單刀六擲機電同軸機械開關壽命提升試驗研究

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(中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島 266555)

1 引言

機電同軸開關能夠被廣泛應用于航空、航天、通信、軍事、科學等領域。單刀六擲開關可以實現微波信號從一路選通六路中任一路的功能，并且因其具有良好的射頻性能，如低駐波比、低插入損耗、高隔離度、高工作頻率等特點，其被廣泛應用于通訊系統、雷達系統等自動測試系統中。因為射頻機械開關在系統工作過程中，承擔微波信號鏈路的連接和切換功能，因此要求開關的可靠性能高，壽命時間長[1-4]。

現在，越來越多的學者對于開關等動作器件的可靠性和壽命的研究越來越多。本論文基于之前的研究工作，設計研究射頻可靠性自動測試系統，用于檢測和記錄開關的運行狀態，并通過統計數據，發現開關失效原因，從而有針對性的進行改善，從而提高開關的可靠性和壽命。

本論文的內容主要分為以下幾個部分：1、引言中說明了單刀六擲機電同軸開關的應用領域，及目前人們所關心的研究方向；2、設計、加工、裝配了一種寬帶單刀六擲機電同軸開關，并對其主要的射頻指標進行了測試；3、介紹了目前單刀六擲開關可靠性及壽命的現狀，并根據測試數據，對開關的可靠性和壽命進行了改進。4、最后對論文的主要工作進行簡要總結。

2 單刀六擲開關設計及測試

圖1展示了單刀六擲開關工作的基本原理。從圖中可以看到，單刀六擲開關主要由電磁繼電器和射頻傳輸線組成，并且有7個射頻端口(C, 1, 2, 3, 4, 5, 6)。通過電磁繼電器的控制，能夠實現射頻端口C與其余6個射頻端口中任意一個端口連接的功能。

由之前的描述可知，電磁繼電器主要作用是將射頻端口C和其余6個端口進行選擇連通。而在開關中，真正能夠決定開關射頻性能的部分主要是射頻傳輸線，是開關中最重要的組成部分。其性能好壞直接決定了開關的指標能否滿足自動測試系統的要求。我們利用專業的射頻設計軟件Ansoft HFSS對DC～26.5GHz單刀六擲開關的射頻傳輸線進行了設計和優化，如下圖2所示。

由上圖2所示，DC～26.5GHz單刀六擲開關的射頻傳輸線主要由同軸波導、介質撐、傳輸簧片組成。在工作時，中間的內導體(端口C)由傳輸簧片連接到旁路的內導體(端口1)，進而實現微波在端口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。

圖2 DC～26.5GHz單刀六擲開關射頻傳輸線

圖3 DC～26.5GHz單刀六擲駐波比

經過優化設計，DC～26.5GHz單刀六擲開關的駐波比計算結果如圖3所示。由圖可知，在整個工作頻率范圍內，駐波比小于1.18，回波損耗大于20dB。

圖4 設計研發的DC～26.5GHz單刀六擲開關

經過設計加工的單刀六擲開關及其測試曲線如圖4、圖5所示。安捷倫E9361C矢量網絡分析儀用于測量開關的射頻性能。經過測試發現，在整個工作頻帶內，開關的駐波比小于1.32，傳輸損耗小于0.45dB。射頻性能良好，能夠滿足自動測試系統的設計指標要求。

圖5 單刀六擲開關測試曲線

3 單刀六擲開關的壽命測試及提升

因為射頻機械開關是整個通信、雷達及自動測試系統中必不可少的射頻器件，它的可靠性和壽命將直接影響整個系統的性能。因此射頻機械開關除了能夠滿足必需的射頻性能及各項功能之外，其可靠性和壽命越來越受到行業的關注。

為了能夠實時監測開關的運行情況并記錄相關數據，我們設計搭建了射頻機械開關可靠性及壽命自動測試系統，如下圖6所示。

圖6 開關可靠性及壽命自動測試系統

在圖6所示的自動測試系統中，電源系統為射頻機械開關提供驅動電壓。電壓能夠實現0V～40V程序控制。計算機系統主要用于控制整個系統并對運行數據進行實時記錄。信號控制系統能夠提供TTL控制和標準控制兩種控制信號。本文設計的單刀六擲開關需要TTL控制。矢量網絡分析儀用于測量開關的射頻性能及重復性。設計和搭建的開關自動測試系統能夠測量開關的啟動電壓、運行壽命和可靠性等指標。

通過自動測試系統的實時監測，發現之前所設計的開關運行不到100萬次均會出現故障。這很難滿足現代通信系統及其他自動測試系統的要求。因此射頻機械開關的壽命提升工作刻不容緩。而開關又是最為復雜的無源器件之一，由很多零部件組成，因此需要通過測試，找到對開關壽命影響最大的關鍵零部件，對其進行優化。

通過之前的描述可知，開關中間內導體(端口C)與傳輸簧片和旁路內導體(端口1, 2, 3, 4, 5, 6)之間若能夠有效連接，則意味著開關有良好的射頻性能和良好的工作狀態。而傳輸簧片和兩個內導體良好接觸的時候，他們之間必然存在一定的觸點壓力。一方面，若觸點壓力過小，則傳輸簧片和內導體之間容易發生接觸不良現象，導致開關故障；另一方面，若觸點壓力過大，則傳輸簧片的形變量過大，容易導致簧片被折彎或斷裂。因此，觸點壓力是最為重要和關鍵的參數之一，在提高開關可靠性和壽命時，需要對其進行優化和保證。經過大量的試驗驗證和理論分析發現，同軸內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，將同軸內導體的深度優化為(0.55±0.01)mm，傳輸簧片的推桿長度優化為(0.60±0.01)mm。從而得到優化后的接觸壓力約為0.3N。

同時在同軸內導體和傳輸簧片不斷接觸過程中，內導體和傳輸簧片在接觸區域有明顯的磨損，如下圖8所示。為了能夠提高開關的性能，對同軸內導體的表面粗糙度進行優化，對其進行拋光處理，結果如下圖9所示。由圖可知，拋光后的同軸內導體的表面粗糙度明顯下降，有利于降低簧片和內導體之間的磨損。

圖8 運行過后內導體和傳輸簧片圖片

圖9 拋光后的同軸內導體

經過大量的優化設計和試驗后，單刀六擲射頻機械開關的可靠性和壽命有了明顯的改進，能夠從100萬次無故障提升到500萬次無故障。

在以后的工作中，我們將對開關的設計進行優化，繼續提高開關的可靠性和壽命。

4 結論

文章設計了一款工作于DC～26.5GHz的單刀六擲射頻機械開關。測試結果表明，在整個工作頻帶內，開關的駐波比小于1.32，傳輸損耗小于0.45dB。為了實時檢測開關的運行狀態，設計并搭建了射頻機械開關自動測試系統。系統能夠實時監測并記錄開關的運行數據。通過理論優化和試驗優化同軸內導體的深度、傳輸簧片的推桿長度及同軸內導體表面粗糙度等重要參數，開關的運行壽命能夠從100萬次提高到500萬次。論文工作對射頻機械開關的可靠性提升奠定一定的理論及實驗基礎。以后重點工作將對開關繼續進行優化設計，使其能夠滿足現代自動測試系統的要求。