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(中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛 266555)

1 引言

机电同轴开关能够被广泛应用于航空、航天、通信、军事、科学等领域。单刀六掷开关可以实现微波信号从一路选通六路中任一路的功能，并且因其具有良好的射频性能，如低驻波比、低插入损耗、高隔离度、高工作频率等特点，其被广泛应用于通讯系统、雷达系统等自动测试系统中。因为射频机械开关在系统工作过程中，承担微波信号链路的连接和切换功能，因此要求开关的可靠性能高，寿命时间长[1-4]。

现在，越来越多的学者对于开关等动作器件的可靠性和寿命的研究越来越多。本论文基于之前的研究工作，设计研究射频可靠性自动测试系统，用于检测和记录开关的运行状态，并通过统计数据，发现开关失效原因，从而有针对性的进行改善，从而提高开关的可靠性和寿命。

本论文的内容主要分为以下几个部分：1、引言中说明了单刀六掷机电同轴开关的应用领域，及目前人们所关心的研究方向；2、设计、加工、装配了一种宽带单刀六掷机电同轴开关，并对其主要的射频指标进行了测试；3、介绍了目前单刀六掷开关可靠性及寿命的现状，并根据测试数据，对开关的可靠性和寿命进行了改进。4、最后对论文的主要工作进行简要总结。

2 单刀六掷开关设计及测试

图1展示了单刀六掷开关工作的基本原理。从图中可以看到，单刀六掷开关主要由电磁继电器和射频传输线组成，并且有7个射频端口(C, 1, 2, 3, 4, 5, 6)。通过电磁继电器的控制，能够实现射频端口C与其余6个射频端口中任意一个端口连接的功能。

由之前的描述可知，电磁继电器主要作用是将射频端口C和其余6个端口进行选择连通。而在开关中，真正能够决定开关射频性能的部分主要是射频传输线，是开关中最重要的组成部分。其性能好坏直接决定了开关的指标能否满足自动测试系统的要求。我们利用专业的射频设计软件Ansoft HFSS对DC～26.5GHz单刀六掷开关的射频传输线进行了设计和优化，如下图2所示。

由上图2所示，DC～26.5GHz单刀六掷开关的射频传输线主要由同轴波导、介质撑、传输簧片组成。在工作时，中间的内导体(端口C)由传输簧片连接到旁路的内导体(端口1)，进而实现微波在端口C与端口1之间进行传输。同样的，传输簧片可以连接其他端口，进行微波传输。传输簧片的接通和断开，由上面所述的电磁继电器控制实现。

图2 DC～26.5GHz单刀六掷开关射频传输线

图3 DC～26.5GHz单刀六掷驻波比

经过优化设计，DC～26.5GHz单刀六掷开关的驻波比计算结果如图3所示。由图可知，在整个工作频率范围内，驻波比小于1.18，回波损耗大于20dB。

图4 设计研发的DC～26.5GHz单刀六掷开关

经过设计加工的单刀六掷开关及其测试曲线如图4、图5所示。安捷伦E9361C矢量网络分析仪用于测量开关的射频性能。经过测试发现，在整个工作频带内，开关的驻波比小于1.32，传输损耗小于0.45dB。射频性能良好，能够满足自动测试系统的设计指标要求。

图5 单刀六掷开关测试曲线

3 单刀六掷开关的寿命测试及提升

因为射频机械开关是整个通信、雷达及自动测试系统中必不可少的射频器件，它的可靠性和寿命将直接影响整个系统的性能。因此射频机械开关除了能够满足必需的射频性能及各项功能之外，其可靠性和寿命越来越受到行业的关注。

为了能够实时监测开关的运行情况并记录相关数据，我们设计搭建了射频机械开关可靠性及寿命自动测试系统，如下图6所示。

图6 开关可靠性及寿命自动测试系统

在图6所示的自动测试系统中，电源系统为射频机械开关提供驱动电压。电压能够实现0V～40V程序控制。计算机系统主要用于控制整个系统并对运行数据进行实时记录。信号控制系统能够提供TTL控制和标准控制两种控制信号。本文设计的单刀六掷开关需要TTL控制。矢量网络分析仪用于测量开关的射频性能及重复性。设计和搭建的开关自动测试系统能够测量开关的启动电压、运行寿命和可靠性等指标。

通过自动测试系统的实时监测，发现之前所设计的开关运行不到100万次均会出现故障。这很难满足现代通信系统及其他自动测试系统的要求。因此射频机械开关的寿命提升工作刻不容缓。而开关又是最为复杂的无源器件之一，由很多零部件组成，因此需要通过测试，找到对开关寿命影响最大的关键零部件，对其进行优化。

通过之前的描述可知，开关中间内导体(端口C)与传输簧片和旁路内导体(端口1, 2, 3, 4, 5, 6)之间若能够有效连接，则意味着开关有良好的射频性能和良好的工作状态。而传输簧片和两个内导体良好接触的时候，他们之间必然存在一定的触点压力。一方面，若触点压力过小，则传输簧片和内导体之间容易发生接触不良现象，导致开关故障；另一方面，若触点压力过大，则传输簧片的形变量过大，容易导致簧片被折弯或断裂。因此，触点压力是最为重要和关键的参数之一，在提高开关可靠性和寿命时，需要对其进行优化和保证。经过大量的试验验证和理论分析发现，同轴内导体伸入腔体的高度和传输簧片推杆的长度共同决定了触点压力。

最终，通过理论设计和试验验证，将同轴内导体的深度优化为(0.55±0.01)mm，传输簧片的推杆长度优化为(0.60±0.01)mm。从而得到优化后的接触压力约为0.3N。

同时在同轴内导体和传输簧片不断接触过程中，内导体和传输簧片在接触区域有明显的磨损，如下图8所示。为了能够提高开关的性能，对同轴内导体的表面粗糙度进行优化，对其进行抛光处理，结果如下图9所示。由图可知，抛光后的同轴内导体的表面粗糙度明显下降，有利于降低簧片和内导体之间的磨损。

图8 运行过后内导体和传输簧片图片

图9 抛光后的同轴内导体

经过大量的优化设计和试验后，单刀六掷射频机械开关的可靠性和寿命有了明显的改进，能够从100万次无故障提升到500万次无故障。

在以后的工作中，我们将对开关的设计进行优化，继续提高开关的可靠性和寿命。

4 结论

文章设计了一款工作于DC～26.5GHz的单刀六掷射频机械开关。测试结果表明，在整个工作频带内，开关的驻波比小于1.32，传输损耗小于0.45dB。为了实时检测开关的运行状态，设计并搭建了射频机械开关自动测试系统。系统能够实时监测并记录开关的运行数据。通过理论优化和试验优化同轴内导体的深度、传输簧片的推杆长度及同轴内导体表面粗糙度等重要参数，开关的运行寿命能够从100万次提高到500万次。论文工作对射频机械开关的可靠性提升奠定一定的理论及实验基础。以后重点工作将对开关继续进行优化设计，使其能够满足现代自动测试系统的要求。