牟能文

（海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶 400042）

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大功率單刀雙擲開關(guān)振動(dòng)耐受性能試驗(yàn)研究

牟能文

（海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶 400042）

目的 為保證某型大功率開關(guān)振動(dòng)耐受性能滿足應(yīng)用環(huán)境的要求，對(duì)該型大功率單刀雙擲開關(guān)的振動(dòng)耐受性能進(jìn)行研究。方法 通過(guò)振動(dòng)模擬試驗(yàn)，對(duì)其實(shí)際工作能力及振動(dòng)極限進(jìn)行驗(yàn)證和摸底，在實(shí)施開關(guān)直流信號(hào)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和大功率射頻信號(hào)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，首次實(shí)施開關(guān)直流信號(hào)步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)、大功率射頻信號(hào)步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)。利用等效電路方法建立單刀雙擲開關(guān)信號(hào)傳輸路徑模型，對(duì)開關(guān)振動(dòng)瞬斷所導(dǎo)致的射頻傳輸性能影響進(jìn)行理論分析。結(jié)果 在直流信號(hào)試驗(yàn)和大功率射頻信號(hào)試驗(yàn)中，A開關(guān)在x，y向試驗(yàn)中出現(xiàn)了多次瞬斷，最長(zhǎng)瞬斷時(shí)間為63.6 μs，B開關(guān)順利通過(guò)所有試驗(yàn)。同一頻率下，寄生電容越小，隔離度越高；同一寄生電容下，頻率越高，隔離度越小。結(jié)論 實(shí)現(xiàn)了開關(guān)振動(dòng)性能的考核和摸底，該研究為大功率開關(guān)的可靠性設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的減振設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐和解決途徑。

大功率開關(guān)；振動(dòng)；單刀雙擲

大功率開關(guān)作為一類非常重要的基礎(chǔ)性電子元器件，主要實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)傳輸路徑的選擇功能，被廣泛應(yīng)用于通信、電子對(duì)抗、輻射測(cè)量等眾多系統(tǒng)中，其長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。因此，研究大功率開關(guān)的可靠性和壽命失效模式對(duì)保障系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)質(zhì)量具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值［1］。

大功率開關(guān)的振動(dòng)耐受特性是反映其可靠性的重要性能之一［2］，尤其是應(yīng)用于航空航天等惡劣振動(dòng)條件下，開關(guān)的抗振性能將面臨嚴(yán)酷的考驗(yàn)。目前的大功率單刀雙擲開關(guān)的設(shè)計(jì)振動(dòng)量級(jí)水平能達(dá)到C級(jí)水平，但實(shí)際應(yīng)用中開關(guān)的振動(dòng)耐受性能未有相關(guān)的研究。

為了驗(yàn)證開關(guān)振動(dòng)耐受性能的設(shè)計(jì)水平，并探索其最大振動(dòng)耐受能力，文中針對(duì)某型大功率單刀雙擲開關(guān)的振動(dòng)耐受性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。為保證該型大功率開關(guān)振動(dòng)耐受性能滿足應(yīng)用環(huán)境的要求，通過(guò)振動(dòng)模擬試驗(yàn)對(duì)其實(shí)際工作能力及振動(dòng)極限進(jìn)行了驗(yàn)證和摸底，在實(shí)施開關(guān)直流信號(hào)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和大功率射頻信號(hào)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，首次實(shí)施了開關(guān)直流信號(hào)步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)、大功率射頻信號(hào)步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)。同時(shí)，利用等效電路方法建立了單刀雙擲開關(guān)信號(hào)傳輸路徑模型，對(duì)開關(guān)振動(dòng)瞬斷所導(dǎo)致的射頻傳輸性能影響進(jìn)行了理論分析［3—5］。

1　大功率單刀雙擲開關(guān)簡(jiǎn)介

1.1工作原理

某型大功率開關(guān)主要是由接觸系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)兩大部分組成，原理如圖1所示。

圖1　控制電路原理Fig.1　The principle diagram of the control circuit

1.2性能指標(biāo)

