一种带触点状态指示功能的高耐压射频开关的设计

史利兵，马建英，温 洁

(1.陕西群力电工有限责任公司，陕西宝鸡，721300；2.西安现代控制技术研究所，陕西西安，710054)

1 引言

射频开关(射频继电器或微波开关)是一种传输和切换射频信号的机电元件。与传统的电磁继电器相比，它除了具有电磁继电器常规的电气性能指标外还具有特有的射频性能指标，如插入损耗、电压驻波比、隔离度等，广泛应用于通讯、导航、雷达系统、电台、电子对抗、自动控制系统等装备中。随着装备使用环境更加恶劣，射频指标要求更优，用户提出了一种具有触点状态指示功能、高介质耐电压、优良射频指标的开关的需求。

2 结构方案

2.1 主要技术指标

该种耐高压射频开关具有一组转换触点(SPDT型)，带触点状态指示功能，标准HN型连接器引出端，介质耐电压高达4000Vr.m.s.，主要由于某型飞机电台信号的传输和切换。其主要技术指标如表1所示。

表1 主要技术指标

2.2 关键技术难点

1)产品的寿命次数高达5×105次。

2)射频指标与高介质耐电压的匹配综合设计：在频率DC～3GHz的射频参数：电压驻波比：≤1.3：1，插入损耗≤0.3dB，隔离度≥70dB，介质耐电压4000Vr.m.s.。

2.3 开关结构方案设计

2.3.1 总体结构设计

该产品为高压射频开关，整体采用平衡力式结构，总体结构如图1所示，由电磁系统和接触系统组成，通过螺杆、螺钉紧固连接。

图1 总体结构图

图2 电磁系统

2.3.2 电磁系统结构设计

电磁系统见图2，采用差动式磁路，主要由永久磁钢提供保持力，保证衔铁在闭合状态与断开状态的可靠性；铁心与轭铁采用铆装连接，减小非工作气隙造成的磁阻，提高电磁系统的磁效率；设计支架将线圈与磁钢包覆，采用点焊固定，整体结构刚性良好，以满足产品的振动、冲击指标。

2.3.3 接触系统结构设计

接触系统是该射频开关的关键部分，主要由底座部分、盖板及簧片组件等零部件组成，并形成微波腔体，该腔体及动簧片形成屏蔽带状线结构，带状线又称三板线，它由两块相距为b的接地板与中间宽度为w、厚度为t的矩形截面导体构成，接地板之间均匀填充介质或空气(见图3)。产品输出端使用标准HN型同轴连接器，为同轴线结构，带状线是由同轴线演化而来，故两者性能相似。连接器内芯和动簧片形成信号通路，主要来导通和断开射频信号。接触系统结构图见图4。

图3 带状线结构简图

图4 接触系统

1)接触电阻可靠性设计

该产品要求接触电阻小于0.05Ω。在实际测量中总的电阻R=Rj+Rp，接触电阻Rj=Rc+Rf，式中Rc为收缩电阻，Rf为表面膜电阻，Rp为导体电阻。

接触电阻估算：

接触电阻与触点材料、触点压力，接触面形式等有关，故接触电阻可用经验公式计算：

①接触电阻：Rj=K/Fm，

式中，K为常数，K=0.67×10-3；

F为触点压力，预设值0.6N；

m为常数，面接触形式m=1，

故Rj≈1.12mΩ，Rj总=2×1.12=2.24mΩ

②动簧片体电阻估算：

动簧片铍铜材料的电阻率为4.5×10-8Ω·m，动簧片宽度6mm，动簧片厚度0.8mm，动簧片长度L=22mm。

Rp动=ρL/S≈0.21mΩ

③连接器接触电阻：

HN型连接器为标准件，接触电阻≤3mΩ，则Rp连=6mΩ。

故理论上接触电阻R= 2.24mΩ+0.21mΩ+6mΩ=8.45mΩ。可以满足≤50mΩ的要求。

2)机械参数设定

①建立衔铁跟踪与动簧片变形的模型示意图(图5)

