大功率單刀雙擲開關振動耐受性能試驗研究

牟能文

（海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局，重慶 400042）

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大功率單刀雙擲開關振動耐受性能試驗研究

牟能文

（海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局，重慶 400042）

目的 為保證某型大功率開關振動耐受性能滿足應用環境的要求，對該型大功率單刀雙擲開關的振動耐受性能進行研究。方法 通過振動模擬試驗，對其實際工作能力及振動極限進行驗證和摸底，在實施開關直流信號隨機振動試驗和大功率射頻信號隨機振動試驗的基礎上，首次實施開關直流信號步進振動試驗、大功率射頻信號步進振動試驗。利用等效電路方法建立單刀雙擲開關信號傳輸路徑模型，對開關振動瞬斷所導致的射頻傳輸性能影響進行理論分析。結果 在直流信號試驗和大功率射頻信號試驗中，A開關在x，y向試驗中出現了多次瞬斷，最長瞬斷時間為63.6 μs，B開關順利通過所有試驗。同一頻率下，寄生電容越小，隔離度越高；同一寄生電容下，頻率越高，隔離度越小。結論 實現了開關振動性能的考核和摸底，該研究為大功率開關的可靠性設計和系統的減振設計提供了數據支撐和解決途徑。

大功率開關；振動；單刀雙擲

大功率開關作為一類非常重要的基礎性電子元器件，主要實現射頻信號傳輸路徑的選擇功能，被廣泛應用于通信、電子對抗、輻射測量等眾多系統中，其長期工作的穩定性直接影響整個系統的可靠性。因此，研究大功率開關的可靠性和壽命失效模式對保障系統的可靠性和設計質量具有重要的理論意義和現實價值［1］。

大功率開關的振動耐受特性是反映其可靠性的重要性能之一［2］，尤其是應用于航空航天等惡劣振動條件下，開關的抗振性能將面臨嚴酷的考驗。目前的大功率單刀雙擲開關的設計振動量級水平能達到C級水平，但實際應用中開關的振動耐受性能未有相關的研究。

為了驗證開關振動耐受性能的設計水平，并探索其最大振動耐受能力，文中針對某型大功率單刀雙擲開關的振動耐受性能進行了試驗研究。為保證該型大功率開關振動耐受性能滿足應用環境的要求，通過振動模擬試驗對其實際工作能力及振動極限進行了驗證和摸底，在實施開關直流信號隨機振動試驗和大功率射頻信號隨機振動試驗的基礎上，首次實施了開關直流信號步進振動試驗、大功率射頻信號步進振動試驗。同時，利用等效電路方法建立了單刀雙擲開關信號傳輸路徑模型，對開關振動瞬斷所導致的射頻傳輸性能影響進行了理論分析［3—5］。

1　大功率單刀雙擲開關簡介

1.1工作原理

某型大功率開關主要是由接觸系統和電磁系統兩大部分組成，原理如圖1所示。

圖1　控制電路原理Fig.1　The principle diagram of the control circuit

1.2性能指標

該型大功率單刀雙擲開關的具體性能指標：工作帶寬比為80∶1；工作電壓為28 V；質量≤250 g；瞬斷指標（觸點抖動）≤10 μs；插損≤0.3 dB；通道隔離≥60 dB；切換時間≤20 ms；駐波≤1.3；相位一致性≤±2.5°；承受功率≥240 W。其中，瞬斷指標對開關的振動耐受特性進行了量化。

1.3設計特點

為保證單刀雙擲開關的抗振性能，該型開關在設計階段進行了相應的優化。開關的射頻輸入輸出設計采用TNC型連接器，既滿足大功率耐受要求，又適當縮小了體積，兼顧了系統安裝空間限制。同時，緊湊型的開關結構進一步提高了開關的振動耐受性能。增大了開關射頻通道簧片的磁保持力，減小了簧片受振動而抖動的風險。同時，簧片觸點壓力增大，對改善開關插損也有一定作用。通過合理選用觸點材料，并利用經驗值確定觸點面積，在保證開關插損的同時，優化了觸點質量和硬度，提高觸點抗干擾能力。開關內部絕緣支撐材料選取了硬度合適、電性能和力學性能優良的產品，滿足了其強度，在振動中不會產生缺損、裂紋和破碎［6—8］。

