單刀六擲機電同軸機械開關(guān)壽命提升研究

羅后信

(貴州振華華聯(lián)電子有限公司，貴州凱里，556000)

1 引言

在當代社會，機電同軸開關(guān)的應用范圍十分廣泛，而單刀六擲開關(guān)廣泛應用于航空、通信、軍事等領(lǐng)域。單刀六擲開關(guān)支持微波信號從一路選通六路中任一路的功能，在實際使用場景下，其射頻性能得到了有效的保障。并且表現(xiàn)出高隔離度、高工作頻率、低駐波比、低插入損耗等特點，對于使用場景和任務具有高度的兼容性，對于一些較為惡劣的環(huán)境下也能夠保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。所以也被應用到雷達的自動系統(tǒng)中[1]。射頻機械開關(guān)在工作時需要承擔微波信號鏈路的連接和切換功能，這一過程是隨機的，而且需要長時間待機，因此對于部件要求是具有高度的穩(wěn)定性，并且使用壽命要長[2]。有這種需求的場景還有很多，尤其是現(xiàn)在工業(yè)發(fā)展開始逐步向集成化、自動化、信息化過渡之后，以后需要開關(guān)構(gòu)件具備類似功能的場景會大幅增加。因此，越來越的研究人員開始將提升開關(guān)使用穩(wěn)定性和整體壽命作為研究的重點，希望能夠有所突破，助力相關(guān)行業(yè)得到發(fā)展。

2 單刀六擲開關(guān)設計及測試

同軸機電開關(guān)通過外加控制信號選擇螺線管通電產(chǎn)生磁場，進而推動銜鐵組件動作來實現(xiàn)微波通路的選擇，以單刀六擲開關(guān)為例，其工作原理圖如圖1所示，加上驅(qū)動電壓后，控制信號通過接口電路和控制電路，讓所選通路的繼電器組件工作(螺線管通電)，產(chǎn)生磁場與磁鐵相互作用，帶動銜鐵塊動作，從而閉合所選通路。

對于單刀六擲開關(guān)，驅(qū)動電壓(VCC)輸入為+24V，為繼電器組件中的螺線管供電使其產(chǎn)生磁場；控制信號為6路(TTL信號)，分別控制1～6路中的一路與公共端C口導通。

對于其他開關(guān)，控制信號為兩路(單刀雙擲/雙刀雙擲/雙刀三擲開關(guān))，驅(qū)動電壓輸入可能為+5V、+12V或+24V。雙刀三擲開關(guān)存在兩個公共端所示)，雙刀雙擲開關(guān)存在兩個公共端，單刀雙擲開關(guān)只有一個公共端。隨著通訊領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，同軸機電開關(guān)的試驗需求隨之增加。其壽命試驗常采用切換過程中抽樣測試的方法，往往耗費大量時間和人力，且無法監(jiān)測每次切換狀態(tài)，準確度較低，亟需更方便、快捷、準確度高的測試方法以滿足機電開關(guān)壽命試驗的要求。

常規(guī)壽命測試中以矢量網(wǎng)絡分析儀測試電性能指標(駐波比、插入損耗、隔離度指標，主要為插入損耗)來判斷開關(guān)切換正常與否，一次僅能測試開關(guān)的一個通路，但該方法需試驗員取出開關(guān)單獨測試、耗時較長且不能做到實時監(jiān)測，準確度不高。

圖1展示了單刀六擲開關(guān)工作的基本原理?？梢钥闯觯瑔蔚读鶖S開關(guān)就是由電磁繼電器和射頻傳輸線兩部分組成，并設置有7個對外，在使用過程中，通過電磁繼電器來完成控制指令的下達，可以實現(xiàn)射頻端口與任意端口進行連接。

圖1 單刀六擲開關(guān)示意圖

電磁繼電器主要作用對象是將射頻端口C以及端口，在開關(guān)中決定射頻性能的傳輸線，傳輸性的材質(zhì)和工作方式會影響到整個開關(guān)的基礎功能實現(xiàn)效果。為了能夠量化分析開關(guān)使用效果，需要使用AnsoftHFSS軟件來完成對現(xiàn)有DC～26.5GHz單刀六擲開關(guān)的射頻傳輸線的重新設計，達到優(yōu)化效果的目的[3]。DC～26.5GHz單刀六擲開關(guān)的射頻傳輸線主要由同軸波導、介質(zhì)撐、傳輸簧片組成。在工作時，中間的內(nèi)導體(端口C)由傳輸簧片連接到旁路的內(nèi)導體(端口1)，進而實現(xiàn)微波在端口C與端口1之間進行傳輸。同樣的，傳輸簧片可以連接其他端口，進行微波傳輸。傳輸簧片的接通和斷開，由上面所述的電磁繼電器控制實現(xiàn)。經(jīng)過優(yōu)化設計，DC～26.5GHz單刀六擲開關(guān)的

