秒看一種微波開關的設計方法

1、引言

高頻微波開關是各種軍事系統(tǒng)工程中十分重要的基礎機電元件之一，是實現在各種惡劣環(huán)境和特定的空間內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傳輸部分的設計思路，并對微波開關的結構運用MicroWave Studio仿真設計計算進行初步探討。

2、微波開關高頻特性指標

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、微波開關工作原理

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

圖一、微波開關工作原理圖

3.1、微波傳輸結構設計

傳輸結構是開關的核心部分，主要是由簧片、基座、SMA插座等零組件組成（見圖二）?；善cSMA插座插芯的接觸是靠電磁驅動系統(tǒng)推驅動桿實現的，兩者的接觸正壓力等于電磁驅動系統(tǒng)的轉換力減去彈簧的彈力，由于電磁驅動系統(tǒng)的轉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動簧片與SMA插座插芯的分離來實現的，兩組接觸對交替轉換；電磁驅動系統(tǒng)采用蹺蹺板結構形式，可靠性高、壽命長、靈敏度高。

圖二、傳輸結構示意圖

3.2、結構參數設計

本開關轉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。因此在結構參數設計時，可將本開關高頻通道的結構參數設計計算分為：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鍵零件的結構尺寸，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為導體（簧片）寬度、介質厚度和基片材料的介電常數。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主要尺寸如圖三所示：

圖三、對稱標準微帶端面圖

可根據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型結構的同軸插座，所以，插座接口部分的結構是標準的，其內部結構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為介質的相對介電常數，空氣的相對介電常數為1，聚四氟乙烯支撐處的相對介電常數為2.2，D為外導體的內徑，d為內導體的外徑。

4、微波開關三維仿真設計

利用三維高頻電磁場分析軟件對微波開關進行建模仿真和計算，可以提高產品設計的成功率，得到設計可能達到的性能數據，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構的傳輸系統(tǒng)實現的，本開關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直角，阻抗的不連續(xù)是不可避免的：整個傳輸通道的結構導致不連續(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，對開關結構進行簡化，在MicroWave Studio軟件中建立相應的開關高頻傳輸結構模型（見圖四），其次，進行參數設置，所有材料參數設置見下表，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，Fast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

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、仿真計算結果

我們針對同軸與帶狀線轉接及帶狀線的結構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構

4.4、測試結果

將優(yōu)化計算得到的數據用于產品的設計當中，樣品生產后經測試，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，經分析主要是由于開關零件在加工過程中，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、樣品測試結果

5、結束語

本開關的設計通過采用理論設計初步確定微波傳輸通道相關零件結構的標稱尺寸，通過三維高頻電磁場仿真計算軟件建模后仿真優(yōu)化，確定最終產品結構尺寸。由于本微波開關實質上是一段帶有連接機構、轉換機構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導體形狀的變化，因而出現了不連續(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構尺寸，以達到所需的產品性能。