2　振動耐受性能研究

為了掌握該型大功率開關振動的實際工作能力及耐受極限，為后續系統減振方案和可靠性設計奠定基礎，對該型單刀雙擲開關的振動耐受性能進行了試驗研究。

2.1試驗條件

整個試驗分為隨機振動試驗和步進振動試驗，前者模擬導彈、噴氣機等產生的振動環境，用于確定開關經受隨機振動環境應力的適應性，后者可以快速得到開關的振動耐受極限，提供減振設計的邊界條件。兩種試驗的條件如下：

1）隨機振動試驗按照GJB 360B—2009方法214試驗條件I（C）執行。

2）步進振動試驗。在10～2000 Hz頻率范圍內，采用如圖2所示的功率譜密度。試驗方向選擇x，y，z三軸向，試驗時間≥15 min/步進。初始步進試驗取值可為0.04 g2/Hz，之后可按總均方值5g水平遞增。步進量及加電情況如圖3所示。當振動量值超過15 Grms，每個振動量級臺階結束后，將振動量值降至5 Grms，維持5 min，以便發現高量級振動后出現的焊點斷裂等異常情況［7—8］。

圖2　功率譜密度控制Fig.2　Power spectral density control

圖3　步進量及加電狀態Fig.3　Step in and add the electrical state

2.2試驗項目

考慮到設備在實際工作中是處于大功率狀態，因此，為了更真實地模擬實際工作條件，該型開關的振動耐受性能試驗分別在直流信號和大功率射頻信號兩種條件下進行。共開展了4個項目的試驗研究，分別為直流信號隨機振動試驗（I（C）量級）、大功率射頻信號隨機振動試驗（I（C）量級）、直流信號步進振動試驗和大功率射頻信號步進振動試驗。根據開關性能指標，當閉合觸點抖動大于10 μs，便被認定發生了瞬斷，終止試驗［9］。

在試驗中，定義開關內部簧片的運動方向為振動敏感方向，即z向。本次試驗分x，y，z三個方向進行，如圖4所示［10—11］。

2.3試驗原理

試驗分為直流信號試驗和大功率射頻信號試驗兩類，其試驗接線框圖分別如圖5、圖6所示［11］。

圖4　試驗實裝Fig.4　Test live-fire

圖5　直流信號試驗Fig.5　DC signal test

圖6　大功率射頻信號試驗Fig.6　High-power rf signal test

2.4試驗過程

該次試驗使用了A/B兩只開關。試驗過程中，A開關在x向試驗中出現了多次瞬斷，最長瞬斷時間為63.6 μs，更換到y向，瞬斷情況同樣。B開關順利通過所有試驗。僅在試驗中出現了毫秒級瞬斷情況，后經判斷毫秒級的瞬斷應是由于輸入大功率射頻信號源波動而產生的，非開關觸點出現瞬斷（開關觸點瞬斷級別為微秒級）。

B開關通過試驗項目包括：x/y/z方向1，2通道直流信號I（C）量級，各30 min振動；x/y/z方向1，2通道200 W大功率射頻信號6，8 GHz兩個頻率點的I（C）量級，各1 h振動；x/y/z方向1，2通道直流信號7.5g@15 min—10.5g@15 min—15.08g@15 min步進振動試驗；x/y/z方向1，2通道 200 W，8 GHz功率信號 10.5g@5 min—15.08g@10 min—7.5g@5 min—15.08g@10 min—7.5g@5 min步進振動試驗［7—9］。