該型大功率單刀雙擲開關(guān)的具體性能指標(biāo)：工作帶寬比為80∶1；工作電壓為28 V；質(zhì)量≤250 g；瞬斷指標(biāo)（觸點(diǎn)抖動(dòng)）≤10 μs；插損≤0.3 dB；通道隔離≥60 dB；切換時(shí)間≤20 ms；駐波≤1.3；相位一致性≤±2.5°；承受功率≥240 W。其中，瞬斷指標(biāo)對(duì)開關(guān)的振動(dòng)耐受特性進(jìn)行了量化。

1.3設(shè)計(jì)特點(diǎn)

為保證單刀雙擲開關(guān)的抗振性能，該型開關(guān)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。開關(guān)的射頻輸入輸出設(shè)計(jì)采用TNC型連接器，既滿足大功率耐受要求，又適當(dāng)縮小了體積，兼顧了系統(tǒng)安裝空間限制。同時(shí)，緊湊型的開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了開關(guān)的振動(dòng)耐受性能。增大了開關(guān)射頻通道簧片的磁保持力，減小了簧片受振動(dòng)而抖動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，簧片觸點(diǎn)壓力增大，對(duì)改善開關(guān)插損也有一定作用。通過(guò)合理選用觸點(diǎn)材料，并利用經(jīng)驗(yàn)值確定觸點(diǎn)面積，在保證開關(guān)插損的同時(shí)，優(yōu)化了觸點(diǎn)質(zhì)量和硬度，提高觸點(diǎn)抗干擾能力。開關(guān)內(nèi)部絕緣支撐材料選取了硬度合適、電性能和力學(xué)性能優(yōu)良的產(chǎn)品，滿足了其強(qiáng)度，在振動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生缺損、裂紋和破碎［6—8］。

2　振動(dòng)耐受性能研究

為了掌握該型大功率開關(guān)振動(dòng)的實(shí)際工作能力及耐受極限，為后續(xù)系統(tǒng)減振方案和可靠性設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，對(duì)該型單刀雙擲開關(guān)的振動(dòng)耐受性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2.1試驗(yàn)條件

整個(gè)試驗(yàn)分為隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)，前者模擬導(dǎo)彈、噴氣機(jī)等產(chǎn)生的振動(dòng)環(huán)境，用于確定開關(guān)經(jīng)受隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力的適應(yīng)性，后者可以快速得到開關(guān)的振動(dòng)耐受極限，提供減振設(shè)計(jì)的邊界條件。兩種試驗(yàn)的條件如下：

1）隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)按照GJB 360B—2009方法214試驗(yàn)條件I（C）執(zhí)行。

2）步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)。在10～2000 Hz頻率范圍內(nèi)，采用如圖2所示的功率譜密度。試驗(yàn)方向選擇x，y，z三軸向，試驗(yàn)時(shí)間≥15 min/步進(jìn)。初始步進(jìn)試驗(yàn)取值可為0.04 g2/Hz，之后可按總均方值5g水平遞增。步進(jìn)量及加電情況如圖3所示。當(dāng)振動(dòng)量值超過(guò)15 Grms，每個(gè)振動(dòng)量級(jí)臺(tái)階結(jié)束后，將振動(dòng)量值降至5 Grms，維持5 min，以便發(fā)現(xiàn)高量級(jí)振動(dòng)后出現(xiàn)的焊點(diǎn)斷裂等異常情況［7—8］。

圖2　功率譜密度控制Fig.2　Power spectral density control

圖3　步進(jìn)量及加電狀態(tài)Fig.3　Step in and add the electrical state

2.2試驗(yàn)項(xiàng)目

考慮到設(shè)備在實(shí)際工作中是處于大功率狀態(tài)，因此，為了更真實(shí)地模擬實(shí)際工作條件，該型開關(guān)的振動(dòng)耐受性能試驗(yàn)分別在直流信號(hào)和大功率射頻信號(hào)兩種條件下進(jìn)行。共開展了4個(gè)項(xiàng)目的試驗(yàn)研究，分別為直流信號(hào)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)（I（C）量級(jí)）、大功率射頻信號(hào)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)（I（C）量級(jí)）、直流信號(hào)步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)和大功率射頻信號(hào)步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)。根據(jù)開關(guān)性能指標(biāo)，當(dāng)閉合觸點(diǎn)抖動(dòng)大于10 μs，便被認(rèn)定發(fā)生了瞬斷，終止試驗(yàn)［9］。

在試驗(yàn)中，定義開關(guān)內(nèi)部簧片的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎駝?dòng)敏感方向，即z向。本次試驗(yàn)分x，y，z三個(gè)方向進(jìn)行，如圖4所示［10—11］。

