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(kāi)關(guān)(射頻繼電器或微波開(kāi)關(guān))是一種傳輸和切換射頻信號(hào)的機(jī)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(dá)系統(tǒng)、電臺(tái)、電子對(duì)抗、自動(dòng)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(diǎn)狀態(tài)指示功能、高介質(zhì)耐電壓、優(yōu)良射頻指標(biāo)的開(kāi)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(kāi)關(guān)具有一組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)(SPDT型)，帶觸點(diǎn)狀態(tài)指示功能，標(biāo)準(zhǔn)HN型連接器引出端，介質(zhì)耐電壓高達(dá)4000Vr.m.s.，主要由于某型飛機(jī)電臺(tái)信號(hào)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(diǎn)

1)產(chǎn)品的壽命次數(shù)高達(dá)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(jì)：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(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2.3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品為高壓射頻開(kāi)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(guò)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(jì)

電磁系統(tǒng)見(jiàn)圖2，采用差動(dòng)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(kāi)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(jì)支架將線圈與磁鋼包覆，采用點(diǎn)焊固定，整體結(jié)構(gòu)剛性良好，以滿足產(chǎn)品的振動(dòng)、沖擊指標(biāo)。

2.3.3 接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

接觸系統(tǒng)是該射頻開(kāi)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(dòng)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(jiàn)圖3)。產(chǎn)品輸出端使用標(biāo)準(zhǔn)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(lái)，故兩者性能相似。連接器內(nèi)芯和動(dòng)簧片形成信號(hào)通路，主要來(lái)導(dǎo)通和斷開(kāi)射頻信號(hào)。接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖4。

圖3 帶狀線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 接觸系統(tǒng)

1)接觸電阻可靠性設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品要求接觸電阻小于0.05Ω。在實(shí)際測(cè)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(diǎn)材料、觸點(diǎn)壓力，接觸面形式等有關(guān)，故接觸電阻可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(diǎn)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(dòng)簧片體電阻估算：

動(dòng)簧片鈹銅材料的電阻率為4.5×10-8Ω·m，動(dòng)簧片寬度6mm，動(dòng)簧片厚度0.8mm，動(dòng)簧片長(zhǎng)度L=22mm。

Rp動(dòng)=ρL/S≈0.21mΩ

③連接器接觸電阻：

HN型連接器為標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械參數(shù)設(shè)定

①建立銜鐵跟蹤與動(dòng)簧片變形的模型示意圖(圖5)

圖5 力——位移簡(jiǎn)圖

a：銜鐵跟蹤；

a′：推桿處對(duì)應(yīng)的銜鐵跟蹤；

b′：動(dòng)簧片變形量；

c′：推動(dòng)簧片變形量

②建立模型所需要的數(shù)據(jù)

動(dòng)簧片：長(zhǎng)L1寬b1厚h1

推動(dòng)簧片：長(zhǎng)L2寬b2厚h2

動(dòng)簧片(鈹銅材料)：E1=1.27×1011Pa

推動(dòng)動(dòng)簧片(鈹銅材料)：E2=1.27×1011Pa

推動(dòng)簧片慣性矩：I2= b2 h23/12=0.01125

③理論計(jì)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(jì)算公式：

?c′≈5.63b′，又因?yàn)閏′+b′=0.078

?b′≈0.012mmc′≈0.066mm

? F1=F2=1.7N

觸點(diǎn)壓力=F/2=0.85N。

④仿真計(jì)算

a. 銜鐵跟蹤0.1mm，觸點(diǎn)壓力0.6N，

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

圖6 動(dòng)簧片靜態(tài)位移仿真

b. 銜鐵跟蹤0.15mm，觸點(diǎn)壓力0.95N

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

圖7 動(dòng)簧片靜態(tài)位移仿真

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

3)動(dòng)簧片、推動(dòng)簧片應(yīng)力及抗疲勞特性分析

動(dòng)簧片、推動(dòng)簧片是繼電器切換負(fù)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(guò)對(duì)動(dòng)簧片靜態(tài)力-應(yīng)力(圖8)模擬仿真和推動(dòng)簧片靜態(tài)力-應(yīng)力(圖9)模擬仿真。

圖8 動(dòng)簧片靜態(tài)力-應(yīng)力

圖9 推動(dòng)簧片靜態(tài)力-應(yīng)力

從動(dòng)簧片、推動(dòng)簧片應(yīng)力云圖(圖8、圖9)可知，動(dòng)簧片局部最大的應(yīng)力σb為1.6×107N/m2，推動(dòng)簧片局部最大應(yīng)力為σb為1.2×108N/m2，遠(yuǎn)小于鈹銅的最小屈服強(qiáng)度σb =6.86×108N/m2，因此可以保證動(dòng)簧片、推動(dòng)簧片在使用過(guò)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(dòng)簧片、推動(dòng)簧片的疲勞壽命次數(shù)達(dá)到5×105次時(shí)，對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度約為410N/mm2，而該產(chǎn)品動(dòng)簧片、推動(dòng)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(diǎn)指示功能設(shè)計(jì)

銜鐵組件主要由銜鐵、推動(dòng)簧片、輔助簧片等零件組成，在推動(dòng)簧片下方安裝0.12mm厚度的輔助簧片(圖11)，輔助簧片上點(diǎn)焊引線與罩子部分指定絕緣子釬焊連接作為指示信號(hào)輸出端。射頻開(kāi)關(guān)線圈加激勵(lì)后銜鐵開(kāi)始動(dòng)作，由于輔助簧片在推動(dòng)簧片下方，推動(dòng)簧片在動(dòng)作時(shí)，會(huì)先與輔助簧片接觸，然后推動(dòng)輔助簧片繼續(xù)動(dòng)作完成觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)射頻開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)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(jì)算

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

本文主要利用Ansoft-HFSS仿真計(jì)算射頻開(kāi)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(guò)程見(jiàn)下圖12：

圖12 仿真流程圖

根據(jù)已確定的結(jié)構(gòu)方案，對(duì)射頻開(kāi)關(guān)接觸系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析計(jì)算，得到該射頻開(kāi)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(guò)仿真分析可以看出，接觸系統(tǒng)在DC-3GHz范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)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(jì)要求，仿真計(jì)算結(jié)果表明接觸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和尺寸理論上可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文介紹了一種帶觸點(diǎn)狀態(tài)指示功能的高介質(zhì)耐電壓射頻開(kāi)關(guān)，其總體采用平衡力式結(jié)構(gòu)，電磁系統(tǒng)采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，接觸系統(tǒng)采用屏蔽帶狀線結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)零部件結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行理論計(jì)算和仿真分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(kāi)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。