秒看一種微波開關(guān)的設計方法

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機電元件之一，是實現(xiàn)在各種惡劣環(huán)境和特定的空間內(nèi)將微波信號實行切換的特定功能的機電元件，在我國的衛(wèi)星通信、電子對抗、雷達工程及各種測量儀器等方面運用廣泛。本文旨在介紹微波開關(guān)傳輸部分的設計思路，并對微波開關(guān)的結(jié)構(gòu)運用MicroWave Studio仿真設計計算進行初步探討。

2、微波開關(guān)高頻特性指標

序號工作頻率（GHz）駐波比（max）隔離度（min）插入損耗（max）

10-11.15800.15

21-41.25800.20

34-81.35700.35

48-12.41.45600.45

3、微波開關(guān)工作原理

本文介紹的微波開關(guān)是一個單刀雙擲轉(zhuǎn)換開關(guān)，開關(guān)工作原理是：利用電磁驅(qū)動系統(tǒng)被激勵后產(chǎn)生對矩形微帶線產(chǎn)生的推力，使其中一組處于斷開的矩形微帶線位移實現(xiàn)同高頻同軸插座的導通，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，實現(xiàn)信號的斷開，當激勵被撤除后，開關(guān)又恢復原狀態(tài)，該開關(guān)共用一個高頻輸入端RFIN。（見圖一）

圖一、微波開關(guān)工作原理圖

3.1、微波傳輸結(jié)構(gòu)設計

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)動系統(tǒng)推驅(qū)動桿實現(xiàn)的，兩者的接觸正壓力等于電磁驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換力減去彈簧的彈力，由于電磁驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換力遠遠大于彈簧的的彈力，形成足夠的機械保持力，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復位桿驅(qū)動簧片與SMA插座插芯的分離來實現(xiàn)的，兩組接觸對交替轉(zhuǎn)換；電磁驅(qū)動系統(tǒng)采用蹺蹺板結(jié)構(gòu)形式，可靠性高、壽命長、靈敏度高。

圖二、傳輸結(jié)構(gòu)示意圖

3.2、結(jié)構(gòu)參數(shù)設計

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。在傳輸線的每一個長度單元上，應盡可能使特性阻抗等于標稱值50Ω，以盡可能地減小反射。因此在結(jié)構(gòu)參數(shù)設計時，可將本開關(guān)高頻通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)設計計算分為：標準對稱微帶線的設計和同軸插座的設計，通過計算可初步確定各關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)尺寸，為進行三維仿真設計奠定基礎。

3.2.1、標準對稱微帶線的設計

控制對稱微帶線特性阻抗的重要參數(shù)為導體（簧片）寬度、介質(zhì)厚度和基片材料的介電常數(shù)。對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，計算時忽略高頻輸入、輸出插座的影響，按理想狀態(tài)確定標準對稱微帶線，為了計算方便，把矩形同軸傳輸線近似的看作對稱標準微帶傳輸線，對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、對稱標準微帶端面圖

可根據(jù)下表初步確定對稱標準微帶端面的尺寸。

t/b

0.01t/b

0.05t/b

0.10t/b

0.20t/b

0.30t/b

0.50

W/b

50Ω1.407741.296061.173270.953890.757390.41725

3.2.2、同軸插座的設計

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)是標準的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計計算采用同軸線特性阻抗的計算公式如下，

……………………1

式中，Zc為特性阻抗，輸入輸出插座要求為50Ω，εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，空氣的相對介電常數(shù)為1，聚四氟乙烯支撐處的相對介電常數(shù)為2.2，D為外導體的內(nèi)徑，d為內(nèi)導體的外徑。

4、微波開關(guān)三維仿真設計

利用三維高頻電磁場分析軟件對微波開關(guān)進行建模仿真和計算，可以提高產(chǎn)品設計的成功率，得到設計可能達到的性能數(shù)據(jù)，通過進一步優(yōu)化使模型達到所要求的性能指標，再安排生產(chǎn)出的樣品，其性能指標會非常接近設計的要求。

4.1、CST MICROWAVE STUDIO 軟件簡介

MicroWave Studio（微波工作室）是德國CST公司的三維高頻電磁場仿真計算軟件，是國際上主流的三大高頻電磁場軟仿真計算件之一，具有強大的建模功能，豐富的材質(zhì)庫和模型庫，它可以模擬波導、空間、微帶線路、同軸線及腔體中的三維電磁場，可以方便的實現(xiàn)天線、濾波器、波導器件、連接器的仿真模擬和優(yōu)化。

4.2、仿真計算

高頻微波的傳輸是通過某些特殊結(jié)構(gòu)的傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)的，本開關(guān)的高頻信號是通過同軸線到矩形帶狀線再到同軸線的傳輸模式，在整個傳輸中存在多處導體截面突變和轉(zhuǎn)直角，阻抗的不連續(xù)是不可避免的：整個傳輸通道的結(jié)構(gòu)導致不連續(xù)電容的存在；零件機械尺寸會導致特性阻抗的漂移；電磁場場形變化產(chǎn)生特性阻抗的不連續(xù)。通過理論計算只能初步確定部分零件的機械尺寸，因此還必須借助三維高頻電磁場仿真計算軟件進行仿真優(yōu)化。首先，對開關(guān)結(jié)構(gòu)進行簡化，在MicroWave Studio軟件中建立相應的開關(guān)高頻傳輸結(jié)構(gòu)模型（見圖四），其次，進行參數(shù)設置，所有材料參數(shù)設置見下表，將背景材料設為PEC，即為金屬導體，將測試頻率范圍設置為0.04MHz～12.4GHz，以5GHz為中心頻率，下一步進行端口設置：將兩端連接器界面設置成50Ω端口，設置求解條件：點頻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MicroWave Studio中建立的三維仿真模型

模型中材料參數(shù)

名稱nameRelative pemittivityRelative permeabilityBulk conductivity

空氣air1.00061.00000040

聚四氟乙烯Teflon（tm）2.0510

銅copper10.99999158000000siemens/m

鋁aluminum11.000002133000000siemens/m

4.3、仿真計算結(jié)果

我們針對同軸與帶狀線轉(zhuǎn)接及帶狀線的結(jié)構(gòu)尺寸進行多種方案的仿真計算，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、測試結(jié)果

將優(yōu)化計算得到的數(shù)據(jù)用于產(chǎn)品的設計當中，樣品生產(chǎn)后經(jīng)測試，部分樣品的高頻指標達到了指標要求（見圖六），但也有部分樣品的指標達不到要求，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、樣品測試結(jié)果

5、結(jié)束語

本開關(guān)的設計通過采用理論設計初步確定微波傳輸通道相關(guān)零件結(jié)構(gòu)的標稱尺寸，通過三維高頻電磁場仿真計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)實質(zhì)上是一段帶有連接機構(gòu)、轉(zhuǎn)換機構(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、同軸插座到標準對稱微帶線以及標準對稱微帶線到同軸插座過渡區(qū)域、均勻支撐區(qū)域以及導體尺寸過渡區(qū)域。在這些地方，都存在著導體直徑或?qū)w形狀的變化，因而出現(xiàn)了不連續(xù)電容，引起反射，因此，還要通過加工實際樣品多次試驗測量驗證并修正部分零件結(jié)構(gòu)尺寸，以達到所需的產(chǎn)品性能。