單刀六擲機電同軸機械開關壽命提升研究

羅后信

(貴州振華華聯電子有限公司，貴州凱里，556000)

1 引言

在當代社會，機電同軸開關的應用范圍十分廣泛，而單刀六擲開關廣泛應用于航空、通信、軍事等領域。單刀六擲開關支持微波信號從一路選通六路中任一路的功能，在實際使用場景下，其射頻性能得到了有效的保障。并且表現出高隔離度、高工作頻率、低駐波比、低插入損耗等特點，對于使用場景和任務具有高度的兼容性，對于一些較為惡劣的環境下也能夠保持穩定的工作狀態。所以也被應用到雷達的自動系統中[1]。射頻機械開關在工作時需要承擔微波信號鏈路的連接和切換功能，這一過程是隨機的，而且需要長時間待機，因此對于部件要求是具有高度的穩定性，并且使用壽命要長[2]。有這種需求的場景還有很多，尤其是現在工業發展開始逐步向集成化、自動化、信息化過渡之后，以后需要開關構件具備類似功能的場景會大幅增加。因此，越來越的研究人員開始將提升開關使用穩定性和整體壽命作為研究的重點，希望能夠有所突破，助力相關行業得到發展。

2 單刀六擲開關設計及測試

同軸機電開關通過外加控制信號選擇螺線管通電產生磁場，進而推動銜鐵組件動作來實現微波通路的選擇，以單刀六擲開關為例，其工作原理圖如圖1所示，加上驅動電壓后，控制信號通過接口電路和控制電路，讓所選通路的繼電器組件工作(螺線管通電)，產生磁場與磁鐵相互作用，帶動銜鐵塊動作，從而閉合所選通路。

對于單刀六擲開關，驅動電壓(VCC)輸入為+24V，為繼電器組件中的螺線管供電使其產生磁場；控制信號為6路(TTL信號)，分別控制1～6路中的一路與公共端C口導通。

對于其他開關，控制信號為兩路(單刀雙擲/雙刀雙擲/雙刀三擲開關)，驅動電壓輸入可能為+5V、+12V或+24V。雙刀三擲開關存在兩個公共端所示)，雙刀雙擲開關存在兩個公共端，單刀雙擲開關只有一個公共端。隨著通訊領域的迅猛發展，同軸機電開關的試驗需求隨之增加。其壽命試驗常采用切換過程中抽樣測試的方法，往往耗費大量時間和人力，且無法監測每次切換狀態，準確度較低，亟需更方便、快捷、準確度高的測試方法以滿足機電開關壽命試驗的要求。

常規壽命測試中以矢量網絡分析儀測試電性能指標(駐波比、插入損耗、隔離度指標，主要為插入損耗)來判斷開關切換正常與否，一次僅能測試開關的一個通路，但該方法需試驗員取出開關單獨測試、耗時較長且不能做到實時監測，準確度不高。

圖1展示了單刀六擲開關工作的基本原理。可以看出，單刀六擲開關就是由電磁繼電器和射頻傳輸線兩部分組成，并設置有7個對外，在使用過程中，通過電磁繼電器來完成控制指令的下達，可以實現射頻端口與任意端口進行連接。

圖1 單刀六擲開關示意圖

電磁繼電器主要作用對象是將射頻端口C以及端口，在開關中決定射頻性能的傳輸線，傳輸性的材質和工作方式會影響到整個開關的基礎功能實現效果。為了能夠量化分析開關使用效果，需要使用AnsoftHFSS軟件來完成對現有DC～26.5GHz單刀六擲開關的射頻傳輸線的重新設計，達到優化效果的目的[3]。DC～26.5GHz單刀六擲開關的射頻傳輸線主要由同軸波導、介質撐、傳輸簧片組成。在工作時，中間的內導體(端口C)由傳輸簧片連接到旁路的內導體(端口1)，進而實現微波在端口C與端口1之間進行傳輸。同樣的，傳輸簧片可以連接其他端口，進行微波傳輸。傳輸簧片的接通和斷開，由上面所述的電磁繼電器控制實現。經過優化設計，DC～26.5GHz單刀六擲開關的

