射頻機械開關的優化設計

桂 盛，魯 帆

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

射頻機械開關是利用電磁力或彈力來控制驅動絕緣子和簧片上、下運動,從而實現射頻通道通斷特性，其廣泛應用于射頻微波組件、模塊和系統中。相比其他形式開關，射頻機械開關具有如下優點[1]：(1)插入損耗極低；(2)不會引入信號非線性特征；(3)耐受功率水平較高。然而，機械開關存在的切換時間較長，一般需20 ms左右等固有不足也限制了其應用范圍。此外，機械開關還會由于彈性元件和電磁元件在使用過程中出現一定概率的疲勞或失效，從而導致偶發性工作失靈。此類故障現象在美國RLC公司、歐洲Radiall公司和日本松下公司等多家公司的表貼式機械開關產品上均有出現。因此，針對機械開關在使用過程中出現的切換偶發失效問題開展了相關研究。

1 故障機理分析

機械開關在使用過程中偶爾出現駐波失配、插損增大、相位遠離基準等異?，F象。經廣州5所可靠性實驗報告和器件解剖分析初步判定故障原因為：機械開關在使用過程中因頻繁切換導致限位裝置產生的磨損微粒和極微小形變讓簧片在原動力下無法位置復原，從而造成開關兩端口均不能正常吸合。此非正常閉合產生的極細小間隙會引起端口駐波失配，進而導致高頻信號波長短空間耦合插損小,傳播損耗變化并不明顯，相位偏移大；低頻信號波長長,空間耦合插損大,傳播損耗變化大，相位偏移小。

為了解決上述原因，本文從機械開關的工作原理入手展開研究。機械開關主要包含電磁系統、同軸接口結構、通斷切換(接觸系統)系統3個部分，其開關原理如圖1所示，采用+12 V控制，將機械開關的1腳接地，2腳接0 V或+12 V。當2腳接0 V時，組件開通NC路；當2腳接+12 V時，組件開通NO路。

射頻機械開關的結構如圖2所示，當機械開關1腳接地、2腳接+12 V時，機械開關線圈加載電流，線圈通電而產生磁場，磁場吸附銜鐵，銜鐵吸合推桿隨銜鐵向下運動，A觸點動簧片與絕緣子斷開，B觸點動簧片與絕緣子接觸，從而實現C-NO信號的開通。當機械開關1腳接地、2腳接0 V時，機械開關線圈未加電，彈簧處于壓縮狀態，彈簧恢復力使得B觸點動簧片與絕緣子斷開，A觸點動簧片與絕緣子接觸，從而實現C-NC信號的切換。

圖2 機械開關結構圖

從上述機械開關原理可以看出，機械開關在使用過程中出現故障的主要原因有：(1)電磁鐵性能下降或失效，造成控制C-NO通路閉合不到位或者無響應；(2)彈簧性能下降或者失效，造成C-NC通路閉合不到位或者無響應。盡管機械開關在使用要求中明確最小切換時間優于15 ms，仍會因彈性元件疲勞引起機械開關概率性吸合不到位或者控制失效等問題，特別是在動簧片相對絕緣子距離較近的狀態下，微波高頻信號空間傳輸損耗較低，機械開關插入損耗性能下降不明顯(12～18 GHz插入損耗增加約0.2～0.3 dB)，但相位偏離值較大，器件故障可檢測性較差。

2 解決途徑

為了解決上述問題，我們對機械開關做了大量驗證工作，結合失效分析報告和故障時特征現象得出初步結論：(1)吸合不到位的故障情況下射頻上C-NC與C-NO端均為開路；(2)控制失效的故障情況下控制電壓與導通支路邏輯不符。通過以上結論，結合機械開關在電路中的作用，在電路中設置了判別點A、B和BIT故障告警，具體原理框圖如圖3所示。

圖3 反饋工作流程圖

從圖3可以看出，電路通電后，TTL輸入電平為低時，NC-C導通，NO-C斷開；判別點A比較器輸出為低電平，判別點B比較器輸出為高電平；電路正常機內自檢(BIT)輸出高電平(狀態a)。當NC-C、NO-C均斷開，判別點A、B比較器輸出均為高電平，此刻電路正常BIT輸出低電平(狀態c)。NC-C斷開、NO-C導通，判別點A比較器輸出為高電平、判別點B比較器輸出為低電平，此時，電路正常BIT輸出低電平(狀態d)。同理，TTL輸入電平為高時，情況類似，其表現出來的狀態如表1所示。

表1 控制與判別信號真值表

電路通過BIT反饋報警電平可以明確得到機械開關工作狀態正常與否，上位機即可通過BIT的回報結果及時了解機械開關工作狀態，并重新復位輸入控制信號解決問題。

3 電路的設計

針對上述解決方法，本文分別從射頻電路和數字電路2個方面對機械開關進行優化設計。

3.1 射頻電路的設計

為了阻斷電路前級電位對檢測點A、B的影響，在射頻電路NC、NO輸入端增加隔直電容；在NC及NO端采用繞線電感實現電壓檢測機械開關選通回路。機械開關導通支路可以等效成傳輸線，其電路模型如圖4所示。

