龔秀麗，孫紹強(qiáng)，李 鑫

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所 安徽 蚌埠 233010）

射頻開(kāi)關(guān)在高低溫電測(cè)試試驗(yàn)中的失效分析及改進(jìn)

龔秀麗，孫紹強(qiáng)，李 鑫

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所 安徽 蚌埠 233010）

本文針對(duì)射頻開(kāi)關(guān)在高低溫電測(cè)試試驗(yàn)中，出現(xiàn)的各種接觸不良現(xiàn)象，進(jìn)行了失效分析，找出了失效原因，提出了改進(jìn)措施，其中最主要的改進(jìn)措施是更改射頻開(kāi)關(guān)輔助簧片上推桿作用力的位置。該措施采用ANSYS軟件對(duì)輔助簧片進(jìn)行了應(yīng)力仿真分析，并結(jié)合改進(jìn)前后的高低溫電測(cè)試試驗(yàn)，得出了改進(jìn)后射頻開(kāi)關(guān)輔助簧片對(duì)靜觸點(diǎn)的作用力增大，解決了輔助簧片接觸不良的現(xiàn)象。因此，改進(jìn)后的射頻開(kāi)關(guān)具有更好的可靠性。

射頻開(kāi)關(guān)；單刀雙擲；低溫電測(cè)試；高溫電測(cè)試；失效分析

射頻開(kāi)關(guān)[1-2]的失效主要是動(dòng)作異常，而引起這一失效的主要因素有觸點(diǎn)材料[3-4]、觸點(diǎn)表面處理工藝[5]、觸點(diǎn)間隙[6-7]、動(dòng)作時(shí)間[8-9]、動(dòng)作頻率、動(dòng)作電壓[10]、電流[11]、環(huán)境溫度[12]等。其中環(huán)境溫度是影響射頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作異常的一個(gè)重要因素。文中根據(jù)射頻開(kāi)關(guān)在高低溫電測(cè)試試驗(yàn)中的各種失效現(xiàn)象，進(jìn)行分析，找出失效原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。而針對(duì)最主要的失效原因進(jìn)行了機(jī)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，并通過(guò)應(yīng)力仿真分析模型和改進(jìn)后試驗(yàn)結(jié)果得出，改進(jìn)后的射頻開(kāi)關(guān)具有更好的可靠性。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

為了更好的分析射頻開(kāi)關(guān)在高低溫電測(cè)試試驗(yàn)中的失效原因，文中首先介紹射頻開(kāi)關(guān)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理。

1.1 結(jié) 構(gòu)

射頻開(kāi)關(guān)都是由信號(hào)控制系統(tǒng)[13]、電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[14]、射頻傳輸切換系統(tǒng)[15]等3大部分組成。其組成框圖如圖1所示。以JPT-2T型單刀雙擲射頻同軸開(kāi)關(guān)為例，其整體簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 組成框圖

圖2 整體簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理

由圖3所示，JPT-2T型單刀雙擲射頻同軸開(kāi)關(guān)的工作原理為：射頻繼電器的D型連接器1端和2端施加額定工作電壓+28 Vd.c.，相當(dāng)于激勵(lì)電壓施加到線圈L上，線圈中有電流通過(guò)，在鐵芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)力帶動(dòng)鐵芯動(dòng)作，使射頻端J3J2通道導(dǎo)通，而鐵芯動(dòng)作又使鐵芯上的推桿向上推動(dòng)，使 J3J2射頻通道指示端的輔助簧片接通。去電時(shí)，J3J2射頻通道和其指示端斷開(kāi)，而J1J2射頻通道和其指示端導(dǎo)通。J2為射頻通道的公共端。

圖3 工作原理圖

2 高低溫電測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)：樣本數(shù)量為 25只，先進(jìn)行低溫電測(cè)試試驗(yàn)，后進(jìn)行高溫電測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)具體條件如下：

1）低溫電測(cè)試試驗(yàn)

①-55℃±3℃環(huán)境溫度下，保持1 h；

②開(kāi)關(guān)分別施加最小工作電壓（24 Vd.c.）和最大工作電壓（32 Vd.c.）激勵(lì)試驗(yàn)樣品動(dòng)作，每個(gè)通道動(dòng)作100次；

