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(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所，黑龍江哈爾濱 150001 2.貴州振華群英電器有限公司，貴州貴陽，550018)

1 前言

射頻繼電器是用于幾無失真地傳輸和切換射頻信號(hào)或射頻功率的繼電器[1]。它具有卓越的絕緣性能、極小的插入損耗和電壓駐波比，在能夠閉合狀態(tài)下最大程度降低繼電器本身引入的損耗和反射、在斷開狀態(tài)下能夠最大程度防止信號(hào)輻射到輸出端，因此已經(jīng)成為射頻信號(hào)傳輸不可或缺的電子元器件，廣泛應(yīng)用于軍事及民用各領(lǐng)域。

其中，小型氣密封射頻電磁繼電器作為射頻繼電器的一種，包括TO-5和晶體罩封裝型繼電器。本文介紹了使用有限元仿真的方法對(duì)某型TO-5小型氣密封射頻電磁繼電器的插入損耗的優(yōu)化過程，對(duì)其他同類產(chǎn)品射頻特性提升優(yōu)化提供一定的參考意義。

TO-5繼電器是上世紀(jì)六十年代由美國TELE-DYNE公司發(fā)明的采用半導(dǎo)體TO-5封裝方式的微型繼電器。該類繼電器有圓形和方形兩種，由于其內(nèi)部具有微小的結(jié)構(gòu)，該類繼電器具有良好的射頻性能。該類繼電器的基本結(jié)構(gòu)形式仍然采用了傳統(tǒng)繼電器的結(jié)構(gòu)形式，一般來講，根據(jù)觸點(diǎn)的排列形式，方形TO-5的射頻性能優(yōu)于圓形產(chǎn)品[2]。值得注意的是，這類繼電器原則上并不適用于功率傳輸。但是，由于該類繼電器在1GHz以下的低頻段具有0.1dB左右的插入損耗，所以仍然具有很好的使用價(jià)值，根據(jù)實(shí)際的觸點(diǎn)性能，在低頻段使用在5W左右，高頻段使用在0.1W左右是較為合適的。本文介紹的對(duì)象為某型方形繼電器(圖1)具有兩組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)，適用于(0～5)GHz射頻信號(hào)切換。

某型繼電器最關(guān)注的射頻特性有：(1)插入損耗：二端口網(wǎng)絡(luò)的衰減，是輸入端輸入功率與負(fù)載端吸收功率之比；(2)電壓駐波比：輸入端信號(hào)進(jìn)入二端口網(wǎng)絡(luò)后，由于器件內(nèi)阻抗匹配程度不良導(dǎo)致信號(hào)被反射回輸入端的度量；(3)隔離度：射頻信號(hào)泄露到其他端口的功率與輸入功率的比值。某型繼電器具有兩組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)，線圈以額定電壓激勵(lì)，銜鐵吸合，帶動(dòng)推動(dòng)桿推動(dòng)簧片，促使觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換；去激勵(lì)時(shí)，線圈上沒有電流，電磁吸力消失，在復(fù)原簧片的反力作用下，簧片復(fù)位，觸點(diǎn)狀態(tài)復(fù)原。射頻信號(hào)從一端的引出端流入通過連接桿、簧片、觸點(diǎn)，最后從另一端的引出端流出，完成信號(hào)的傳輸。

2 接觸部分仿真分析

某型繼電器接觸部分(圖2)主要由底板、玻璃絕緣子、引出端、連接桿、觸點(diǎn)、簧片組成，其接觸部分物理模型如圖2所示。

圖2 接觸部分物理模型

根據(jù)圖紙完成接觸部分模型建立后，將模型導(dǎo)入HFSS(High Frequency Structure Simulator)后，需要電磁仿真設(shè)置如下：

(1)選擇終端驅(qū)動(dòng)作為求解類型

HFSS計(jì)算的以模式為基礎(chǔ)的S矩陣表示了波導(dǎo)模式入射和反射功率的比值。模式驅(qū)動(dòng)不能準(zhǔn)確地描述那些有多個(gè)準(zhǔn)橫電磁波(TEM)模式同時(shí)傳播的問題。終端S參數(shù)反映的是波端口節(jié)點(diǎn)電壓和電流的線性疊加。通過求解節(jié)點(diǎn)電壓和電流端口的導(dǎo)納、阻抗，S參數(shù)矩陣就能被確定[3]。

(2)設(shè)立輻射邊界

在本款繼電器信號(hào)傳輸路徑外圍建立空氣盒子，并設(shè)立輻射邊界以模擬繼電器所處外圍環(huán)境。輻射邊界也被稱為吸收邊界，模擬一種開放的表面，即波能夠從元器件出發(fā)輻射到所設(shè)的邊界上去，在輻射邊界處電磁波被吸收，因此本質(zhì)上它可以等效為空間無線遠(yuǎn)處。對(duì)包含輻射邊界的結(jié)構(gòu)，計(jì)算的S參數(shù)同時(shí)包含輻射損耗?？諝夂凶拥拇笮∫园鼑^電器信號(hào)傳輸系統(tǒng)為準(zhǔn)，并在垂直于底板方向上有一定余量。

(3)在繼電器引出端設(shè)立波端口作為激勵(lì)

端口解算器假定波端口連接到一個(gè)半無限長(zhǎng)的波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有與端口相同的截面和材料。設(shè)置波端口可以用于計(jì)算特性阻抗、復(fù)傳播常數(shù)和S參數(shù)。波端口要求設(shè)在單一平面，不允許端口平面彎曲。

優(yōu)化采用的HFSS是由美國ANSOFT公司開發(fā)，現(xiàn)被ANSYS收購的一款高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件，是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件、業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它提供了眾多基于有限元、積分方程和高級(jí)混合方法的最先進(jìn)求解器技術(shù)，可以滿足各種微波射頻和高速電路的求解及應(yīng)用[4]。

在仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)射頻特性匹配的過程中，需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況建模。例如，針對(duì)連接桿與引出端的焊接模擬先采用的為兩零件間添加圓形焊點(diǎn)的方法進(jìn)行仿真(圖3-a)，與實(shí)測(cè)結(jié)果匹配并不理想，后根據(jù)實(shí)際焊接情況改為以切入模擬焊接(圖3-b)，仿真效果較好。

圖3 模擬焊接對(duì)比

其中，信號(hào)頻率超過3GHz后，仿真值較實(shí)測(cè)值差距較大，其主要原因一是仿真模型材料屬性設(shè)置與實(shí)際產(chǎn)品不同，二是實(shí)際測(cè)試情況中測(cè)試線或者測(cè)試儀器帶來的誤差，仿真方法較難實(shí)現(xiàn)。

通過對(duì)繼電器的觸點(diǎn)形狀、簧片形狀、連接桿形狀、各個(gè)焊點(diǎn)與接觸的模擬、引出端與玻璃絕緣子形狀、各個(gè)零件之間的裝配參數(shù)進(jìn)行單因素分析，通過單因素結(jié)果分析各項(xiàng)參數(shù)對(duì)射頻特性的影響制定優(yōu)化方案；其具體流程如圖4。

圖4 優(yōu)化流程圖

3 簧片優(yōu)化過程

通過對(duì)接觸部分各項(xiàng)機(jī)械參數(shù)與工藝參數(shù)進(jìn)行單因素分析，發(fā)現(xiàn)簧片的相關(guān)參數(shù)對(duì)接觸部分射頻特性影響較大，確定簧片為優(yōu)化對(duì)象進(jìn)行研究。

(1)簧片鍍層厚度

在高頻信號(hào)傳輸過程中，電磁波在導(dǎo)體表面?zhèn)鞑?，產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，即在信號(hào)傳輸路徑的導(dǎo)體上，電流只分布在深度 以內(nèi)；根據(jù)趨膚深度 計(jì)算公式，計(jì)算鍍層厚度，以當(dāng)前用戶使用頻率不超過3GHz計(jì)算，鍍層厚度要求為1.4μm以上。

其中，γ——導(dǎo)體電導(dǎo)率；

μ——導(dǎo)體磁導(dǎo)率；

f——頻率；

(2)簧片變形的驗(yàn)證

簧片變形主要存在兩種形式：一是制作簧片的帶材，由于加工制造或校平工藝不足等問題造成的變形；二是在產(chǎn)品調(diào)校觸點(diǎn)壓力時(shí)造成的變形(圖5)，分別對(duì)兩種情況單獨(dú)進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際情況的條件下對(duì)繼電器的射頻特性影響不大。

圖5 簧片變形情況

(3)簧片與連接桿焊接深度

在實(shí)際生產(chǎn)裝配過程中，簧片與連接焊焊接深度約為簧片厚度1/3至1/2，通過之前介紹的切入模擬焊接的方法進(jìn)行仿真，確定該范圍深度內(nèi)對(duì)射頻特性基本無影響。

(4)簧片尺寸與材料優(yōu)化

通過對(duì)簧片的長(zhǎng)度、寬度、厚度、材料進(jìn)行單因素分析，在繼電器內(nèi)部空間允許的情況下，簧片寬度對(duì)其射頻特性影響最大，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)加工難度選擇將簧片寬度增加至0.8mm(單獨(dú)接觸部分簧片寬度仿真結(jié)果如圖6)。

圖6 簧片寬度單因素分析

綜上，確定簧片優(yōu)化方案為簧片寬度增至0.8mm，鍍層厚度控制在1.5μm至2μm，簧片與連接桿焊接深度控制在簧片厚度的1/3至1/2處。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述方法，在對(duì)繼電器的各個(gè)組成部分分別進(jìn)行了仿真優(yōu)化，在綜合考慮生產(chǎn)加工難度，制定了對(duì)繼電器簧片與觸點(diǎn)的外形尺寸進(jìn)行修改優(yōu)化，對(duì)觸點(diǎn)的裝配位置進(jìn)行了工藝要求的優(yōu)化方案。同時(shí)，在射頻優(yōu)化的過程中，測(cè)試夾具帶來的影響不容忽視，通過對(duì)廠家原有的微帶線結(jié)構(gòu)的測(cè)試夾具進(jìn)行仿真優(yōu)化，改進(jìn)了測(cè)試夾具的尺寸。

仿真優(yōu)化模型、效果及優(yōu)化產(chǎn)品實(shí)測(cè)射頻特性如圖7。

(a)仿真優(yōu)化模型

(b)仿真與產(chǎn)品最初實(shí)測(cè)擬合結(jié)果對(duì)比

(c)原產(chǎn)品新夾具插入損耗實(shí)測(cè)

(d)優(yōu)化樣品新夾具插入損耗實(shí)測(cè)圖7 優(yōu)化效果對(duì)比

以用戶使用的3GHz以及產(chǎn)品的最大帶寬5GHz頻點(diǎn)的優(yōu)化效果為例，優(yōu)化效果如表一：

表一 優(yōu)化效果

5 結(jié)束語

本文將有限元仿真技術(shù)應(yīng)用于繼電器接觸部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性。通過仿真計(jì)算，可以在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中就可以對(duì)產(chǎn)品射頻特性進(jìn)行預(yù)估，代替了需要不斷使實(shí)驗(yàn)解決了許多需要不斷試驗(yàn)才能獲得的數(shù)據(jù)問題，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和研發(fā)周期，節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力成本，有效縮短優(yōu)化周期。

參考文獻(xiàn)：

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