一種微波開關(guān)的設(shè)計(jì)方法

一種微波開關(guān)的設(shè)計(jì)方法1、引言高頻微波開關(guān)是各種軍事系統(tǒng)工程中十分重要的基礎(chǔ)機(jī)電元件之一，是實(shí)現(xiàn)在各種惡劣環(huán)境和特定的空間內(nèi)將微波信號(hào)實(shí)行切換的特定功能的機(jī)電元件，在我國(guó)的衛(wèi)星通信、電子對(duì)抗、雷達(dá)工程及各種測(cè)量?jī)x器等方面運(yùn)用廣泛。本文旨在介紹微波開關(guān)傳輸部分的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)微波開關(guān)的結(jié)構(gòu)運(yùn)用MicroWaveStudio仿真設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行初步探討。2、微波開關(guān)高頻特性指標(biāo)序號(hào)工作頻率（GHz）駐波比（max）隔離度（min）插入損耗（max）10-11.15800.1521-41.25800.2034-81.35700.3548-12.41.45600.453.1、微波開關(guān)工作原理本文介紹的微波開關(guān)是一個(gè)單刀雙擲轉(zhuǎn)換開關(guān)，開關(guān)工作原理是：利用電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被激勵(lì)后產(chǎn)生對(duì)矩形微帶線產(chǎn)生的推力，使其中一組處于斷開的矩形微帶線位移實(shí)現(xiàn)同高頻同軸插座的導(dǎo)通，而另一組則處于矩形微帶線在彈簧力的作用下高頻同軸插座分離，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的斷開，當(dāng)激勵(lì)被撤除后，開關(guān)又恢復(fù)原狀態(tài)，該開關(guān)共用一個(gè)高頻輸入端RFIN。（見圖一）圖一、微波開關(guān)工作原理圖3.2、微波傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳輸結(jié)構(gòu)是開關(guān)的核心部分，主要是由簧片、基座、SMA插座等零組件組成（見圖二）。簧片與SMA插座插芯的接觸是靠電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推驅(qū)動(dòng)桿實(shí)現(xiàn)的，兩者的接觸正壓力等于電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換力減去彈簧的彈力，由于電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈簧的的彈力，形成足夠的機(jī)械保持力，從而保證開關(guān)的接觸可靠，而簧片與SMA插座插芯的分離是靠壓簧推動(dòng)復(fù)位桿驅(qū)動(dòng)簧片與SMA插座插芯的分離來實(shí)現(xiàn)的，兩組接觸對(duì)交替轉(zhuǎn)換；電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用蹺蹺板結(jié)構(gòu)形式，可靠性高、壽命長(zhǎng)、靈敏度高。圖二、傳輸結(jié)構(gòu)示意圖3.3、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)本開關(guān)轉(zhuǎn)換高頻通道的傳輸途徑是通過同軸線——微帶線（帶狀線）——同軸線共同構(gòu)成的。在傳輸線的每一個(gè)長(zhǎng)度單元上，應(yīng)盡可能使特性阻抗等于標(biāo)稱值50Ω，以盡可能地減小反射。因此在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，可將本開關(guān)高頻通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算分為：標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱微帶線的設(shè)計(jì)和同軸插座的設(shè)計(jì)，通過計(jì)算可初步確定各關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)尺寸，為進(jìn)行三維仿真設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。3.3.1、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱微帶線的設(shè)計(jì)控制對(duì)稱微帶線特性阻抗的重要參數(shù)為導(dǎo)體（簧片）寬度、介質(zhì)厚度和基片材料的介電常數(shù)。對(duì)稱微帶線為矩形同軸傳輸線主要是由腔體、蓋板、微帶線組成，計(jì)算時(shí)忽略高頻輸入、輸出插座的影響，按理想狀態(tài)確定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱微帶線，為了計(jì)算方便，把矩形同軸傳輸線近似的看作對(duì)稱標(biāo)準(zhǔn)微帶傳輸線，對(duì)稱式帶狀傳輸線的電傳輸方面的有關(guān)主要尺寸如圖三所示：圖三、對(duì)稱標(biāo)準(zhǔn)微帶端面圖可根據(jù)下表初步確定對(duì)稱標(biāo)準(zhǔn)微帶端面的尺寸。t/b