图5 力——位移简图

a：衔铁跟踪；

a′：推杆处对应的衔铁跟踪；

b′：动簧片变形量；

c′：推动簧片变形量

②建立模型所需要的数据

动簧片：长L1宽b1厚h1

推动簧片：长L2宽b2厚h2

动簧片(铍铜材料)：E1=1.27×1011Pa

推动动簧片(铍铜材料)：E2=1.27×1011Pa

推动簧片惯性矩：I2= b2 h23/12=0.01125

③理论计算

设定衔铁跟踪a=0.1mm,根据相似三角形等比性质：a′=7/9a≈0.078mm，a′=b′+c′，F1与F2为作用力与反作用力：F1=F2，

根据挠度计算公式：

⟹c′≈5.63b′，又因为c′+b′=0.078

⟹b′≈0.012mmc′≈0.066mm

⟹ F1=F2=1.7N

触点压力=F/2=0.85N。

④仿真计算

a. 衔铁跟踪0.1mm，触点压力0.6N，

从动簧片静态力-位移仿真可知(如图6)，当动簧片和触点接触处产生的形变为0.012mm，闭合触点压力0.6N，衔铁跟踪约为0.1mm。

图6 动簧片静态位移仿真

b. 衔铁跟踪0.15mm，触点压力0.95N

从动簧片静态力-位移仿真可知(如图7)，当动簧片和触点接触处产生的形变为0.018mm，闭合触点压力0.95N，衔铁跟踪约为0.15mm。

图7 动簧片静态位移仿真

综合理论计算及仿真分析，衔铁跟踪设计预取值为0.1+0.05 0mm。

3)动簧片、推动簧片应力及抗疲劳特性分析

动簧片、推动簧片是继电器切换负载、承受应力最大的零件，材料的属性能否满足使用要求，可以通过对动簧片静态力-应力(图8)模拟仿真和推动簧片静态力-应力(图9)模拟仿真。

图8 动簧片静态力-应力

图9 推动簧片静态力-应力

从动簧片、推动簧片应力云图(图8、图9)可知，动簧片局部最大的应力σb为1.6×107N/m2，推动簧片局部最大应力为σb为1.2×108N/m2，远小于铍铜的最小屈服强度σb =6.86×108N/m2，因此可以保证动簧片、推动簧片在使用过程中的弹性性能。

图10 铍铜抗疲劳特性曲线

从铍铜材料的抗疲劳特性曲线可以看出(图10)，动簧片、推动簧片的疲劳寿命次数达到5×105次时，对应的疲劳强度约为410N/mm2，而该产品动簧片、推动簧片的最大循环应力为120N/mm2，因此可以满足该产品寿命次数要求。

2.3.4 触点指示功能设计

衔铁组件主要由衔铁、推动簧片、辅助簧片等零件组成，在推动簧片下方安装0.12mm厚度的辅助簧片(图11)，辅助簧片上点焊引线与罩子部分指定绝缘子钎焊连接作为指示信号输出端。射频开关线圈加激励后衔铁开始动作，由于辅助簧片在推动簧片下方，推动簧片在动作时，会先与辅助簧片接触，然后推动辅助簧片继续动作完成触点转换，实现射频开关的触点状态指示功能。

图11 衔铁组件

3 基于有限元软件的射频指标仿真 计算

Ansoft-HFSS是一款基于麦克斯韦电磁场方程求解的计算软件。它具备仿真精度高，可靠性强，仿真速度快，稳定成熟等特点。利用HFSS可以高效地仿真设计高频结构，包括射频开关、微波部件、天线和天线阵等器件。Ansoft HFSS基于有限元的计算分析方法、能计算插入损耗、电压驻波比、隔离度等S参数、及计算谐振频率和场等的参数。

本文主要利用Ansoft-HFSS仿真计算射频开关的插入损耗、电压驻波比、隔离度等射频指标。其仿真分析过程见下图12：

图12 仿真流程图

根据已确定的结构方案，对射频开关接触系统进行仿真分析计算，得到该射频开关的射频指标如图13所示。

a)插入损耗

b)隔离度

c)电压驻波比图13 射频指标仿真值

通过仿真分析可以看出，接触系统在DC-3GHz范围内的设计插入损耗<0.045dB，电压驻波比<1.20:1，隔离度>73dB，均满足产品设计要求，仿真计算结果表明接触系统的设计结构和尺寸理论上可以达到设计要求。

4 结论

本文介绍了一种带触点状态指示功能的高介质耐电压射频开关，其总体采用平衡力式结构，电磁系统采用差动式结构，接触系统采用屏蔽带状线结构，通过合理设计零部件结构尺寸，并进行理论计算和仿真分析验证了设计方案可以满足产品的性能要求。今后将根据用户需要，研制开发介质耐电压指标更高，射频指标更优的同类型产品。