羅后信

(貴州振華華聯(lián)電子有限公司，貴州凱里，556000)

1 引言

在當(dāng)代社會(huì)，機(jī)電同軸開(kāi)關(guān)的應(yīng)用范圍十分廣泛，而單刀六擲開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于航空、通信、軍事等領(lǐng)域。單刀六擲開(kāi)關(guān)支持微波信號(hào)從一路選通六路中任一路的功能，在實(shí)際使用場(chǎng)景下，其射頻性能得到了有效的保障。并且表現(xiàn)出高隔離度、高工作頻率、低駐波比、低插入損耗等特點(diǎn)，對(duì)于使用場(chǎng)景和任務(wù)具有高度的兼容性，對(duì)于一些較為惡劣的環(huán)境下也能夠保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。所以也被應(yīng)用到雷達(dá)的自動(dòng)系統(tǒng)中[1]。射頻機(jī)械開(kāi)關(guān)在工作時(shí)需要承擔(dān)微波信號(hào)鏈路的連接和切換功能，這一過(guò)程是隨機(jī)的，而且需要長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，因此對(duì)于部件要求是具有高度的穩(wěn)定性，并且使用壽命要長(zhǎng)[2]。有這種需求的場(chǎng)景還有很多，尤其是現(xiàn)在工業(yè)發(fā)展開(kāi)始逐步向集成化、自動(dòng)化、信息化過(guò)渡之后，以后需要開(kāi)關(guān)構(gòu)件具備類(lèi)似功能的場(chǎng)景會(huì)大幅增加。因此，越來(lái)越的研究人員開(kāi)始將提升開(kāi)關(guān)使用穩(wěn)定性和整體壽命作為研究的重點(diǎn)，希望能夠有所突破，助力相關(guān)行業(yè)得到發(fā)展。

2 單刀六擲開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)及測(cè)試

同軸機(jī)電開(kāi)關(guān)通過(guò)外加控制信號(hào)選擇螺線(xiàn)管通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而推動(dòng)銜鐵組件動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)微波通路的選擇，以單刀六擲開(kāi)關(guān)為例，其工作原理圖如圖1所示，加上驅(qū)動(dòng)電壓后，控制信號(hào)通過(guò)接口電路和控制電路，讓所選通路的繼電器組件工作(螺線(xiàn)管通電)，產(chǎn)生磁場(chǎng)與磁鐵相互作用，帶動(dòng)銜鐵塊動(dòng)作，從而閉合所選通路。

對(duì)于單刀六擲開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)電壓(VCC)輸入為+24V，為繼電器組件中的螺線(xiàn)管供電使其產(chǎn)生磁場(chǎng)；控制信號(hào)為6路(TTL信號(hào))，分別控制1～6路中的一路與公共端C口導(dǎo)通。

對(duì)于其他開(kāi)關(guān)，控制信號(hào)為兩路(單刀雙擲/雙刀雙擲/雙刀三擲開(kāi)關(guān))，驅(qū)動(dòng)電壓輸入可能為+5V、+12V或+24V。雙刀三擲開(kāi)關(guān)存在兩個(gè)公共端所示)，雙刀雙擲開(kāi)關(guān)存在兩個(gè)公共端，單刀雙擲開(kāi)關(guān)只有一個(gè)公共端。隨著通訊領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，同軸機(jī)電開(kāi)關(guān)的試驗(yàn)需求隨之增加。其壽命試驗(yàn)常采用切換過(guò)程中抽樣測(cè)試的方法，往往耗費(fèi)大量時(shí)間和人力，且無(wú)法監(jiān)測(cè)每次切換狀態(tài)，準(zhǔn)確度較低，亟需更方便、快捷、準(zhǔn)確度高的測(cè)試方法以滿(mǎn)足機(jī)電開(kāi)關(guān)壽命試驗(yàn)的要求。

常規(guī)壽命測(cè)試中以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試電性能指標(biāo)(駐波比、插入損耗、隔離度指標(biāo)，主要為插入損耗)來(lái)判斷開(kāi)關(guān)切換正常與否，一次僅能測(cè)試開(kāi)關(guān)的一個(gè)通路，但該方法需試驗(yàn)員取出開(kāi)關(guān)單獨(dú)測(cè)試、耗時(shí)較長(zhǎng)且不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確度不高。

圖1展示了單刀六擲開(kāi)關(guān)工作的基本原理。可以看出，單刀六擲開(kāi)關(guān)就是由電磁繼電器和射頻傳輸線(xiàn)兩部分組成，并設(shè)置有7個(gè)對(duì)外，在使用過(guò)程中，通過(guò)電磁繼電器來(lái)完成控制指令的下達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)射頻端口與任意端口進(jìn)行連接。

圖1 單刀六擲開(kāi)關(guān)示意圖

電磁繼電器主要作用對(duì)象是將射頻端口C以及端口，在開(kāi)關(guān)中決定射頻性能的傳輸線(xiàn)，傳輸性的材質(zhì)和工作方式會(huì)影響到整個(gè)開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)功能實(shí)現(xiàn)效果。為了能夠量化分析開(kāi)關(guān)使用效果，需要使用AnsoftHFSS軟件來(lái)完成對(duì)現(xiàn)有DC～26.5GHz單刀六擲開(kāi)關(guān)的射頻傳輸線(xiàn)的重新設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化效果的目的[3]。DC～26.5GHz單刀六擲開(kāi)關(guān)的射頻傳輸線(xiàn)主要由同軸波導(dǎo)、介質(zhì)撐、傳輸簧片組成。在工作時(shí)，中間的內(nèi)導(dǎo)體(端口C)由傳輸簧片連接到旁路的內(nèi)導(dǎo)體(端口1)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微波在端口C與端口1之間進(jìn)行傳輸。同樣的，傳輸簧片可以連接其他端口，進(jìn)行微波傳輸。傳輸簧片的接通和斷開(kāi)，由上面所述的電磁繼電器控制實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，DC～26.5GHz單刀六擲開(kāi)關(guān)的

