柳 楊，卜祥蕊，牛之友，祝 杰

(中電科思儀科技股份有限公司，青島 266000)

0 引言

矩陣開關(guān)，具有損耗小、頻帶寬、壽命長、應(yīng)用靈活等特點，廣泛應(yīng)用于自動測試系統(tǒng)和測試儀器領(lǐng)域，還可應(yīng)用于雷達(dá)陣列收發(fā)通道測試系統(tǒng)及數(shù)字波束形成單元中，是實現(xiàn)裝備信號通道切換的關(guān)鍵部件。

開關(guān)在系統(tǒng)工作過程中承擔(dān)著信道鏈路的切換功能[1-2]，這就要求開關(guān)在每次切換時都具有很高的重復(fù)性，從而保持微波信號幅度和相位的一致與穩(wěn)定。長時間、多頻次切換往往使開關(guān)產(chǎn)生機(jī)械磨損，因此開關(guān)通常是微波系統(tǒng)壽命和穩(wěn)定的最薄弱環(huán)節(jié)，是整個微波系統(tǒng)中重要的、不可替代的微波鏈路關(guān)鍵部件[3-5]。開關(guān)的主要作用，一是進(jìn)行微波信號路由選擇，提高系統(tǒng)功能組合的靈活性；二是搭建微波傳輸備份環(huán)路，對失效率較高的微波設(shè)備、單機(jī)進(jìn)行備份，以提高整個系統(tǒng)的可靠性[6-9]。矩陣開關(guān)除上述功能外，因其靈活的應(yīng)用方式，可以滿足多種應(yīng)用場景，從而得到廣泛的應(yīng)用。

1 工作原理

矩陣開關(guān)作為微波開關(guān)的一種，主要用于系統(tǒng)微波信號通路的切換，是一種通過機(jī)械動作切換微波信號的部件[10-11]。本文設(shè)計的矩陣開關(guān)共有6個射頻輸入、輸出端，可以實現(xiàn)任意2個端口的相互連通。

通過合理配置，可以實現(xiàn)微波信號1路選通5路或2路選通4路或3路選通3路的功能，即適合于1×5、2×4、3×3三種形式的應(yīng)用場景，能夠?qū)崿F(xiàn)單刀五擲、單刀雙擲+單刀四擲、單刀三擲+單刀三擲三種組合方式。如圖1所示。

圖1 矩陣開關(guān)工作模式

本文研制的矩陣開關(guān)工作基本原理是：線圈加電產(chǎn)生電磁力推動傳動機(jī)構(gòu)運動，傳動機(jī)構(gòu)帶動傳輸簧片與連接器搭接，實現(xiàn)開關(guān)的切換，如圖2所示。

圖2 矩陣開關(guān)工作原理

2 主要性能指標(biāo)

本文所設(shè)計的矩陣開關(guān)具有頻段寬、形式靈活、低駐波、低損耗、高隔離、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)如表1所列。

3 方案設(shè)計

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

矩陣開關(guān)由電路控制系統(tǒng)、電磁驅(qū)動系統(tǒng)和微波傳輸系統(tǒng)組成，如圖3所示。

圖3 矩陣開關(guān)結(jié)構(gòu)

電路控制系統(tǒng)包括三塊控制板和雙排插針連接器。連接器焊接在開關(guān)控制板上，為了保證開關(guān)的抗振性，開關(guān)控制板通過外殼和螺釘緊固，保證了其固定緊密。電磁系統(tǒng)包括磁鋼、線圈、銜鐵和頂桿，通過六個M2的螺釘固定在微波腔體上，固定了頂桿的行程尺寸，保證了開關(guān)閉合和斷開的可靠性。微波傳輸系統(tǒng)包括簧片組件、腔體和同軸組件，用于微波信號的傳輸功能。

3.2 電磁驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

電磁驅(qū)動系統(tǒng)與開關(guān)的工作電壓、電流、振動等環(huán)境目標(biāo)要求相關(guān)，其作用是在電路控制系統(tǒng)施加電信號后，相應(yīng)的通道產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動微波傳輸系統(tǒng)的簧片動作實現(xiàn)微波傳輸通路的切換。

圖4 電磁驅(qū)動系統(tǒng)

本開關(guān)采用平衡旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。平衡旋轉(zhuǎn)式電磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸兩端銜鐵部分質(zhì)量相對平衡，對轉(zhuǎn)軸的總力矩為零，可耐較高的沖擊、振動，切換壽命更長。

3.3 微波傳輸系統(tǒng)設(shè)計及仿真

本文開關(guān)的微波傳輸系統(tǒng)由三個部分組成，分別是射頻同軸組件、傳輸簧片組件和腔體組件。開關(guān)的微波傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 微波傳輸系統(tǒng)

開關(guān)的射頻同軸組件的端口為SMA(f)型，同軸組件的工作頻率是由其外導(dǎo)體內(nèi)徑、內(nèi)導(dǎo)體外徑和介質(zhì)撐的特性參數(shù)決定，可由式(1)進(jìn)行計算[12]：

(1)

