楊 倩，劉 貝，操基德，盛金月

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

0 引 言

射頻同軸開(kāi)關(guān)主要用于微波信號(hào)通路的傳輸和切換，是一種通過(guò)機(jī)械動(dòng)作切換微波信號(hào)的器件。大功率射頻同軸開(kāi)關(guān)作為微波鏈路關(guān)鍵一環(huán)，負(fù)責(zé)大功率高頻信號(hào)傳輸與切換，并且由于應(yīng)用平臺(tái)的不同，環(huán)境適應(yīng)性也不同，因此產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)的要求也存在差異[1]。

1 研究目標(biāo)

本文介紹了一種用于低氣壓環(huán)境的大功率射頻同軸開(kāi)關(guān)，具有低駐波、低損耗以及環(huán)境適應(yīng)性好等性能特點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)主要由信號(hào)控制系統(tǒng)、電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及微波導(dǎo)行系統(tǒng)3大部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖如圖1所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)信號(hào)控制系統(tǒng)，將額定驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加到產(chǎn)品電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)變化并推動(dòng)微波導(dǎo)行系統(tǒng)，完成信號(hào)切換或功率傳輸[2]。

圖1 開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

2.1 信號(hào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

信號(hào)控制系統(tǒng)用于上級(jí)系統(tǒng)為開(kāi)關(guān)供電，同時(shí)可以將開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)反饋給系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，用來(lái)消除線圈在斷電時(shí)產(chǎn)生的反峰電壓，開(kāi)關(guān)每個(gè)線圈并聯(lián)一個(gè)二極管，起到續(xù)流和抑制噪聲作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)上級(jí)電源的保護(hù)[3]。

2.2 微波導(dǎo)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 高頻參數(shù)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的高頻參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括電壓駐波比、插入損耗以及隔離度設(shè)計(jì)。在微波導(dǎo)行系統(tǒng)中，存在同軸連接器內(nèi)外導(dǎo)體與絕緣子支撐之間的臺(tái)階、同軸連接器到帶狀線的過(guò)渡段以及簧片與推桿的連接處等位置，均會(huì)導(dǎo)致特性阻抗的不連續(xù)，形成不連續(xù)電容。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)特性阻抗不連續(xù)處進(jìn)行補(bǔ)償，以完成產(chǎn)品的高頻參數(shù)設(shè)計(jì)。

在HFSS 軟件中建立產(chǎn)品微波導(dǎo)行系統(tǒng)的仿真模型，經(jīng)過(guò)仿真得出導(dǎo)行系統(tǒng)的電壓駐波比、插入損耗以及隔離度，仿真結(jié)果如圖2～圖4所示[4]。

圖2 電壓駐波比仿真結(jié)果

圖3 插入損耗仿真結(jié)果

圖4 隔離度仿真結(jié)果

通過(guò)仿真分析，電壓駐波比設(shè)計(jì)值≤1.05，插入損耗設(shè)計(jì)值≤0.015 dB，隔離度設(shè)計(jì)值≥85 dB，高頻參數(shù)設(shè)計(jì)符合技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2.2 功率容量設(shè)計(jì)

計(jì)算同軸線傳輸?shù)倪B續(xù)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(jì)算公式為：

式中，εr為絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，d為內(nèi)導(dǎo)體外徑，D為外導(dǎo)體內(nèi)徑。

若內(nèi)導(dǎo)體表面的電場(chǎng)峰值以Ed表示，則：

同軸傳輸線截止波長(zhǎng)λc的計(jì)算公式為：

將式（2）～式（4）代入公式（1），得到：

帶狀線功率容量計(jì)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(jì)算方式為：

式中，w′為腔體深度。

將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸帶入，微波導(dǎo)行系統(tǒng)功率容量滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，要根據(jù)氣體放電理論設(shè)計(jì)產(chǎn)品在低氣壓環(huán)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(lèi)和表面材料等條件不變時(shí)，擊穿電壓是氣壓與極間距離乘積的函數(shù)[6]。計(jì)算公式為：

根據(jù)巴申定律，在不改變產(chǎn)品所處氣壓等條件下，設(shè)計(jì)中采用增大微波導(dǎo)行系統(tǒng)的間隙的方式提高產(chǎn)品的低氣壓放電閾值。

結(jié)合低氣壓環(huán)境的降額系數(shù)仿真分析微波導(dǎo)行系統(tǒng)的功率容量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 微波導(dǎo)行系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)分布

微波導(dǎo)行系統(tǒng)內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，因此從電擊穿角度，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求。

2.3 電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是開(kāi)關(guān)的功力源，主要是利用控制線圈中電流產(chǎn)生的電磁吸力驅(qū)動(dòng)磁路中的可動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換功能，是一種將電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生電磁力的系統(tǒng)[7]。

根據(jù)微波導(dǎo)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大間隙設(shè)計(jì)要求，本型號(hào)開(kāi)關(guān)選用螺線管式磁路結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是磁利用率高，鐵芯的行程較大[8]。結(jié)合技術(shù)指標(biāo)的振動(dòng)要求，對(duì)電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在Maxwell軟件中建立結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行電磁仿真分析[9]。

通過(guò)仿真分析，磁路中的磁感應(yīng)強(qiáng)度未達(dá)到產(chǎn)品選用的軟磁材料的飽和值，因此開(kāi)關(guān)的電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足整體結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)要求。電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 電磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)仿真結(jié)果

2.4 其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

為降低機(jī)械公差對(duì)傳輸線射頻性能的影響，基于現(xiàn)有機(jī)械加工水平及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，課題組引入了參數(shù)容差設(shè)計(jì)，對(duì)微波導(dǎo)行系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)做了容差分析。由于產(chǎn)品用于低氣壓環(huán)境，因此為保證微波部件的實(shí)際承受功率能力，工藝應(yīng)做到嚴(yán)格處理微波導(dǎo)行系統(tǒng)的零件的邊緣，避免出現(xiàn)加工毛刺，拐角加工成圓角。此外，防止微波導(dǎo)行系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)進(jìn)行裝配和調(diào)試等，而且存放環(huán)境應(yīng)潔凈，防止出現(xiàn)污染物[10]。

3 產(chǎn)品實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，將產(chǎn)品加工完成后進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試，得到實(shí)測(cè)結(jié)果與技術(shù)指標(biāo)要求的對(duì)比如表2所示。由對(duì)比可知，該產(chǎn)品具備低駐波比、低損耗以及低氣壓環(huán)境功率耐受能力強(qiáng)的特點(diǎn)，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足用戶技術(shù)指標(biāo)要求。

表2 主要性能指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)測(cè)試，該型號(hào)大功率射頻開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)切實(shí)可行。利用該設(shè)計(jì)的產(chǎn)品實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，低氣壓環(huán)境下耐大功率能力滿足技術(shù)指標(biāo)要求。