一种微波开关的设计方法

2016-01-22 来源:互联网 我要评论(0) 字号:

1、引言

高频微波开关是各种军事系统工程中十分重要的基础机电元件之一,是实现在各种恶劣环境和特定的空间内将微波信号实行切换的特定功能的机电元件,在我国的卫星通信、电子对抗、雷达工程及各种测量仪器等方面运用广泛。本文旨在介绍微波开关传输部分的设计思路,并对微波开关的结构运用MicroWave Studio仿真设计计算进行初步探讨。

2、微波开关高频特性指标

序号工作频率(GHz)驻波比(max)隔离度(min)插入损耗(max)
10-11.15800.15
21-41.25800.20
34-81.35700.35
48-12.41.45600.45

3.1、微波开关工作原理

本文介绍的微波开关是一个单刀双掷转换开关,开关工作原理是:利用电磁驱动系统被激励后产生对矩形微带线产生的推力,使其中一组处于断开的矩形微带线位移实现同高频同轴插座的导通,而另一组则处于矩形微带线在弹簧力的作用下高频同轴插座分离,实现信号的断开,当激励被撤除后,开关又恢复原状态,该开关共用一个高频输入端RFIN。(见图一)

图一、微波开关工作原理图

3.2、微波传输结构设计

传输结构是开关的核心部分,主要是由簧片、基座、SMA插座等零组件组成(见图二)。簧片与SMA插座插芯的接触是靠电磁驱动系统推驱动杆实现的,两者的接触正压力等于电磁驱动系统的转换力减去弹簧的弹力,由于电磁驱动系统的转换力远远大于弹簧的的弹力,形成足够的机械保持力,从而保证开关的接触可靠,而簧片与SMA插座插芯的分离是靠压簧推动复位杆驱动簧片与SMA插座插芯的分离来实现的,两组接触对交替转换;电磁驱动系统采用跷跷板结构形式,可靠性高、寿命长、灵敏度高。

图二、传输结构示意图

3.3、结构参数设计

本开关转换高频通道的传输途径是通过同轴线——微带线(带状线)——同轴线共同构成的。在传输线的每一个长度单元上,应尽可能使特性阻抗等于标称值50Ω,以尽可能地减小反射。因此在结构参数设计时,可将本开关高频通道的结构参数设计计算分为:标准对称微带线的设计和同轴插座的设计,通过计算可初步确定各关键零件的结构尺寸,为进行三维仿真设计奠定基础。

3.3.1、标准对称微带线的设计

控制对称微带线特性阻抗的重要参数为导体(簧片)宽度、介质厚度和基片材料的介电常数。对称微带线为矩形同轴传输线主要是由腔体、盖板、微带线组成,计算时忽略高频输入、输出插座的影响,按理想状态确定标准对称微带线,为了计算方便,把矩形同轴传输线近似的看作对称标准微带传输线,对称式带状传输线的电传输方面的有关主要尺寸如图三所示:

图三、对称标准微带端面图

可根据下表初步确定对称标准微带端面的尺寸。

t/b
0.01
t/b
0.05
t/b
0.10
t/b
0.20
t/b
0.30
t/b
0.50
 W/b
50Ω1.407741.296061.173270.953890.757390.41725

3.3.2、同轴插座的设计

输入插座和输出插座均为SMA型结构的同轴插座,所以,插座接口部分的结构是标准的,其内部结构设计计算采用同轴线特性阻抗的计算公式如下,

……………………1

式中,Zc为特性阻抗,输入输出插座要求为50Ω,εr为介质的相对介电常数,空气的相对介电常数为1,聚四氟乙烯支撑处的相对介电常数为2.2,D为外导体的内径,d为内导体的外径。

4、微波开关三维仿真设计

利用三维高频电磁场分析软件对微波开关进行建模仿真和计算,可以提高产品设计的成功率,得到设计可能达到的性能数据,通过进一步优化使模型达到所要求的性能指标,再安排生产出的样品,其性能指标会非常接近设计的要求。

4.1、CST MICROWAVE STUDIO 软件简介

MicroWave Studio(微波工作室)是德国CST公司的三维高频电磁场仿真计算软件,是国际上主流的三大高频电磁场软仿真计算件之一,具有强大的建模功能,丰富的材质库和模型库,它可以模拟波导、空间、微带线路、同轴线及腔体中的三维电磁场,可以方便的实现天线、滤波器、波导器件、连接器的仿真模拟和优化。

4.2、仿真计算

高频微波的传输是通过某些特殊结构的传输系统实现的,本开关的高频信号是通过同轴线到矩形带状线再到同轴线的传输模式,在整个传输中存在多处导体截面突变和转直角,阻抗的不连续是不可避免的:整个传输通道的结构导致不连续电容的存在;零件机械尺寸会导致特性阻抗的漂移;电磁场场形变化产生特性阻抗的不连续。通过理论计算只能初步确定部分零件的机械尺寸,因此还必须借助三维高频电磁场仿真计算软件进行仿真优化。首先,对开关结构进行简化,在MicroWave Studio软件中建立相应的开关高频传输结构模型(见图四),其次,进行参数设置,所有材料参数设置见下表,将背景材料设为PEC,即为金属导体,将测试频率范围设置为0.04MHz~12.4GHz,以5GHz为中心频率,下一步进行端口设置:将两端连接器界面设置成50Ω端口,设置求解条件:点频5GHz,10次迭代,最大误差0.01,Fast扫频方式、0.04MHz~12.4GHz,分为50份。

图四 在MicroWave Studio中建立的三维仿真模型

模型中材料参数

名称nameRelative pemittivityRelative permeabilityBulk conductivity
空气air1.00061.00000040
聚四氟乙烯Teflon(tm)2.0510
copper10.99999158000000siemens/m
aluminum11.000002133000000siemens/m
 

4.3、仿真计算结果

我们针对同轴与带状线转接及带状线的结构尺寸进行多种方案的仿真计算,最终确定带状线和基座形腔尺寸(见图五)。

图五、带状线和基座形腔结构

4.4、测试结果

将优化计算得到的数据用于产品的设计当中,样品生产后经测试,部分样品的高频指标达到了指标要求(见图六),但也有部分样品的指标达不到要求,经分析主要是由于开关零件在加工过程中,零件机械公差未能控制到位引起的阻抗的不连续造成的。

图六、样品测试结果

5、结束语

本开关的设计通过采用理论设计初步确定微波传输通道相关零件结构的标称尺寸,通过三维高频电磁场仿真计算软件建模后仿真优化,确定最终产品结构尺寸。由于本微波开关实质上是一段带有连接机构、转换机构和其它装置的非均匀同轴线,与均匀同轴线相比,它有四处明显的不均匀:连接器界面配合区域、同轴插座到标准对称微带线以及标准对称微带线到同轴插座过渡区域、均匀支撑区域以及导体尺寸过渡区域。在这些地方,都存在着导体直径或导体形状的变化,因而出现了不连续电容,引起反射,因此,还要通过加工实际样品多次试验测量验证并修正部分零件结构尺寸,以达到所需的产品性能。

参考文献:

1.  梨安尧,微波技术基础, 电子科技大学,   1998

2.  甘本祓,微波传输线设计手册,人民邮电出版社,  1981

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