③射頻通道應(yīng)施加電壓不大于6 Vd.c.、電流不大于5 mA的負(fù)載進(jìn)行監(jiān)測(cè)（如指示燈）；

2）高溫電測(cè)試試驗(yàn)

①85℃±3℃的環(huán)境溫度下，保持1 h；

②開(kāi)關(guān)分別施加最小工作電壓（24 Vd.c.）和最大工作電壓（32 Vd.c.）激勵(lì)試驗(yàn)樣品動(dòng)作，每個(gè)通道動(dòng)作100次；

③射頻通道應(yīng)施加電壓不大于6 Vd.c.、電流不大于5 mA的負(fù)載進(jìn)行監(jiān)測(cè)（如指示燈）；

試驗(yàn)技術(shù)要求為：在低溫和高溫下，試驗(yàn)樣品在激勵(lì)與去激勵(lì)過(guò)程中應(yīng)動(dòng)作正常。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 高低溫電測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

3 失效分析及優(yōu)化

3.1 失效分析

文中針對(duì)表1試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)樣品進(jìn)行失效分析。根據(jù)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)信號(hào)控制系統(tǒng)、電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、射頻傳輸切換系統(tǒng)等3部分進(jìn)行失效分析，失效原因及改進(jìn)措施見(jiàn)表2所示。

表2 失效分析及改進(jìn)措施

由表2可得，引起射頻開(kāi)關(guān)失效的最主要因素為輔助簧片低溫冷縮和加工時(shí)硬度不均勻，并因此而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)在低溫下，在激勵(lì)與去激勵(lì)循環(huán)動(dòng)作幾次后，輔助觸點(diǎn)出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象。由于受輔助簧片加工工藝的限制，本所不能加工出高精度的簧片，所以文中對(duì)輔助簧片的組件機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 優(yōu)化改進(jìn)

改進(jìn)前和改進(jìn)后的輔助簧片的組件機(jī)構(gòu)原理圖如圖4和圖5所示。靜觸點(diǎn)和輔助簧片一端約束固定，輔助簧片對(duì)靜觸點(diǎn)的壓力為0.2～0.4 N。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文輔助簧片材料為鈹青銅，其許用應(yīng)力為1 050 MPa，按照材料安全使用要求，在低溫-55℃下，輔助簧片上施加0.4 N的作用力，采用Static structural（ANSYS）模塊建立模型，得出其應(yīng)力仿真分析圖，如圖6和圖7所示。

圖4 改進(jìn)前原理圖

圖5 改進(jìn)后原理圖

圖6 改進(jìn)前應(yīng)力仿真分析圖

由分析結(jié)果知，簧片所受到最大應(yīng)力為40.0 MPa，小于許用應(yīng)力，滿足使用要求。根據(jù)受力分析，將輔助簧片組件機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，推桿作用力設(shè)為F，由力矩平衡得，改進(jìn)前簧片對(duì)靜觸點(diǎn)作用力為3F/4，改進(jìn)后簧片對(duì)靜觸點(diǎn)作用力為4F/3，所以，在簧片滿足使用要求的前提下，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)接觸更好。

圖7 改進(jìn)后應(yīng)力仿真分析圖

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)更好，文中則取25只改進(jìn)后的產(chǎn)品進(jìn)行高低溫電測(cè)試試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可得，改進(jìn)后的射頻開(kāi)關(guān)在低溫和高溫條件下，在激勵(lì)與去激勵(lì)循環(huán)動(dòng)作100次后，輔助觸點(diǎn)基本沒(méi)有出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象；6#開(kāi)關(guān)高溫測(cè)試時(shí)，輔助觸點(diǎn)指示燈接觸不良，是因?yàn)闇囟壬撸o助簧片表面氧化、腐蝕和磨損，導(dǎo)致接觸電阻增大，電流減??；12#開(kāi)關(guān)由于電路板焊接失誤使兩控制線接頭直接短路；17#開(kāi)關(guān)由于腔蓋孔存在多余物導(dǎo)致主簧片發(fā)生卡阻。

