一種大功率射頻同軸開關的設計

楊 倩，劉 貝，操基德，盛金月

（中國電子科技集團公司 第四十研究所，安徽 蚌埠 233010）

0 引 言

射頻同軸開關主要用于微波信號通路的傳輸和切換，是一種通過機械動作切換微波信號的器件。大功率射頻同軸開關作為微波鏈路關鍵一環，負責大功率高頻信號傳輸與切換，并且由于應用平臺的不同，環境適應性也不同，因此產品具體結構的要求也存在差異[1]。

1 研究目標

本文介紹了一種用于低氣壓環境的大功率射頻同軸開關，具有低駐波、低損耗以及環境適應性好等性能特點，主要技術指標如表1所示。

表1 主要技術指標

2 總體結構設計

開關主要由信號控制系統、電磁轉換系統以及微波導行系統3大部分組成，總體結構如圖如圖1所示。驅動信號通過信號控制系統，將額定驅動信號施加到產品電磁轉換系統中，電磁轉換系統發生狀態變化并推動微波導行系統，完成信號切換或功率傳輸[2]。

圖1 開關結構圖

2.1 信號控制系統結構設計

信號控制系統用于上級系統為開關供電，同時可以將開關的工作狀態反饋給系統。在結構設計上，用來消除線圈在斷電時產生的反峰電壓，開關每個線圈并聯一個二極管，起到續流和抑制噪聲作用，實現對上級電源的保護[3]。

2.2 微波導行系統結構設計

2.2.1 高頻參數設計

產品的高頻參數設計主要包括電壓駐波比、插入損耗以及隔離度設計。在微波導行系統中，存在同軸連接器內外導體與絕緣子支撐之間的臺階、同軸連接器到帶狀線的過渡段以及簧片與推桿的連接處等位置，均會導致特性阻抗的不連續，形成不連續電容。因此，在結構設計中，需要對特性阻抗不連續處進行補償，以完成產品的高頻參數設計。

在HFSS 軟件中建立產品微波導行系統的仿真模型，經過仿真得出導行系統的電壓駐波比、插入損耗以及隔離度，仿真結果如圖2～圖4所示[4]。

圖2 電壓駐波比仿真結果

圖3 插入損耗仿真結果

圖4 隔離度仿真結果

通過仿真分析，電壓駐波比設計值≤1.05，插入損耗設計值≤0.015 dB，隔離度設計值≥85 dB，高頻參數設計符合技術指標要求。

2.2.2 功率容量設計

計算同軸線傳輸的連續波平均功率P為：

式中，Vm為行波電壓峰值，Im為行波電流峰值，Z0為同軸傳輸線的特性阻抗[5]。Z0的計算公式為：

式中，εr為絕緣介質的相對介電常數，d為內導體外徑，D為外導體內徑。

若內導體表面的電場峰值以Ed表示，則：

同軸傳輸線截止波長λc的計算公式為：

將式（2）～式（4）代入公式（1），得到：

帶狀線功率容量計算公式為：

式中，Pmax為最大入射峰值擊穿功率，S為電壓駐波比，P為大氣壓，b為腔體深度，t為簧片厚度。

Z0為帶狀線的特性阻抗，計算方式為：

式中，w′為腔體深度。

將產品結構設計尺寸帶入，微波導行系統功率容量滿足設計要求。

根據技術指標要求，要根據氣體放電理論設計產品在低氣壓環境下的功率耐受能力。

氣體放電理論中的巴申定律表征了在氣體種類和表面材料等條件不變時，擊穿電壓是氣壓與極間距離乘積的函數[6]。計算公式為：

根據巴申定律，在不改變產品所處氣壓等條件下，設計中采用增大微波導行系統的間隙的方式提高產品的低氣壓放電閾值。

結合低氣壓環境的降額系數仿真分析微波導行系統的功率容量，結果如圖5所示。

圖5 微波導行系統場強分布

微波導行系統內的場強遠小于介質的擊穿場強，因此從電擊穿角度，產品結構設計滿足指標要求。

2.3 電磁轉換系統結構設計

電磁轉換系統是開關的功力源，主要是利用控制線圈中電流產生的電磁吸力驅動磁路中的可動部分實現觸點轉換功能，是一種將電磁能轉換為機械能，產生電磁力的系統[7]。

根據微波導行系統結構大間隙設計要求，本型號開關選用螺線管式磁路結構，其特點是磁利用率高，鐵芯的行程較大[8]。結合技術指標的振動要求，對電磁轉換系統進行結構設計，在Maxwell軟件中建立結構模型，進行電磁仿真分析[9]。

通過仿真分析，磁路中的磁感應強度未達到產品選用的軟磁材料的飽和值，因此開關的電磁轉換系統結構設計可以滿足整體結構及技術指標要求。電磁轉換系統仿真結果如圖6所示。

圖6 電磁轉換系統仿真結果

2.4 其他設計注意事項

為降低機械公差對傳輸線射頻性能的影響，基于現有機械加工水平及經濟實用性，課題組引入了參數容差設計，對微波導行系統各個關鍵參數做了容差分析。由于產品用于低氣壓環境，因此為保證微波部件的實際承受功率能力，工藝應做到嚴格處理微波導行系統的零件的邊緣，避免出現加工毛刺，拐角加工成圓角。此外，防止微波導行系統內污染，降低耐功率閾值，裝配前用酒精清洗零部件，還要在滿足潔凈度要求的專用操作間內進行裝配和調試等，而且存放環境應潔凈，防止出現污染物[10]。

3 產品實測結果

根據以上設計，將產品加工完成后進行實際試驗測試，得到實測結果與技術指標要求的對比如表2所示。由對比可知，該產品具備低駐波比、低損耗以及低氣壓環境功率耐受能力強的特點，產品的結構設計滿足用戶技術指標要求。

表2 主要性能指標對比

4 結 論

經過測試，該型號大功率射頻開關結構設計切實可行。利用該設計的產品實測結果與仿真結果吻合，低氣壓環境下耐大功率能力滿足技術指標要求。