劉貝+楊倩+王逸君

摘 要 本文介紹了JPT45-6-S24-1型單刀六擲射頻同軸開關(guān)的設(shè)計方法，重點闡述了微波系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)和理論仿真的設(shè)計，對同類產(chǎn)品的擴(kuò)展設(shè)計具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞 射頻同軸開關(guān)；SMA；工作原理；設(shè)計分析

中圖分類號 TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）186-0060-02

射頻同軸開關(guān)，作為一種常見的元器件，主要用于傳輸和切換射頻信號，在移動通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和電子測量等工程中有著不可替代的作用。

隨著微波技術(shù)的迅猛發(fā)展，射頻同軸開關(guān)正逐漸趨于多通道、小型化、寬頻帶、高壽命和低損耗。JPT45-6-S24-1型單刀六擲射頻同軸開關(guān)就是這樣一款根據(jù)用戶多通道、小型化要求研制的射頻同軸開關(guān)，下面具體介紹這款射頻同軸開關(guān)的設(shè)計方法。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

該款產(chǎn)品具有頻段寬、單刀六擲、低駐波、低損耗、高隔離、工作溫度范圍廣、可靠性高等特點，廣泛應(yīng)用于通訊、自控、測試等行業(yè)。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

頻率范圍：50MHz～18GHz；

特性阻抗：50Ω；

電壓駐波比：≤1.5（50MHz～18GHz）；

插入損耗：≤0.6dB（50MHz～18GHz）；

隔離度：≥55dB（50MHz～18GHz）；

工作溫度：-55℃～85℃。

2 工作原理

JPT45-6-S24-1型單刀六擲射頻同軸開關(guān)（以下簡稱開關(guān)），為封閉式結(jié)構(gòu)。接口部分：控制接口采用15針D型連接器；微波接口采用SMA-K型射頻連接器。主要由控制電路、電磁系統(tǒng)、微波系統(tǒng)這3部分組成。

本開關(guān)的工作原理為：額定工作電壓通過控制電路部分施加到電磁系統(tǒng)中，電磁系統(tǒng)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，推動微波系統(tǒng)中射頻觸點從斷開狀態(tài)切換到閉合狀態(tài)，實現(xiàn)射頻信號的傳輸。

3 方案設(shè)計

3.1 電磁系統(tǒng)設(shè)計

為了滿足用戶對產(chǎn)品小型化、高可靠的要求，本開關(guān)電磁系統(tǒng)采用體積小、漏磁小、抗干擾能力強(qiáng)的螺線管式電磁結(jié)構(gòu)，為推動驅(qū)動部分提供機(jī)械能；驅(qū)動部分采用線膨脹系數(shù)較小的非金屬材料和磁導(dǎo)率較小的金屬材料，提高了開關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性，保障了開關(guān)在工作溫度范圍內(nèi)可靠工作。

3.2 微波系統(tǒng)設(shè)計

微波系統(tǒng)作為射頻信號的傳輸通道，是開關(guān)的核心部件，其射頻信號的傳輸路徑為：SMA射頻連接器→矩形傳輸線→SMA射頻連接器。SMA射頻連接器屬于標(biāo)準(zhǔn)50Ω同軸線結(jié)構(gòu)；矩形傳輸線由腔體、腔蓋、射頻接觸簧片組成，形成雙導(dǎo)體類同軸線結(jié)構(gòu)。因此，在設(shè)計過程中可以利用同軸線設(shè)計原理進(jìn)行設(shè)計。并且參考射頻同軸連接器三項基本設(shè)計原則：1）沿同軸傳輸方向上盡可能保持一致的特征阻抗；2）對于不可避免的不連續(xù)性，采取共面補(bǔ)償?shù)姆绞揭蕴岣弋a(chǎn)品指標(biāo)；3）設(shè)法減小機(jī)械加工誤差對電性能的影響。對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計分析，實現(xiàn)開關(guān)在多通道、寬頻段下的低駐波、低插損和高隔離的要求。

3.2.1 射頻連接器設(shè)計

開關(guān)的工作頻率為50MHz～18GHz，射頻連接器采用SMA-K型射頻連接器，界面符合GJB 5246-2004中SMA系列連接器界面要求。圖2為SMA型射頻連接器的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中b為腔體深度，W為簧片寬度，t為簧片厚度，W`為腔體的寬度，εr為相對介電強(qiáng)度，η0為波阻抗。

通過以上理論計算，基本確定SMA射頻連接器和矩形傳輸線的尺寸，然后通過微波仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真計算，開關(guān)微波系統(tǒng)仿真模型見圖3。

通過大量仿真及優(yōu)化計算后，得到在工作頻率范圍內(nèi)，滿足指標(biāo)要求的電壓駐波比、插入損耗和隔離度設(shè)計要求。電壓駐波比、插入損耗和隔離度的仿真結(jié)果分別見圖4、圖5和圖6。

通過仿真，電壓駐波比≤1.35，插入損耗≤0.25dB，隔離度≥80dB。對比技術(shù)指標(biāo)要求，可知產(chǎn)品的理論結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3.3 產(chǎn)品實測結(jié)果

完成以上理論計算后，對產(chǎn)品零件進(jìn)行加工、裝配和測試，最終得到產(chǎn)品實測性能指標(biāo)。圖1為產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)實測值和理論值的對比情況。

通過表1可以看出JPT45-6-S24-1型單刀六擲射頻同軸開關(guān)的電壓駐波、插入損耗、隔離度實測值均是滿足技術(shù)指標(biāo)要求的。對比軟件仿真的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)理論值要優(yōu)于實際測量值，這主要是由于微波系統(tǒng)零件加工、表面處理和裝配誤差等因素引起的。

4 結(jié)論

目前開關(guān)已完成鑒定試驗，其中包括振動、沖擊及高、低溫電性能測試等嚴(yán)酷的環(huán)境試驗；并已被用戶廣泛的應(yīng)用于各類工程項目中，成功的替代國外同類產(chǎn)品，實現(xiàn)了開關(guān)國產(chǎn)化的要求；同時也為同類開關(guān)的設(shè)計提供寶貴的經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展開發(fā)了單刀四擲開關(guān)也已通過用戶的認(rèn)可。因此，該款開關(guān)的研制具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭天丕，周峻峰.繼電器制造·工藝·使用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1996.

[2]郭鳳儀，李靖.電器學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[4]鄭兆翁.同軸式TEM模通用無源器件[M].北京：人民郵電出版社，1983.