一种射频同轴矩阵开关的设计*

柳 杨，卜祥蕊，牛之友，祝 杰

(中电科思仪科技股份有限公司，青岛 266000)

0 引言

矩阵开关，具有损耗小、频带宽、寿命长、应用灵活等特点，广泛应用于自动测试系统和测试仪器领域，还可应用于雷达阵列收发通道测试系统及数字波束形成单元中，是实现装备信号通道切换的关键部件。

开关在系统工作过程中承担着信道链路的切换功能[1-2]，这就要求开关在每次切换时都具有很高的重复性，从而保持微波信号幅度和相位的一致与稳定。长时间、多频次切换往往使开关产生机械磨损，因此开关通常是微波系统寿命和稳定的最薄弱环节，是整个微波系统中重要的、不可替代的微波链路关键部件[3-5]。开关的主要作用，一是进行微波信号路由选择，提高系统功能组合的灵活性；二是搭建微波传输备份环路，对失效率较高的微波设备、单机进行备份，以提高整个系统的可靠性[6-9]。矩阵开关除上述功能外，因其灵活的应用方式，可以满足多种应用场景，从而得到广泛的应用。

1 工作原理

矩阵开关作为微波开关的一种，主要用于系统微波信号通路的切换，是一种通过机械动作切换微波信号的部件[10-11]。本文设计的矩阵开关共有6个射频输入、输出端，可以实现任意2个端口的相互连通。

通过合理配置，可以实现微波信号1路选通5路或2路选通4路或3路选通3路的功能，即适合于1×5、2×4、3×3三种形式的应用场景，能够实现单刀五掷、单刀双掷+单刀四掷、单刀三掷+单刀三掷三种组合方式。如图1所示。

图1 矩阵开关工作模式

本文研制的矩阵开关工作基本原理是：线圈加电产生电磁力推动传动机构运动，传动机构带动传输簧片与连接器搭接，实现开关的切换，如图2所示。

图2 矩阵开关工作原理

2 主要性能指标

本文所设计的矩阵开关具有频段宽、形式灵活、低驻波、低损耗、高隔离、可靠性高等特点，广泛应用于通讯、自控、测试等行业，主要技术指标如表1所列。

3 方案设计

3.1 产品结构设计

矩阵开关由电路控制系统、电磁驱动系统和微波传输系统组成，如图3所示。

图3 矩阵开关结构

电路控制系统包括三块控制板和双排插针连接器。连接器焊接在开关控制板上，为了保证开关的抗振性，开关控制板通过外壳和螺钉紧固，保证了其固定紧密。电磁系统包括磁钢、线圈、衔铁和顶杆，通过六个M2的螺钉固定在微波腔体上，固定了顶杆的行程尺寸，保证了开关闭合和断开的可靠性。微波传输系统包括簧片组件、腔体和同轴组件，用于微波信号的传输功能。

3.2 电磁驱动系统设计

电磁驱动系统与开关的工作电压、电流、振动等环境目标要求相关，其作用是在电路控制系统施加电信号后，相应的通道产生电磁力，驱动微波传输系统的簧片动作实现微波传输通路的切换。

图4 电磁驱动系统

本开关采用平衡旋转式结构，如图4所示。平衡旋转式电磁系统转轴两端衔铁部分质量相对平衡，对转轴的总力矩为零，可耐较高的冲击、振动，切换寿命更长。

3.3 微波传输系统设计及仿真

本文开关的微波传输系统由三个部分组成，分别是射频同轴组件、传输簧片组件和腔体组件。开关的微波传输系统结构图如图5所示。

图5 微波传输系统

开关的射频同轴组件的端口为SMA(f)型，同轴组件的工作频率是由其外导体内径、内导体外径和介质撑的特性参数决定，可由式(1)进行计算[12]：

(1)

式中，C0≈300 000 km/s；λc为波长；d为内导体直径；D为外导体内径；εr为绝缘材料的相对介电常数。

本设计f≥20 GHz，D=3.9 mm，采用介质的介电常数ε=2.5，D≤2.1 mm。

同轴组件的设计，关键在于介质撑的设计。介质撑所采用的结构如图6所示。在设计介质撑时，材料选取上介质撑采用机械性能好、温度稳定性高的聚醚酰亚胺。

图6 SMA(f)型射频同轴组件结构

经过上述计算和HFSS软件的仿真优化得到最终的射频同轴组件尺寸。

矩阵开关为了实现多种传输模式的切换，在微波信号传输时需要两个簧片同时搭接到中间的圆盘上实现通路。所以矩阵开关的通路长度是普通微波开关的两倍。其中的阻抗不连续点会引起驻波指标的恶化，并且在高频段产生高次模，这些高次模信号将严重影响开关指标。为了避免开关本身结构特性而造成的指标恶化，必须对矩阵开关的过渡段不连续点进行阻抗匹配优化，以减小高频电磁信号在过渡段的反射，抑制杂波的产生。

当矩阵开关切换时，其中一路传输簧片与同轴组件接触，传输线阻抗不连续点主要位于传输簧片与射频同轴组件搭接处，此处产生的电容效应[13-15]造成了阻抗的不连续性。因此将采用两种方法来抵消其电容效应。

1)减小搭接处传输簧片的宽度，通过增加电感的方式抵消过渡段产生的电容效应；

2)对搭接处的射频连接器内导体进行台阶变换，减小内导体直径，以人工方式引入电感，抵消过渡段产生的电容效应。

构建微波传输系统的仿真模型，如图7所示。

图7 微波传输系统仿真模型

使用Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS进行仿真。电压驻波比、插入损耗和隔离度仿真结果如图8、图9、图10所示。

从仿真结果可以看出，电压驻波比、插入损耗和隔离度与设计目标相比，余量较大，满足项目研制指标。

图8 电压驻波比仿真曲线

图9 插入损耗仿真曲线

图10 隔离度仿真曲线

4 产品实测结果

完成以上理论计算后，对产品零件进行加工、装配和测试，最终得到的产品如图11所示。

图11 产品照片

产品的实测性能指标如图12、图13、图14所示。

图12 电压驻波比实测曲线

图13 插入损耗实测曲线

测试结果表明，开关的电压驻波比在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；插入损耗在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；隔离度在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。

图14 隔离度实测曲线

产品主要性能指标实测值与研制指标对比如表2所列。电压驻波比在全频段小于研制要求的最低值，插入损耗在全频段小于0.5，隔离度在全频段大于90。

表2 产品主要技术指标对比

5 结论

本文所设计的矩阵开关相比于普通的开关，实现了1×5、2×4、3×3三种工作模式，应用场景更加多样，使用方式更加灵活。同时，由于矩阵开关灵活的特性决定了它具有结构缺陷，从而造成了指标恶化。最终产品的实测结果表明了通过对此结构下产生的传输线阻抗不连续点进行补偿，有效地避免了指标恶化，满足了设计要求，使得矩阵开关指标既能够对标普通的开关，又兼具切换灵活性，因此具有一定的经济效益。

由于矩阵开关每次通路切换时至少有两个簧片动作，所以矩阵开关的切换损耗比普通开关大，之后将会对矩阵开关进行长寿命设计改进。