2.3試驗(yàn)原理

試驗(yàn)分為直流信號(hào)試驗(yàn)和大功率射頻信號(hào)試驗(yàn)兩類，其試驗(yàn)接線框圖分別如圖5、圖6所示［11］。

圖4　試驗(yàn)實(shí)裝Fig.4　Test live-fire

圖5　直流信號(hào)試驗(yàn)Fig.5　DC signal test

圖6　大功率射頻信號(hào)試驗(yàn)Fig.6　High-power rf signal test

2.4試驗(yàn)過(guò)程

該次試驗(yàn)使用了A/B兩只開關(guān)。試驗(yàn)過(guò)程中，A開關(guān)在x向試驗(yàn)中出現(xiàn)了多次瞬斷，最長(zhǎng)瞬斷時(shí)間為63.6 μs，更換到y(tǒng)向，瞬斷情況同樣。B開關(guān)順利通過(guò)所有試驗(yàn)。僅在試驗(yàn)中出現(xiàn)了毫秒級(jí)瞬斷情況，后經(jīng)判斷毫秒級(jí)的瞬斷應(yīng)是由于輸入大功率射頻信號(hào)源波動(dòng)而產(chǎn)生的，非開關(guān)觸點(diǎn)出現(xiàn)瞬斷（開關(guān)觸點(diǎn)瞬斷級(jí)別為微秒級(jí)）。

B開關(guān)通過(guò)試驗(yàn)項(xiàng)目包括：x/y/z方向1，2通道直流信號(hào)I（C）量級(jí)，各30 min振動(dòng)；x/y/z方向1，2通道200 W大功率射頻信號(hào)6，8 GHz兩個(gè)頻率點(diǎn)的I（C）量級(jí)，各1 h振動(dòng)；x/y/z方向1，2通道直流信號(hào)7.5g@15 min—10.5g@15 min—15.08g@15 min步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)；x/y/z方向1，2通道 200 W，8 GHz功率信號(hào) 10.5g@5 min—15.08g@10 min—7.5g@5 min—15.08g@10 min—7.5g@5 min步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)［7—9］。

2.5故障原因

在試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)了多個(gè)故障，現(xiàn)將其原因分析如下。

1）A開關(guān)直流信號(hào)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中主觸點(diǎn)出現(xiàn)瞬斷，其原因是由于A開關(guān)腔體和殼體為分體設(shè)計(jì)，不在同一平面，且腔體無(wú)固定點(diǎn)，出現(xiàn)懸臂結(jié)構(gòu)，振動(dòng)中腔體發(fā)生打殼，導(dǎo)致主觸點(diǎn)瞬斷。

2）A開關(guān)直流信號(hào)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中，在非振動(dòng)敏感方向，即x/y向出現(xiàn)瞬斷。經(jīng)測(cè)量，A開關(guān)兩通道力矩差較大，是B開關(guān)兩通道力矩差的兩倍。因此，力矩不平衡是造成A開關(guān)在非振動(dòng)敏感方向，即x/y向多次出現(xiàn)瞬斷，而B開關(guān)沒(méi)有出現(xiàn)類似情況。

3）B開關(guān)直流信號(hào)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中輔助觸點(diǎn)出現(xiàn)瞬斷，是由于B開關(guān)尾部控制信號(hào)接口接觸不到位，振動(dòng)中出現(xiàn)接觸不良，導(dǎo)致輔助觸點(diǎn)測(cè)試回路出現(xiàn)瞬斷。

4）B開關(guān)大功率隨機(jī)振動(dòng)、步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)中，主觸點(diǎn)出現(xiàn)毫秒級(jí)瞬斷。毫秒級(jí)瞬斷出現(xiàn)后，試驗(yàn)組用示波器接檢波器直接測(cè)試功率源信號(hào)，抓取了功率源毫秒級(jí)別的功率跌落，如圖7所示。由此判斷毫秒級(jí)瞬斷均由輸入功率信號(hào)導(dǎo)致［12—15］。