2.5故障原因

在試驗過程中，出現了多個故障，現將其原因分析如下。

1）A開關直流信號隨機振動試驗中主觸點出現瞬斷，其原因是由于A開關腔體和殼體為分體設計，不在同一平面，且腔體無固定點，出現懸臂結構，振動中腔體發生打殼，導致主觸點瞬斷。

2）A開關直流信號隨機振動試驗中，在非振動敏感方向，即x/y向出現瞬斷。經測量，A開關兩通道力矩差較大，是B開關兩通道力矩差的兩倍。因此，力矩不平衡是造成A開關在非振動敏感方向，即x/y向多次出現瞬斷，而B開關沒有出現類似情況。

3）B開關直流信號隨機振動試驗中輔助觸點出現瞬斷，是由于B開關尾部控制信號接口接觸不到位，振動中出現接觸不良，導致輔助觸點測試回路出現瞬斷。

4）B開關大功率隨機振動、步進振動試驗中，主觸點出現毫秒級瞬斷。毫秒級瞬斷出現后，試驗組用示波器接檢波器直接測試功率源信號，抓取了功率源毫秒級別的功率跌落，如圖7所示。由此判斷毫秒級瞬斷均由輸入功率信號導致［12—15］。

3　改進建議

根據試驗情況，做出以下建議：在開關殼體尾端增加安裝耳，且安裝底面設計齊平，避免出現懸臂結構，防止打殼；裝配中注意兩通道的力矩參數平衡，確保開關在設計振動量級內，不會因通道不平衡出現瞬斷；優化控制信號連接器設計，保證輔助觸點接口的可靠性。

圖7　示波器顯示Fig.7　The oscilloscope display

4　仿真分析

單刀雙擲開關的振動耐受性能試驗中，振動導致了器件的瞬斷，對其射頻傳輸性能造成了影響，下文將對其等效電路模型進行理論分析，重點關注簧片和觸頭之間的寄生電容與開關隔離度的數值關系，為實際工程分析提供理論支撐。

對于高頻電磁開關而言，動靜觸點之間存在寄生電容，動靜觸點及微波通道與外殼之間存在一定的分布電容，在觸點切換直流信號或者低頻信號時，寄生電容的影響不明顯。觸點負載是高頻信號時，寄生電容的影響將非常明顯，當觸點分斷后，觸點間隙的寄生電容會持續通過高頻信號，直至觸點間隙擴大到一定距離，才能最終隔離該高頻信號。動靜觸點在分開位置時，兩者間隙的距離通過技術要求中的隔離度進行明確，文中開關隔離度≥60 dB［16］。

本節將利用等效電路法建立的信號傳輸路徑模型，并利用模型分析動靜觸頭之間寄生電容對信號傳輸的影響。

開關的信號傳輸路徑由BNC接口及其相連接同軸結構內導體、靜觸頭、動簧片組成，通過動簧片的上下運動實現信號傳輸路徑的導通與斷開。

X1通道閉合、X2通道斷開狀態的等效電路如圖8所示。1，2為XC輸入TNC端子區，3為公共靜觸點區，4為X1通道動簧片，5為X1通道接觸區，6為X1靜觸點區，7，8為X1輸出TNC端子區，9 為X2通道動簧片，10為X2通道寄生電容，11為X2靜觸點區，12，13為X2輸出TNC端子區。

圖8　開關等效電路Fig.8　Equivalent circuit diagram of the switch

4.1相關通道參數確定

相關通道參數的通過文獻［4—8］計算如下：C1—C13分別為0.125，0.035，0.051，0.125，1.362，0.051，0.125，0.035，0.125，0.0002，0.051，0.125，0.035 pF；L1，L3，L4，L6，L7，L9，L11，L12分別為0.309，0.067，0.036，0.067，0.309，0.036，0.067，0.309 nH；R5為7.1 mΩ。

