单刀六掷机电同轴机械开关寿命提升研究

罗后信

(贵州振华华联电子有限公司，贵州凯里，556000)

1 引言

在当代社会，机电同轴开关的应用范围十分广泛，而单刀六掷开关广泛应用于航空、通信、军事等领域。单刀六掷开关支持微波信号从一路选通六路中任一路的功能，在实际使用场景下，其射频性能得到了有效的保障。并且表现出高隔离度、高工作频率、低驻波比、低插入损耗等特点，对于使用场景和任务具有高度的兼容性，对于一些较为恶劣的环境下也能够保持稳定的工作状态。所以也被应用到雷达的自动系统中[1]。射频机械开关在工作时需要承担微波信号链路的连接和切换功能，这一过程是随机的，而且需要长时间待机，因此对于部件要求是具有高度的稳定性，并且使用寿命要长[2]。有这种需求的场景还有很多，尤其是现在工业发展开始逐步向集成化、自动化、信息化过渡之后，以后需要开关构件具备类似功能的场景会大幅增加。因此，越来越的研究人员开始将提升开关使用稳定性和整体寿命作为研究的重点，希望能够有所突破，助力相关行业得到发展。

2 单刀六掷开关设计及测试

同轴机电开关通过外加控制信号选择螺线管通电产生磁场，进而推动衔铁组件动作来实现微波通路的选择，以单刀六掷开关为例，其工作原理图如图1所示，加上驱动电压后，控制信号通过接口电路和控制电路，让所选通路的继电器组件工作(螺线管通电)，产生磁场与磁铁相互作用，带动衔铁块动作，从而闭合所选通路。

对于单刀六掷开关，驱动电压(VCC)输入为+24V，为继电器组件中的螺线管供电使其产生磁场；控制信号为6路(TTL信号)，分别控制1～6路中的一路与公共端C口导通。

对于其他开关，控制信号为两路(单刀双掷/双刀双掷/双刀三掷开关)，驱动电压输入可能为+5V、+12V或+24V。双刀三掷开关存在两个公共端所示)，双刀双掷开关存在两个公共端，单刀双掷开关只有一个公共端。随着通讯领域的迅猛发展，同轴机电开关的试验需求随之增加。其寿命试验常采用切换过程中抽样测试的方法，往往耗费大量时间和人力，且无法监测每次切换状态，准确度较低，亟需更方便、快捷、准确度高的测试方法以满足机电开关寿命试验的要求。

常规寿命测试中以矢量网络分析仪测试电性能指标(驻波比、插入损耗、隔离度指标，主要为插入损耗)来判断开关切换正常与否，一次仅能测试开关的一个通路，但该方法需试验员取出开关单独测试、耗时较长且不能做到实时监测，准确度不高。

图1展示了单刀六掷开关工作的基本原理。可以看出，单刀六掷开关就是由电磁继电器和射频传输线两部分组成，并设置有7个对外，在使用过程中，通过电磁继电器来完成控制指令的下达，可以实现射频端口与任意端口进行连接。

图1 单刀六掷开关示意图

电磁继电器主要作用对象是将射频端口C以及端口，在开关中决定射频性能的传输线，传输性的材质和工作方式会影响到整个开关的基础功能实现效果。为了能够量化分析开关使用效果，需要使用AnsoftHFSS软件来完成对现有DC～26.5GHz单刀六掷开关的射频传输线的重新设计，达到优化效果的目的[3]。DC～26.5GHz单刀六掷开关的射频传输线主要由同轴波导、介质撑、传输簧片组成。在工作时，中间的内导体(端口C)由传输簧片连接到旁路的内导体(端口1)，进而实现微波在端口C与端口1之间进行传输。同样的，传输簧片可以连接其他端口，进行微波传输。传输簧片的接通和断开，由上面所述的电磁继电器控制实现。经过优化设计，DC～26.5GHz单刀六掷开关的

从驻波比的数据表中可以得知，该设备的工作频率驻波比小于1.18，回波损耗大于20dB。

图2 DC～26.5GHz单刀六掷驻波比

3 单刀六掷开关的寿命测试及提升

射频机械开关是完成通信、自动测试、雷达功能的基础功能原件，虽然结构简单，但是对于任务的完成具有基础性的作用。为了实现预期效果，要求该型开关具有稳定的使用状态，并且保证其使用寿命能够覆盖正常检修间距。射频机械开关如果出现问题，会导致基础功能的瘫痪,而且对于周围部件的使用安全和寿命会造成严重的威胁[4]。

为了实现对所有开关操作进行记录，研究人员在射频开关上绑定了记录装置。电源系统为开关提供的电压由程序进行控制，浮动范围在0V～40V之间。在计算机系统中内置有能够对数据运行情况进行记录的程序，以记录开关控制指令，在系统使用过程中控制信号分为标准型和TTL控制型。笔者参与设计的开关使用的是TTL控制型，利用矢量网络分析仪可以对开关的射频性能进行长时间稳定的量化记录[5]。可以记录开关的运行电压、使用时长、反馈速度。根据数据调取，常见的开关经历100万次后出现故障的概率会超过90%，考虑到现代通信网络硬件的使用期限，在大规模的投放体量下检修人员难以在短时间内对全部开关工作状态进行掌握，因此在规定检修间隔期范围内很容易出现故障问题。

作为投入数量最多的无源器件，内部结构中包含众多零部件，单一零部件出现故障就会影响到临近的施工部件，造成整个开关的功能性丧失通过之前的描述可知，开关中间内导体(端口C)与传输簧片和旁路内导体(端口1，2，3，4，5，6)之间若能够有效连接，则意味着开关有良好的射频性能和良好的工作状态。为了保证传输簧片和两个内导体能够实现良好的接触，就必须有足够的触点压力。触点压力过小，两者之间接触不良，接触时间短，导致开关反应迟缓或失去响应。若触点压力过大，持续性的压力作用会使得传输簧片出现较大的形变，而且经长时间反复作用可能导致不可以形变，久而久之会出现簧片被折弯或断裂的严重后果。

为了避免此类事情的发生，对开关设备的触点压力进行及早的检测就显得十分重要。经过大量的试验验证和理论分析发现，同轴内导体伸入腔体的高度和传输簧片推杆的长度共同决定了触点压力。最终，通过理论设计和试验验证，将同轴内导体的深度优化为(0.55±0.01)mm，传输簧片的推杆长度优化为(0.60±0.01)mm，从而得到优化后的接触压力约为0.3N。同时在同轴内导体和传输簧片不断接触过程中，内导体和传输簧片在接触区域有明显的磨损，为了能够提高开关的性能，对同轴内导体的表面粗糙度进行优化，对其进行抛光处理，抛光后的同轴内导体的表面粗糙度明显下降，有利于降低簧片和内导体之间的磨损。

4 结论

文章设计了一款工作于DC～26.5GHz的单刀六掷射频机械开关。测试结果表明，在整个工作频带内，开关的驻波比小于1.32，传输损耗小于0.45dB。为了实时检测开关的运行状态，设计并搭建了射频机械开关自动测试系统。系统能够实时监测并记录开关的运行数据。通过理论优化和试验优化同轴内导体的深度、传输簧片的推杆长度及同轴内导体表面粗糙度等重要参数，开关的运行寿命能够从100万次提高到500万次。