從駐波比的數(shù)據(jù)表中可以得知，該設(shè)備的工作頻率駐波比小于1.18，回波損耗大于20dB。

圖2 DC～26.5GHz單刀六擲駐波比

3 單刀六擲開(kāi)關(guān)的壽命測(cè)試及提升

射頻機(jī)械開(kāi)關(guān)是完成通信、自動(dòng)測(cè)試、雷達(dá)功能的基礎(chǔ)功能原件，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)于任務(wù)的完成具有基礎(chǔ)性的作用。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，要求該型開(kāi)關(guān)具有穩(wěn)定的使用狀態(tài)，并且保證其使用壽命能夠覆蓋正常檢修間距。射頻機(jī)械開(kāi)關(guān)如果出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)功能的癱瘓,而且對(duì)于周?chē)考氖褂冒踩蛪勖鼤?huì)造成嚴(yán)重的威脅[4]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)所有開(kāi)關(guān)操作進(jìn)行記錄，研究人員在射頻開(kāi)關(guān)上綁定了記錄裝置。電源系統(tǒng)為開(kāi)關(guān)提供的電壓由程序進(jìn)行控制，浮動(dòng)范圍在0V～40V之間。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中內(nèi)置有能夠?qū)?shù)據(jù)運(yùn)行情況進(jìn)行記錄的程序，以記錄開(kāi)關(guān)控制指令，在系統(tǒng)使用過(guò)程中控制信號(hào)分為標(biāo)準(zhǔn)型和TTL控制型。筆者參與設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)使用的是TTL控制型，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以對(duì)開(kāi)關(guān)的射頻性能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的量化記錄[5]?？梢杂涗涢_(kāi)關(guān)的運(yùn)行電壓、使用時(shí)長(zhǎng)、反饋速度。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)取，常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)經(jīng)歷100萬(wàn)次后出現(xiàn)故障的概率會(huì)超過(guò)90%，考慮到現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)硬件的使用期限，在大規(guī)模的投放體量下檢修人員難以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)全部開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)進(jìn)行掌握，因此在規(guī)定檢修間隔期范圍內(nèi)很容易出現(xiàn)故障問(wèn)題。

作為投入數(shù)量最多的無(wú)源器件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含眾多零部件，單一零部件出現(xiàn)故障就會(huì)影響到臨近的施工部件，造成整個(gè)開(kāi)關(guān)的功能性喪失通過(guò)之前的描述可知，開(kāi)關(guān)中間內(nèi)導(dǎo)體(端口C)與傳輸簧片和旁路內(nèi)導(dǎo)體(端口1，2，3，4，5，6)之間若能夠有效連接，則意味著開(kāi)關(guān)有良好的射頻性能和良好的工作狀態(tài)。為了保證傳輸簧片和兩個(gè)內(nèi)導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)良好的接觸，就必須有足夠的觸點(diǎn)壓力。觸點(diǎn)壓力過(guò)小，兩者之間接觸不良，接觸時(shí)間短，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)反應(yīng)遲緩或失去響應(yīng)。若觸點(diǎn)壓力過(guò)大，持續(xù)性的壓力作用會(huì)使得傳輸簧片出現(xiàn)較大的形變，而且經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)作用可能導(dǎo)致不可以形變，久而久之會(huì)出現(xiàn)簧片被折彎或斷裂的嚴(yán)重后果。

為了避免此類(lèi)事情的發(fā)生，對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的觸點(diǎn)壓力進(jìn)行及早的檢測(cè)就顯得十分重要。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析發(fā)現(xiàn)，同軸內(nèi)導(dǎo)體伸入腔體的高度和傳輸簧片推桿的長(zhǎng)度共同決定了觸點(diǎn)壓力。最終，通過(guò)理論設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，將同軸內(nèi)導(dǎo)體的深度優(yōu)化為(0.55±0.01)mm，傳輸簧片的推桿長(zhǎng)度優(yōu)化為(0.60±0.01)mm，從而得到優(yōu)化后的接觸壓力約為0.3N。同時(shí)在同軸內(nèi)導(dǎo)體和傳輸簧片不斷接觸過(guò)程中，內(nèi)導(dǎo)體和傳輸簧片在接觸區(qū)域有明顯的磨損，為了能夠提高開(kāi)關(guān)的性能，對(duì)同軸內(nèi)導(dǎo)體的表面粗糙度進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其進(jìn)行拋光處理，拋光后的同軸內(nèi)導(dǎo)體的表面粗糙度明顯下降，有利于降低簧片和內(nèi)導(dǎo)體之間的磨損。

4 結(jié)論

文章設(shè)計(jì)了一款工作于DC～26.5GHz的單刀六擲射頻機(jī)械開(kāi)關(guān)。測(cè)試結(jié)果表明，在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，開(kāi)關(guān)的駐波比小于1.32，傳輸損耗小于0.45dB。為了實(shí)時(shí)檢測(cè)開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)并搭建了射頻機(jī)械開(kāi)關(guān)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并記錄開(kāi)關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過(guò)理論優(yōu)化和試驗(yàn)優(yōu)化同軸內(nèi)導(dǎo)體的深度、傳輸簧片的推桿長(zhǎng)度及同軸內(nèi)導(dǎo)體表面粗糙度等重要參數(shù)，開(kāi)關(guān)的運(yùn)行壽命能夠從100萬(wàn)次提高到500萬(wàn)次。