一种大功率射频同轴开关的设计

杨 倩，刘 贝，操基德，盛金月

（中国电子科技集团公司 第四十研究所，安徽 蚌埠 233010）

0 引 言

射频同轴开关主要用于微波信号通路的传输和切换，是一种通过机械动作切换微波信号的器件。大功率射频同轴开关作为微波链路关键一环，负责大功率高频信号传输与切换，并且由于应用平台的不同，环境适应性也不同，因此产品具体结构的要求也存在差异[1]。

1 研究目标

本文介绍了一种用于低气压环境的大功率射频同轴开关，具有低驻波、低损耗以及环境适应性好等性能特点，主要技术指标如表1所示。

表1 主要技术指标

2 总体结构设计

开关主要由信号控制系统、电磁转换系统以及微波导行系统3大部分组成，总体结构如图如图1所示。驱动信号通过信号控制系统，将额定驱动信号施加到产品电磁转换系统中，电磁转换系统发生状态变化并推动微波导行系统，完成信号切换或功率传输[2]。

图1 开关结构图

2.1 信号控制系统结构设计

信号控制系统用于上级系统为开关供电，同时可以将开关的工作状态反馈给系统。在结构设计上，用来消除线圈在断电时产生的反峰电压，开关每个线圈并联一个二极管，起到续流和抑制噪声作用，实现对上级电源的保护[3]。

2.2 微波导行系统结构设计

2.2.1 高频参数设计

产品的高频参数设计主要包括电压驻波比、插入损耗以及隔离度设计。在微波导行系统中，存在同轴连接器内外导体与绝缘子支撑之间的台阶、同轴连接器到带状线的过渡段以及簧片与推杆的连接处等位置，均会导致特性阻抗的不连续，形成不连续电容。因此，在结构设计中，需要对特性阻抗不连续处进行补偿，以完成产品的高频参数设计。

在HFSS 软件中建立产品微波导行系统的仿真模型，经过仿真得出导行系统的电压驻波比、插入损耗以及隔离度，仿真结果如图2～图4所示[4]。

图2 电压驻波比仿真结果

图3 插入损耗仿真结果

图4 隔离度仿真结果

通过仿真分析，电压驻波比设计值≤1.05，插入损耗设计值≤0.015 dB，隔离度设计值≥85 dB，高频参数设计符合技术指标要求。

2.2.2 功率容量设计

计算同轴线传输的连续波平均功率P为：

式中，Vm为行波电压峰值，Im为行波电流峰值，Z0为同轴传输线的特性阻抗[5]。Z0的计算公式为：

式中，εr为绝缘介质的相对介电常数，d为内导体外径，D为外导体内径。

若内导体表面的电场峰值以Ed表示，则：

同轴传输线截止波长λc的计算公式为：

将式（2）～式（4）代入公式（1），得到：

带状线功率容量计算公式为：

式中，Pmax为最大入射峰值击穿功率，S为电压驻波比，P为大气压，b为腔体深度，t为簧片厚度。

Z0为带状线的特性阻抗，计算方式为：

式中，w′为腔体深度。

将产品结构设计尺寸带入，微波导行系统功率容量满足设计要求。

根据技术指标要求，要根据气体放电理论设计产品在低气压环境下的功率耐受能力。

气体放电理论中的巴申定律表征了在气体种类和表面材料等条件不变时，击穿电压是气压与极间距离乘积的函数[6]。计算公式为：

根据巴申定律，在不改变产品所处气压等条件下，设计中采用增大微波导行系统的间隙的方式提高产品的低气压放电阈值。

结合低气压环境的降额系数仿真分析微波导行系统的功率容量，结果如图5所示。

图5 微波导行系统场强分布

微波导行系统内的场强远小于介质的击穿场强，因此从电击穿角度，产品结构设计满足指标要求。

2.3 电磁转换系统结构设计

电磁转换系统是开关的功力源，主要是利用控制线圈中电流产生的电磁吸力驱动磁路中的可动部分实现触点转换功能，是一种将电磁能转换为机械能，产生电磁力的系统[7]。

根据微波导行系统结构大间隙设计要求，本型号开关选用螺线管式磁路结构，其特点是磁利用率高，铁芯的行程较大[8]。结合技术指标的振动要求，对电磁转换系统进行结构设计，在Maxwell软件中建立结构模型，进行电磁仿真分析[9]。

通过仿真分析，磁路中的磁感应强度未达到产品选用的软磁材料的饱和值，因此开关的电磁转换系统结构设计可以满足整体结构及技术指标要求。电磁转换系统仿真结果如图6所示。

图6 电磁转换系统仿真结果

2.4 其他设计注意事项

为降低机械公差对传输线射频性能的影响，基于现有机械加工水平及经济实用性，课题组引入了参数容差设计，对微波导行系统各个关键参数做了容差分析。由于产品用于低气压环境，因此为保证微波部件的实际承受功率能力，工艺应做到严格处理微波导行系统的零件的边缘，避免出现加工毛刺，拐角加工成圆角。此外，防止微波导行系统内污染，降低耐功率阈值，装配前用酒精清洗零部件，还要在满足洁净度要求的专用操作间内进行装配和调试等，而且存放环境应洁净，防止出现污染物[10]。

3 产品实测结果

根据以上设计，将产品加工完成后进行实际试验测试，得到实测结果与技术指标要求的对比如表2所示。由对比可知，该产品具备低驻波比、低损耗以及低气压环境功率耐受能力强的特点，产品的结构设计满足用户技术指标要求。

表2 主要性能指标对比

4 结 论

经过测试，该型号大功率射频开关结构设计切实可行。利用该设计的产品实测结果与仿真结果吻合，低气压环境下耐大功率能力满足技术指标要求。