圖4 電路模型

圖4中L1、L2、L3分別為機械開關任意通道的檢測繞線電感，C1、C2為前級隔直電容，當NC-C或者NO-C任一支路導通時，可形成NC-C或者NO-C電壓回路。在設計過程中，可通過降低電容電感影響，保真機械開關射頻性能。針對上述電路方式，以某設備現有前端組件為例分析其電路特性。通過查詢組件內使用的相關芯片資料可知，開關在13.5 GHz頻率處，因優化電路引入的隔直電容插入損耗小于0.18 dB，電容串聯電路中其損耗與頻率的曲線關系查手冊如圖5所示。

圖5 電容串聯運用插入損耗

為了進一步確認此優化電路對機械開關電路性能的影響，利用HFSS仿真軟件建立對應的仿真模型(如圖6所示)。通過仿真結果數據比對，可以看出由金絲繞線電感帶來的損耗約0.075～0.13 dB(見圖7)。

圖6 射頻電路優化設計仿真模型圖

圖7 繞線電感仿真模型及結果對比

3.2 數字電路的軟件設計

數字電路主要實現以下2種工作狀態：電路通電工作瞬態和輸入指令切換瞬態。

在電路通電工作瞬態中，首先是由單片機發送工作指令給比較電路的電源開關，通過比較電路檢測當前機械開關通斷路阻抗情況回饋給單片機，最后單片機通過查詢真值表輸出BIT信號機械開關的性能狀態[2]。

在輸入指令切換工作狀態中，首先是單片機將接收到的輸入指令下發到機械開關控制驅動電路，并計時15 ms不再接收輸入指令，機械開關同時相應切換工作狀態，阻抗檢測電路檢測當前機械開關通斷路阻抗情況回饋給單片機，最后單片機通過查詢真值表輸出BIT信號表明機械開關的工作狀態。2種工作方式流程圖如圖8所示。

圖8 控制工作流程圖

3.3 數字電路的硬件設計

圖9所示為數字電路硬件設計原理圖，預置單片機在電源上電后輸出控制信號給+5 V電源控制三極管，使之驅動比較器A、比較器B工作。比較器的參考電壓通過調節分壓電阻R1、R2的阻值設置為V0，然后通過調節分壓電阻R3、R4的阻值設置為VA(V0，比較器輸出“1”。單片機通過此時比較器的輸出信號比對真值表輸出BIT信號“1”，表示機械開關工作正常。

當上電流程完成后，TTL控制信號發生變化,導通NO-C支路(表1狀態b)，單片機輸出控制信號到+12 V電源控制三極管,使機械開關工作狀態切換，并同時計數15 ms，不響應TTL控制信號的變化。比較器A、B判斷當前開關兩通道接觸電阻情況輸出信號，單片機比對真值表，其過程同理NC-C工作狀態。

當機械開關發生故障,閉合不到位，即兩通道均處于開路狀態(表1狀態c、e)時，比較器A、B檢測電壓為+5 V,全部輸出信號“1”，單片機比對真值表判斷機械開關工作故障,輸出BIT信號“0”告警；當機械開關彈性失效或者磁力失效時，兩通道工作狀態與邏輯相反(表1狀態d、f)，單片機輸出BIT信號“0”告警。

圖9 數字電路原理框圖

4 實物功能測試

基于上述優化電路的設計情況，利用機械開關裝配實物進一步驗證設計方案的合理性，其裝配實物如圖10所示，測試結果如圖11所示，可以看出機械開關的增益曲線(圖11(b))與未加檢測電路的原增益曲線(圖11(a))對比，插入損耗增加約0.16 dB。

圖11 原插損和增加檢測電路插損

此外，針對機械開關輸入控制信號時間保護功能，做如下測試，其測試結果如圖12所示，測試步驟如下：首先用示波器通道1探頭測量輸入控制時序(黃色)，通道2探頭測量單片機輸出控制時序(綠色)；其次，比對探頭2曲線相鄰上升沿和下降沿差值，從圖中可以看出，機械開關控制信號保護時間約15.7 ms，滿足機械開關使用要求。

圖12 開關切換保護實測圖

5 結束語

本文提出了一種射頻機械開關的使用優化設計方案。在設計過程中，分別從理論分析、軟件仿真及實物測試展開論證。從實測結果可以看出，此項優化設計可以直觀檢測機械開關的工作狀態，很好地避免機械開關出現故障時引入工作狀態的系統誤差。此優化設計可為類似開關的故障分析拓寬思路，也能為機械開關的可靠性設計提供保障。