0.01t/b

0.05t/b

0.10t/b

0.20t/b

0.30t/b

0.50

W/b50Ω1.407741.296061.173270.953890.757390.417253.3.2、同軸插座的設(shè)計(jì)輸入插座和輸出插座均為SMA型結(jié)構(gòu)的同軸插座，所以，插座接口部分的結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算采用同軸線特性阻抗的計(jì)算公式如下，……1式中，Zc為特性阻抗，輸入輸出插座要求為50Ω，εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1，聚四氟乙烯支撐處的相對(duì)介電常數(shù)為2.2，D為外導(dǎo)體的內(nèi)徑，d為內(nèi)導(dǎo)體的外徑。4、微波開關(guān)三維仿真設(shè)計(jì)利用三維高頻電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)微波開關(guān)進(jìn)行建模仿真和計(jì)算，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率，得到設(shè)計(jì)可能達(dá)到的性能數(shù)據(jù)，通過進(jìn)一步優(yōu)化使模型達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，再安排生產(chǎn)出的樣品，其性能指標(biāo)會(huì)非常接近設(shè)計(jì)的要求。4.1、CSTMICROWAVESTUDIO軟件簡(jiǎn)介MicroWaveStudio（微波工作室）是德國(guó)CST公司的三維高頻電磁場(chǎng)仿真計(jì)算軟件，是國(guó)際上主流的三大高頻電磁場(chǎng)軟仿真計(jì)算件之一，具有強(qiáng)大的建模功能，豐富的材質(zhì)庫和模型庫，它可以模擬波導(dǎo)、空間、微帶線路、同軸線及腔體中的三維電磁場(chǎng)，可以方便的實(shí)現(xiàn)天線、濾波器、波導(dǎo)器件、連接器的仿真模擬和優(yōu)化。4.2、仿真計(jì)算高頻微波的傳輸是通過某些特殊結(jié)構(gòu)的傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，本開關(guān)的高頻信號(hào)是通過同軸線到矩形帶狀線再到同軸線的傳輸模式，在整個(gè)傳輸中存在多處導(dǎo)體截面突變和轉(zhuǎn)直角，阻抗的不連續(xù)是不可避免的：整個(gè)傳輸通道的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不連續(xù)電容的存在；零件機(jī)械尺寸會(huì)導(dǎo)致特性阻抗的漂移；電磁場(chǎng)場(chǎng)形變化產(chǎn)生特性阻抗的不連續(xù)。通過理論計(jì)算只能初步確定部分零件的機(jī)械尺寸，因此還必須借助三維高頻電磁場(chǎng)仿真計(jì)算軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化。首先，對(duì)開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在MicroWaveStudio軟件中建立相應(yīng)的開關(guān)高頻傳輸結(jié)構(gòu)模型（見圖四），其次，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，所有材料參數(shù)設(shè)置見下表，將背景材料設(shè)為PEC，即為金屬導(dǎo)體，將測(cè)試頻率范圍設(shè)置為0.04MHz～12.4GHz，以5GHz為中心頻率，下一步進(jìn)行端口設(shè)置：將兩端連接器界面設(shè)置成50Ω端口，設(shè)置求解條件：點(diǎn)頻5GHz，10次迭代，最大誤差0.01，F(xiàn)ast掃頻方式、0.04MHz～12.4GHz，分為50份。圖四在MicroWaveStudio中建立的三維仿真模型模型中材料參數(shù)名稱nameRelativepemittivityRelativepermeabilityBulkconductivity空氣air1.00061.00000040聚四氟乙烯Teflon(tm)2.0510銅copper10.99999158000000siemens/m鋁aluminum11.000002133000000siemens/m

4.3、仿真計(jì)算結(jié)果我們針對(duì)同軸與帶狀線轉(zhuǎn)接及帶狀線的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行多種方案的仿真計(jì)算，最終確定帶狀線和基座形腔尺寸（見圖五）。圖五、帶狀線和基座形腔結(jié)構(gòu)4.4、測(cè)試結(jié)果將優(yōu)化計(jì)算得到的數(shù)據(jù)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)中，樣品生產(chǎn)后經(jīng)測(cè)試，部分樣品的高頻指標(biāo)達(dá)到了指標(biāo)要求（見圖六），但也有部分樣品的指標(biāo)達(dá)不到要求，經(jīng)分析主要是由于開關(guān)零件在加工過程中，零件機(jī)械公差未能控制到位引起的阻抗的不連續(xù)造成的。圖六、樣品測(cè)試結(jié)果5、結(jié)束語本開關(guān)的設(shè)計(jì)通過采用理論設(shè)計(jì)初步確定微波傳輸通道相關(guān)零件結(jié)構(gòu)的標(biāo)稱尺寸，通過三維高頻電磁場(chǎng)仿真計(jì)算軟件建模后仿真優(yōu)化，確定最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸。由于本微波開關(guān)實(shí)質(zhì)上是一段帶有連接機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和其它裝置的非均勻同軸線，與均勻同軸線相比，它有四處明顯的不均勻：連接器界面配合區(qū)域、同軸插座到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱微帶線以及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱微帶線到同軸插座過渡區(qū)域、均勻支撐區(qū)域以及導(dǎo)體尺寸過渡區(qū)域。在