利用這些參數，在MATLAB的Simulink環境中建立了如圖9所示的分析模型，后面的分析均基于此模型。

圖9　MATLAB Simulink建模Fig.9　MATLAB Simulink modeling

4.2隔離度分析

由上述等效電路模型可知，斷開通道的隔離度與寄生電容C10有直接關系。通過仿真計算，1～8 GHz在不同寄生電容條件下的隔離度如圖10所示。圖10表明，同一頻率下，寄生電容越小，隔離度越高；同一寄生電容下，頻率越高，隔離度越小。

4.3瞬斷過程中高頻信號的導通性分析

圖10　寄生電容對隔離度的影響Fig.10　Effect of parasitic capacitance on isolation degree

在確定簧片和靜觸頭之間的寄生電容對隔離度的影響后，可用此理論展開對振動瞬斷中高頻信號的導通性分析。對于單刀雙擲開關閉合導通的通道，在強烈的振動下會發生簧片和靜觸頭之間的的脫離，產生瞬斷。瞬斷一旦發生，簧片和靜觸頭之間的寄生電容開始產生作用，而導通狀態下的電阻/電容并聯等效電路結構失效。在簧片和靜觸頭間距非常小、寄生電容足夠大的時候，高頻信號仍可以通過該電容進行傳導，信號通路未斷開；當簧片和靜觸頭間距變大、寄生電容變小時，高頻信號通路上的阻抗增大，信號急劇衰減，無法傳遞［18］。

針對2 GHz信號的瞬斷過程導通性分析如圖11所示。隨著寄生電容數值變化，在1.5 pF時隔離度為3 dB，即此時有50%信號功率通過，之后寄生電容不斷減少，隔離度上升，信號傳輸受阻。在假設簧片和靜觸頭平整光滑、視在等效面積為半徑3 mm圓形的情況下，1.5 pF電容意味著兩者間距為0.167 mm［19—20］。

圖11　瞬斷過程信號導通性Fig.11　Signal connectivity in transient breaking process

5　結語

通過對開關的隨機振動試驗和步進振動試驗研究，實現了開關振動性能的考核和摸底。直流信號和大功率射頻信號隨機振動試驗考核了開關的技術性能要求。首次實施的步進振動試驗摸底了開關最大振動耐受能力，為結構及開關組件的減振設計提供了參考依據。根據試驗情況，展開了對開關建模數值分析的研究，重點分析了瞬斷情況下信號通道的寄生電容對傳輸的影響，為實際工程分析提供理論支撐。

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Experimental Study on the Vibration-tolerance Performance of a High-power SPDT Switch

MU Neng-wen
（Military Representative Bureau of Naval Equipment Department in Chongqing Region，Chongqing 400042，China）

Objective In order to ensure that the high power switch vibration tolerance performance can meet the requirements of the application environment，the study on vibration tolerance performance for the high-power SPDT Switch was proposed in this paper.Methods Based on the implementation of switching DC signal random vibration test and high power RF signal random vibration test，the actual working ability and vibration limits were verified.The switching DC signal of step vibration test and high power RF signal of step vibration test were implemented for the first time.The SPDT transmission model established using the equivalent circuit method was applied for theoretical analysis on the effect of RF transmission transient fault caused by vibration.Results In DC signal and high power RF signal test，several short breaks occurred in the x and y direction for switch A，and the longest time of transient fault was 63.6 μs，whereas switch B passed all tests.At the same frequency，smaller parasitic capacitance meant higher isolation degree.With the same parasitic capacitance，the higher the frequency，the smaller the isolation degree was.Conclusion This paper realized the assessment of the vibration performance of switches and provides data support and solving method for the reliability design of high-power switch and vibration isolation design of the system，and therefore gives a good guidance.

high-power switch；vibration；SPDT

2016-01-02；Revised：2016-02-16

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.011

TJ01

A

1672-9242（2016）04-0066-06

2016-01-02；

2016-02-16

牟能文（1964—），男，重慶人，高級工程師，主要研究方向為電子裝備應用。

Biography：MU Neng-wen(1964—),Male,from Chongqing,Senior engineer,Research focus:applications of electronic equipment.