表3 高低溫電測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

綜上所述，文中分析了射頻開(kāi)關(guān)的各種失效現(xiàn)象，找出了失效原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。針對(duì)輔助簧片低溫冷縮和加工時(shí)硬度不均勻等主要失效因素，采取了優(yōu)化改進(jìn)射頻開(kāi)關(guān)輔助簧片組件機(jī)構(gòu)的措施，并通過(guò)應(yīng)力仿真分析和試驗(yàn)得出，改進(jìn)后的射頻開(kāi)關(guān)具有更好的可靠性。

[1]楊靖治.GaAs MOSFET射頻開(kāi)關(guān)器件與電路的研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2014.

[2]張光輝,石玉,何澤濤.基于PIN管的多路大功率寬帶高線性射頻開(kāi)關(guān)的研制[J].電子元件與材料，2012，31(11):59-62.

[3]REN Wan-bin,JIN Jian-bing,LI Dan.Design and application of a novel test rig for simulating and evaluating elec-tric arc and electrical contact characteristics of contact mate-rials[J]. Electrical Engineering Materials，2014（4）:28-32，37.

[4]薛升俊.超低速分合條件下鍍金觸點(diǎn)材料電接觸特性的實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[5]左敏.鐵基納米晶磁芯縱向磁場(chǎng)熱處理工藝研究[D].南昌:南昌大學(xué)，2014.

[6]詹花茂，姚林志，李志兵.252kV GIS隔離開(kāi)關(guān)特快速暫態(tài)過(guò)電壓試驗(yàn)中觸頭間隙重復(fù)擊穿過(guò)程研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（9）:2570-2574.

[7]楊曉鋮，王 茜，劉金文.電觸點(diǎn)間隙動(dòng)態(tài)特征測(cè)量研究[J].電工材料，2014（6）:3-8，16.

[8]鄭貴林，陳曦.基于滑動(dòng)窗口法的智能開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)[J].自動(dòng)化與儀表，2014（8）:61-64.

[9]徐永亮.電氣設(shè)計(jì)中自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器動(dòng)作時(shí)間的探討[J].現(xiàn)代建筑電氣，2013，4（9）:41-44.

[10]王華昕，藍(lán)元良，湯廣福.限流器晶閘管閥自觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作電壓閾值設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2011，34（7）:1811-1817.

[11]耿江海.變壓器鐵心一點(diǎn)接地工作電流計(jì)算[J].變壓器, 2013，50（4）:33-35.

[12]劉 雷，張高飛，尤政.環(huán)境溫度對(duì)RF-MEMS開(kāi)關(guān)閉合電壓影響研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，32（5）:6-8.

[13]韓佳鑫.車站信號(hào)控制系統(tǒng)中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用與設(shè)計(jì)[D].北京:北京交通大學(xué)，2012.

[14]凌闖，操基德.一種射頻繼電器電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電元件, 2014，34（2）:7-9.

[15]宋江柱，徐樂(lè)，梁慧敏.射頻同軸開(kāi)關(guān)熱特性仿真分析[J].低壓電器，2014（14）:12-17.

Failure analysis and improvement of RF switch in high and low temperature electric test experiment

GONG Xiu-li，SUN Shao-qiang，LI Xin
（The 40th Institute of China Electronics Technology Corporation，Bengbu 233010，China）

This paper，based on all kinds of poor contact phenomenon of the high and low temperature electric test experiment of RF switch，conduct the failure analysis，find out the failure reason，put forward the improvement measures，the main improvement measure is to change the location of the push rod force on the RF switch auxiliary reed.This measure the stress simulation analysis is carried out on the leaf spring by ANSYS software，and combines with high and low temperature electric test experiment of before and after the improvement，obtain the improved RF switch auxiliary reed on the static contact force increases，and solve the auxiliary reed poor contact phenomenon.Therefore，the improved RF switch has better reliability.

RF switches；SPDT；low temperature electrical test；high temperature electrical test；failure analysis

TN0

A

1674－6236（2016）23-0115-04

2016-01-02稿件編號(hào)：201601002

龔秀麗（1988—），女，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，工程師。研究方向：電子元器件的測(cè)試。