JPT45-6-S24-1型單刀六擲射頻同軸開關的設計

劉貝+楊倩+王逸君

摘 要 本文介紹了JPT45-6-S24-1型單刀六擲射頻同軸開關的設計方法，重點闡述了微波系統、電磁系統和理論仿真的設計，對同類產品的擴展設計具有一定的參考意義。

關鍵詞 射頻同軸開關；SMA；工作原理；設計分析

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）186-0060-02

射頻同軸開關，作為一種常見的元器件，主要用于傳輸和切換射頻信號，在移動通信、衛星導航和電子測量等工程中有著不可替代的作用。

隨著微波技術的迅猛發展，射頻同軸開關正逐漸趨于多通道、小型化、寬頻帶、高壽命和低損耗。JPT45-6-S24-1型單刀六擲射頻同軸開關就是這樣一款根據用戶多通道、小型化要求研制的射頻同軸開關，下面具體介紹這款射頻同軸開關的設計方法。

1 主要技術指標

該款產品具有頻段寬、單刀六擲、低駐波、低損耗、高隔離、工作溫度范圍廣、可靠性高等特點，廣泛應用于通訊、自控、測試等行業。主要技術指標如下：

頻率范圍：50MHz～18GHz；

特性阻抗：50Ω；

電壓駐波比：≤1.5（50MHz～18GHz）；

插入損耗：≤0.6dB（50MHz～18GHz）；

隔離度：≥55dB（50MHz～18GHz）；

工作溫度：-55℃～85℃。

2 工作原理

JPT45-6-S24-1型單刀六擲射頻同軸開關（以下簡稱開關），為封閉式結構。接口部分：控制接口采用15針D型連接器；微波接口采用SMA-K型射頻連接器。主要由控制電路、電磁系統、微波系統這3部分組成。

本開關的工作原理為：額定工作電壓通過控制電路部分施加到電磁系統中，電磁系統把電能轉換為機械能，推動微波系統中射頻觸點從斷開狀態切換到閉合狀態，實現射頻信號的傳輸。

3 方案設計

3.1 電磁系統設計

為了滿足用戶對產品小型化、高可靠的要求，本開關電磁系統采用體積小、漏磁小、抗干擾能力強的螺線管式電磁結構，為推動驅動部分提供機械能；驅動部分采用線膨脹系數較小的非金屬材料和磁導率較小的金屬材料，提高了開關的環境適應性，保障了開關在工作溫度范圍內可靠工作。

3.2 微波系統設計

微波系統作為射頻信號的傳輸通道，是開關的核心部件，其射頻信號的傳輸路徑為：SMA射頻連接器→矩形傳輸線→SMA射頻連接器。SMA射頻連接器屬于標準50Ω同軸線結構；矩形傳輸線由腔體、腔蓋、射頻接觸簧片組成，形成雙導體類同軸線結構。因此，在設計過程中可以利用同軸線設計原理進行設計。并且參考射頻同軸連接器三項基本設計原則：1）沿同軸傳輸方向上盡可能保持一致的特征阻抗；2）對于不可避免的不連續性，采取共面補償的方式以提高產品指標；3）設法減小機械加工誤差對電性能的影響。對產品結構進行設計分析，實現開關在多通道、寬頻段下的低駐波、低插損和高隔離的要求。

3.2.1 射頻連接器設計

開關的工作頻率為50MHz～18GHz，射頻連接器采用SMA-K型射頻連接器，界面符合GJB 5246-2004中SMA系列連接器界面要求。圖2為SMA型射頻連接器的結構示意圖。

其中b為腔體深度，W為簧片寬度，t為簧片厚度，W`為腔體的寬度，εr為相對介電強度，η0為波阻抗。

通過以上理論計算，基本確定SMA射頻連接器和矩形傳輸線的尺寸，然后通過微波仿真軟件HFSS進行仿真計算，開關微波系統仿真模型見圖3。

通過大量仿真及優化計算后，得到在工作頻率范圍內，滿足指標要求的電壓駐波比、插入損耗和隔離度設計要求。電壓駐波比、插入損耗和隔離度的仿真結果分別見圖4、圖5和圖6。

通過仿真，電壓駐波比≤1.35，插入損耗≤0.25dB，隔離度≥80dB。對比技術指標要求，可知產品的理論結構設計，滿足技術指標要求。

3.3 產品實測結果

完成以上理論計算后，對產品零件進行加工、裝配和測試，最終得到產品實測性能指標。圖1為產品的主要性能指標實測值和理論值的對比情況。

通過表1可以看出JPT45-6-S24-1型單刀六擲射頻同軸開關的電壓駐波、插入損耗、隔離度實測值均是滿足技術指標要求的。對比軟件仿真的結果，發現理論值要優于實際測量值，這主要是由于微波系統零件加工、表面處理和裝配誤差等因素引起的。

4 結論

目前開關已完成鑒定試驗，其中包括振動、沖擊及高、低溫電性能測試等嚴酷的環境試驗；并已被用戶廣泛的應用于各類工程項目中，成功的替代國外同類產品，實現了開關國產化的要求；同時也為同類開關的設計提供寶貴的經驗，在此基礎上擴展開發了單刀四擲開關也已通過用戶的認可。因此，該款開關的研制具有良好的社會和經濟效益。

參考文獻

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