從駐波比的數據表中可以得知，該設備的工作頻率駐波比小于1.18，回波損耗大于20dB。

圖2 DC～26.5GHz單刀六擲駐波比

3 單刀六擲開關的壽命測試及提升

射頻機械開關是完成通信、自動測試、雷達功能的基礎功能原件，雖然結構簡單，但是對于任務的完成具有基礎性的作用。為了實現預期效果，要求該型開關具有穩定的使用狀態，并且保證其使用壽命能夠覆蓋正常檢修間距。射頻機械開關如果出現問題，會導致基礎功能的癱瘓,而且對于周圍部件的使用安全和壽命會造成嚴重的威脅[4]。

為了實現對所有開關操作進行記錄，研究人員在射頻開關上綁定了記錄裝置。電源系統為開關提供的電壓由程序進行控制，浮動范圍在0V～40V之間。在計算機系統中內置有能夠對數據運行情況進行記錄的程序，以記錄開關控制指令，在系統使用過程中控制信號分為標準型和TTL控制型。筆者參與設計的開關使用的是TTL控制型，利用矢量網絡分析儀可以對開關的射頻性能進行長時間穩定的量化記錄[5]。可以記錄開關的運行電壓、使用時長、反饋速度。根據數據調取，常見的開關經歷100萬次后出現故障的概率會超過90%，考慮到現代通信網絡硬件的使用期限，在大規模的投放體量下檢修人員難以在短時間內對全部開關工作狀態進行掌握，因此在規定檢修間隔期范圍內很容易出現故障問題。

作為投入數量最多的無源器件，內部結構中包含眾多零部件，單一零部件出現故障就會影響到臨近的施工部件，造成整個開關的功能性喪失通過之前的描述可知，開關中間內導體(端口C)與傳輸簧片和旁路內導體(端口1，2，3，4，5，6)之間若能夠有效連接，則意味著開關有良好的射頻性能和良好的工作狀態。為了保證傳輸簧片和兩個內導體能夠實現良好的接觸，就必須有足夠的觸點壓力。觸點壓力過小，兩者之間接觸不良，接觸時間短，導致開關反應遲緩或失去響應。若觸點壓力過大，持續性的壓力作用會使得傳輸簧片出現較大的形變，而且經長時間反復作用可能導致不可以形變，久而久之會出現簧片被折彎或斷裂的嚴重后果。

為了避免此類事情的發生，對開關設備的觸點壓力進行及早的檢測就顯得十分重要。經過大量的試驗驗證和理論分析發現，同軸內導體伸入腔體的高度和傳輸簧片推桿的長度共同決定了觸點壓力。最終，通過理論設計和試驗驗證，將同軸內導體的深度優化為(0.55±0.01)mm，傳輸簧片的推桿長度優化為(0.60±0.01)mm，從而得到優化后的接觸壓力約為0.3N。同時在同軸內導體和傳輸簧片不斷接觸過程中，內導體和傳輸簧片在接觸區域有明顯的磨損，為了能夠提高開關的性能，對同軸內導體的表面粗糙度進行優化，對其進行拋光處理，拋光后的同軸內導體的表面粗糙度明顯下降，有利于降低簧片和內導體之間的磨損。

4 結論

文章設計了一款工作于DC～26.5GHz的單刀六擲射頻機械開關。測試結果表明，在整個工作頻帶內，開關的駐波比小于1.32，傳輸損耗小于0.45dB。為了實時檢測開關的運行狀態，設計并搭建了射頻機械開關自動測試系統。系統能夠實時監測并記錄開關的運行數據。通過理論優化和試驗優化同軸內導體的深度、傳輸簧片的推桿長度及同軸內導體表面粗糙度等重要參數，開關的運行壽命能夠從100萬次提高到500萬次。