duì)平衡，對(duì)轉(zhuǎn)軸的總力矩為零，可耐較高的沖擊、振動(dòng)，切換壽命更長(zhǎng)。

3.3 微波傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

本文開(kāi)關(guān)的微波傳輸系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分別是射頻同軸組件、傳輸簧片組件和腔體組件。開(kāi)關(guān)的微波傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 微波傳輸系統(tǒng)

開(kāi)關(guān)的射頻同軸組件的端口為SMA(f)型，同軸組件的工作頻率是由其外導(dǎo)體內(nèi)徑、內(nèi)導(dǎo)體外徑和介質(zhì)撐的特性參數(shù)決定，可由式(1)進(jìn)行計(jì)算[12]：

(1)

式中，C0≈300 000 km/s；λc為波長(zhǎng)；d為內(nèi)導(dǎo)體直徑；D為外導(dǎo)體內(nèi)徑；εr為絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)。

本設(shè)計(jì)f≥20 GHz，D=3.9 mm，采用介質(zhì)的介電常數(shù)ε=2.5，D≤2.1 mm。

同軸組件的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于介質(zhì)撐的設(shè)計(jì)。介質(zhì)撐所采用的結(jié)構(gòu)如圖6所示。在設(shè)計(jì)介質(zhì)撐時(shí)，材料選取上介質(zhì)撐采用機(jī)械性能好、溫度穩(wěn)定性高的聚醚酰亞胺。

圖6 SMA(f)型射頻同軸組件結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算和HFSS軟件的仿真優(yōu)化得到最終的射頻同軸組件尺寸。

矩陣開(kāi)關(guān)為了實(shí)現(xiàn)多種傳輸模式的切換，在微波信號(hào)傳輸時(shí)需要兩個(gè)簧片同時(shí)搭接到中間的圓盤(pán)上實(shí)現(xiàn)通路。所以矩陣開(kāi)關(guān)的通路長(zhǎng)度是普通微波開(kāi)關(guān)的兩倍。其中的阻抗不連續(xù)點(diǎn)會(huì)引起駐波指標(biāo)的惡化，并且在高頻段產(chǎn)生高次模，這些高次模信號(hào)將嚴(yán)重影響開(kāi)關(guān)指標(biāo)。為了避免開(kāi)關(guān)本身結(jié)構(gòu)特性而造成的指標(biāo)惡化，必須對(duì)矩陣開(kāi)關(guān)的過(guò)渡段不連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行阻抗匹配優(yōu)化，以減小高頻電磁信號(hào)在過(guò)渡段的反射，抑制雜波的產(chǎn)生。

當(dāng)矩陣開(kāi)關(guān)切換時(shí)，其中一路傳輸簧片與同軸組件接觸，傳輸線阻抗不連續(xù)點(diǎn)主要位于傳輸簧片與射頻同軸組件搭接處，此處產(chǎn)生的電容效應(yīng)[13-15]造成了阻抗的不連續(xù)性。因此將采用兩種方法來(lái)抵消其電容效應(yīng)。

1)減小搭接處傳輸簧片的寬度，通過(guò)增加電感的方式抵消過(guò)渡段產(chǎn)生的電容效應(yīng)；

2)對(duì)搭接處的射頻連接器內(nèi)導(dǎo)體進(jìn)行臺(tái)階變換，減小內(nèi)導(dǎo)體直徑，以人工方式引入電感，抵消過(guò)渡段產(chǎn)生的電容效應(yīng)。

構(gòu)建微波傳輸系統(tǒng)的仿真模型，如圖7所示。

圖7 微波傳輸系統(tǒng)仿真模型

使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真。電壓駐波比、插入損耗和隔離度仿真結(jié)果如圖8、圖9、圖10所示。

從仿真結(jié)果可以看出，電壓駐波比、插入損耗和隔離度與設(shè)計(jì)目標(biāo)相比，余量較大，滿足項(xiàng)目研制指標(biāo)。

圖8 電壓駐波比仿真曲線

圖9 插入損耗仿真曲線

圖10 隔離度仿真曲線

4 產(chǎn)品實(shí)測(cè)結(jié)果

完成以上理論計(jì)算后，對(duì)產(chǎn)品零件進(jìn)行加工、裝配和測(cè)試，最終得到的產(chǎn)品如圖11所示。

圖11 產(chǎn)品照片

產(chǎn)品的實(shí)測(cè)性能指標(biāo)如圖12、圖13、圖14所示。

圖12 電壓駐波比實(shí)測(cè)曲線

圖13 插入損耗實(shí)測(cè)曲線

測(cè)試結(jié)果表明，開(kāi)關(guān)的電壓駐波比在DC～1.209 4 GHz小于1.02，在1.209 4 GHz～ 8.205 9 GHz小于1.07，在8.205 9 GHz～20 GHz小于1.2；插入損耗在DC～3.508 2 GHz小于0.24，在3.508 2 GHz～12.4 GHz小于0.34，在12.4 GHz～20 GHz小于0.43；隔離度在DC～109.95 MHz大于94.54，在109.95 MHz～5.307 3 GHz大于91.40，在5.307 3 GHz～20 GHz大于90.27。

圖14 隔離度實(shí)測(cè)曲線

產(chǎn)品主要性能指標(biāo)實(shí)測(cè)值與研制指標(biāo)對(duì)比如表2所列。電壓駐波比在全頻段小于研制要求的最低值，插入損耗在全頻段小于0.5，隔離度在全頻段大于90。

表2 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的矩陣開(kāi)關(guān)相比于普通的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了1×5、2×4、3×3三種工作模式，應(yīng)用場(chǎng)景更加多樣，使用方式更加靈活。同時(shí)，由于矩陣開(kāi)關(guān)靈活的特性決定了它具有結(jié)構(gòu)缺陷，從而造成了指標(biāo)惡化。最終產(chǎn)品的實(shí)測(cè)結(jié)果表明了通過(guò)對(duì)此結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的傳輸線阻抗不連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，有效地避免了指標(biāo)惡化，滿足了設(shè)計(jì)要求，使得矩陣開(kāi)關(guān)指標(biāo)既能夠?qū)?biāo)普通的開(kāi)關(guān)，又兼具切換靈活性，因此具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

由于矩陣開(kāi)關(guān)每次通路切換時(shí)至少有兩個(gè)簧片動(dòng)作，所以矩陣開(kāi)關(guān)的切換損耗比普通開(kāi)關(guān)大，之后將會(huì)對(duì)矩陣開(kāi)關(guān)進(jìn)行長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)改進(jìn)。