從駐波比的數(shù)據(jù)表中可以得知，該設備的工作頻率駐波比小于1.18，回波損耗大于20dB。

圖2 DC～26.5GHz單刀六擲駐波比

3 單刀六擲開關(guān)的壽命測試及提升

射頻機械開關(guān)是完成通信、自動測試、雷達功能的基礎功能原件，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是對于任務的完成具有基礎性的作用。為了實現(xiàn)預期效果，要求該型開關(guān)具有穩(wěn)定的使用狀態(tài)，并且保證其使用壽命能夠覆蓋正常檢修間距。射頻機械開關(guān)如果出現(xiàn)問題，會導致基礎功能的癱瘓,而且對于周圍部件的使用安全和壽命會造成嚴重的威脅[4]。

為了實現(xiàn)對所有開關(guān)操作進行記錄，研究人員在射頻開關(guān)上綁定了記錄裝置。電源系統(tǒng)為開關(guān)提供的電壓由程序進行控制，浮動范圍在0V～40V之間。在計算機系統(tǒng)中內(nèi)置有能夠?qū)?shù)據(jù)運行情況進行記錄的程序，以記錄開關(guān)控制指令，在系統(tǒng)使用過程中控制信號分為標準型和TTL控制型。筆者參與設計的開關(guān)使用的是TTL控制型，利用矢量網(wǎng)絡分析儀可以對開關(guān)的射頻性能進行長時間穩(wěn)定的量化記錄[5]?？梢杂涗涢_關(guān)的運行電壓、使用時長、反饋速度。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)取，常見的開關(guān)經(jīng)歷100萬次后出現(xiàn)故障的概率會超過90%，考慮到現(xiàn)代通信網(wǎng)絡硬件的使用期限，在大規(guī)模的投放體量下檢修人員難以在短時間內(nèi)對全部開關(guān)工作狀態(tài)進行掌握，因此在規(guī)定檢修間隔期范圍內(nèi)很容易出現(xiàn)故障問題。

作為投入數(shù)量最多的無源器件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含眾多零部件，單一零部件出現(xiàn)故障就會影響到臨近的施工部件，造成整個開關(guān)的功能性喪失通過之前的描述可知，開關(guān)中間內(nèi)導體(端口C)與傳輸簧片和旁路內(nèi)導體(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)。為了保證傳輸簧片和兩個內(nèi)導體能夠?qū)崿F(xiàn)良好的接觸，就必須有足夠的觸點壓力。觸點壓力過小，兩者之間接觸不良，接觸時間短，導致開關(guān)反應遲緩或失去響應。若觸點壓力過大，持續(xù)性的壓力作用會使得傳輸簧片出現(xiàn)較大的形變，而且經(jīng)長時間反復作用可能導致不可以形變，久而久之會出現(xiàn)簧片被折彎或斷裂的嚴重后果。

為了避免此類事情的發(fā)生，對開關(guān)設備的觸點壓力進行及早的檢測就顯得十分重要。經(jīng)過大量的試驗驗證和理論分析發(fā)現(xiàn)，同軸內(nèi)導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壓力。最終，通過理論設計和試驗驗證，將同軸內(nèi)導體的深度優(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)導體和傳輸簧片不斷接觸過程中，內(nèi)導體和傳輸簧片在接觸區(qū)域有明顯的磨損，為了能夠提高開關(guān)的性能，對同軸內(nèi)導體的表面粗糙度進行優(yōu)化，對其進行拋光處理，拋光后的同軸內(nèi)導體的表面粗糙度明顯下降，有利于降低簧片和內(nèi)導體之間的磨損。

4 結(jié)論

文章設計了一款工作于DC～26.5GHz的單刀六擲射頻機械開關(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。為了實時檢測開關(guān)的運行狀態(tài)，設計并搭建了射頻機械開關(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)的運行數(shù)據(jù)。通過理論優(yōu)化和試驗優(yōu)化同軸內(nèi)導體的深度、傳輸簧片的推桿長度及同軸內(nèi)導體表面粗糙度等重要參數(shù)，開關(guān)的運行壽命能夠從100萬次提高到500萬次。