式中，C0≈300 000 km/s；λc為波長；d為內(nèi)導(dǎo)體直徑；D為外導(dǎo)體內(nèi)徑；εr為絕緣材料的相對介電常數(shù)。

本設(shè)計f≥20 GHz，D=3.9 mm，采用介質(zhì)的介電常數(shù)ε=2.5，D≤2.1 mm。

同軸組件的設(shè)計，關(guān)鍵在于介質(zhì)撐的設(shè)計。介質(zhì)撐所采用的結(jié)構(gòu)如圖6所示。在設(shè)計介質(zhì)撐時，材料選取上介質(zhì)撐采用機(jī)械性能好、溫度穩(wěn)定性高的聚醚酰亞胺。

圖6 SMA(f)型射頻同軸組件結(jié)構(gòu)

經(jīng)過上述計算和HFSS軟件的仿真優(yōu)化得到最終的射頻同軸組件尺寸。

矩陣開關(guān)為了實現(xiàn)多種傳輸模式的切換，在微波信號傳輸時需要兩個簧片同時搭接到中間的圓盤上實現(xiàn)通路。所以矩陣開關(guān)的通路長度是普通微波開關(guān)的兩倍。其中的阻抗不連續(xù)點會引起駐波指標(biāo)的惡化，并且在高頻段產(chǎn)生高次模，這些高次模信號將嚴(yán)重影響開關(guān)指標(biāo)。為了避免開關(guān)本身結(jié)構(gòu)特性而造成的指標(biāo)惡化，必須對矩陣開關(guān)的過渡段不連續(xù)點進(jìn)行阻抗匹配優(yōu)化，以減小高頻電磁信號在過渡段的反射，抑制雜波的產(chǎn)生。

當(dāng)矩陣開關(guān)切換時，其中一路傳輸簧片與同軸組件接觸，傳輸線阻抗不連續(xù)點主要位于傳輸簧片與射頻同軸組件搭接處，此處產(chǎn)生的電容效應(yīng)[13-15]造成了阻抗的不連續(xù)性。因此將采用兩種方法來抵消其電容效應(yīng)。

1)減小搭接處傳輸簧片的寬度，通過增加電感的方式抵消過渡段產(chǎn)生的電容效應(yīng)；

2)對搭接處的射頻連接器內(nèi)導(dǎo)體進(jìn)行臺階變換，減小內(nèi)導(dǎo)體直徑，以人工方式引入電感，抵消過渡段產(chǎn)生的電容效應(yīng)。

構(gòu)建微波傳輸系統(tǒng)的仿真模型，如圖7所示。

圖7 微波傳輸系統(tǒng)仿真模型

使用Ansoft公司的電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真。電壓駐波比、插入損耗和隔離度仿真結(jié)果如圖8、圖9、圖10所示。

從仿真結(jié)果可以看出，電壓駐波比、插入損耗和隔離度與設(shè)計目標(biāo)相比，余量較大，滿足項目研制指標(biāo)。

圖8 電壓駐波比仿真曲線

圖9 插入損耗仿真曲線

圖10 隔離度仿真曲線

4 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，最終得到的產(chǎn)品如圖11所示。

圖11 產(chǎn)品照片

產(chǎn)品的實測性能指標(biāo)如圖12、圖13、圖14所示。

圖12 電壓駐波比實測曲線

圖13 插入損耗實測曲線

測試結(jié)果表明，開關(guān)的電壓駐波比在DC～1.209 4 GHz小于1.02，在1.209 4 GHz～ 8.205 9 GHz小于1.07，在8.205 9 GHz～20 GHz小于1.2；插入損耗在DC～3.508 2 GHz小于0.24，在3.508 2 GHz～12.4 GHz小于0.34，在12.4 GHz～20 GHz小于0.43；隔離度在DC～109.95 MHz大于94.54，在109.95 MHz～5.307 3 GHz大于91.40，在5.307 3 GHz～20 GHz大于90.27。

圖14 隔離度實測曲線

產(chǎn)品主要性能指標(biāo)實測值與研制指標(biāo)對比如表2所列。電壓駐波比在全頻段小于研制要求的最低值，插入損耗在全頻段小于0.5，隔離度在全頻段大于90。

表2 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)對比

5 結(jié)論

本文所設(shè)計的矩陣開關(guān)相比于普通的開關(guān)，實現(xiàn)了1×5、2×4、3×3三種工作模式，應(yīng)用場景更加多樣，使用方式更加靈活。同時，由于矩陣開關(guān)靈活的特性決定了它具有結(jié)構(gòu)缺陷，從而造成了指標(biāo)惡化。最終產(chǎn)品的實測結(jié)果表明了通過對此結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的傳輸線阻抗不連續(xù)點進(jìn)行補償，有效地避免了指標(biāo)惡化，滿足了設(shè)計要求，使得矩陣開關(guān)指標(biāo)既能夠?qū)?biāo)普通的開關(guān)，又兼具切換靈活性，因此具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

由于矩陣開關(guān)每次通路切換時至少有兩個簧片動作，所以矩陣開關(guān)的切換損耗比普通開關(guān)大，之后將會對矩陣開關(guān)進(jìn)行長壽命設(shè)計改進(jìn)。