3　改進(jìn)建議

根據(jù)試驗(yàn)情況，做出以下建議：在開關(guān)殼體尾端增加安裝耳，且安裝底面設(shè)計(jì)齊平，避免出現(xiàn)懸臂結(jié)構(gòu)，防止打殼；裝配中注意兩通道的力矩參數(shù)平衡，確保開關(guān)在設(shè)計(jì)振動(dòng)量級(jí)內(nèi)，不會(huì)因通道不平衡出現(xiàn)瞬斷；優(yōu)化控制信號(hào)連接器設(shè)計(jì)，保證輔助觸點(diǎn)接口的可靠性。

圖7　示波器顯示Fig.7　The oscilloscope display

4　仿真分析

單刀雙擲開關(guān)的振動(dòng)耐受性能試驗(yàn)中，振動(dòng)導(dǎo)致了器件的瞬斷，對(duì)其射頻傳輸性能造成了影響，下文將對(duì)其等效電路模型進(jìn)行理論分析，重點(diǎn)關(guān)注簧片和觸頭之間的寄生電容與開關(guān)隔離度的數(shù)值關(guān)系，為實(shí)際工程分析提供理論支撐。

對(duì)于高頻電磁開關(guān)而言，動(dòng)靜觸點(diǎn)之間存在寄生電容，動(dòng)靜觸點(diǎn)及微波通道與外殼之間存在一定的分布電容，在觸點(diǎn)切換直流信號(hào)或者低頻信號(hào)時(shí)，寄生電容的影響不明顯。觸點(diǎn)負(fù)載是高頻信號(hào)時(shí)，寄生電容的影響將非常明顯，當(dāng)觸點(diǎn)分?jǐn)嗪螅|點(diǎn)間隙的寄生電容會(huì)持續(xù)通過(guò)高頻信號(hào)，直至觸點(diǎn)間隙擴(kuò)大到一定距離，才能最終隔離該高頻信號(hào)。動(dòng)靜觸點(diǎn)在分開位置時(shí)，兩者間隙的距離通過(guò)技術(shù)要求中的隔離度進(jìn)行明確，文中開關(guān)隔離度≥60 dB［16］。

本節(jié)將利用等效電路法建立的信號(hào)傳輸路徑模型，并利用模型分析動(dòng)靜觸頭之間寄生電容對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

開關(guān)的信號(hào)傳輸路徑由BNC接口及其相連接同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體、靜觸頭、動(dòng)簧片組成，通過(guò)動(dòng)簧片的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸路徑的導(dǎo)通與斷開。

X1通道閉合、X2通道斷開狀態(tài)的等效電路如圖8所示。1，2為XC輸入TNC端子區(qū)，3為公共靜觸點(diǎn)區(qū)，4為X1通道動(dòng)簧片，5為X1通道接觸區(qū)，6為X1靜觸點(diǎn)區(qū)，7，8為X1輸出TNC端子區(qū)，9 為X2通道動(dòng)簧片，10為X2通道寄生電容，11為X2靜觸點(diǎn)區(qū)，12，13為X2輸出TNC端子區(qū)。

圖8　開關(guān)等效電路Fig.8　Equivalent circuit diagram of the switch

4.1相關(guān)通道參數(shù)確定

相關(guān)通道參數(shù)的通過(guò)文獻(xiàn)［4—8］計(jì)算如下：C1—C13分別為0.125，0.035，0.051，0.125，1.362，0.051，0.125，0.035，0.125，0.0002，0.051，0.125，0.035 pF；L1，L3，L4，L6，L7，L9，L11，L12分別為0.309，0.067，0.036，0.067，0.309，0.036，0.067，0.309 nH；R5為7.1 mΩ。

利用這些參數(shù)，在MATLAB的Simulink環(huán)境中建立了如圖9所示的分析模型，后面的分析均基于此模型。

圖9　MATLAB Simulink建模Fig.9　MATLAB Simulink modeling

4.2隔離度分析

由上述等效電路模型可知，斷開通道的隔離度與寄生電容C10有直接關(guān)系。通過(guò)仿真計(jì)算，1～8 GHz在不同寄生電容條件下的隔離度如圖10所示。圖10表明，同一頻率下，寄生電容越小，隔離度越高；同一寄生電容下，頻率越高，隔離度越小。

4.3瞬斷過(guò)程中高頻信號(hào)的導(dǎo)通性分析

圖10　寄生電容對(duì)隔離度的影響Fig.10　Effect of parasitic capacitance on isolation degree

在確定簧片和靜觸頭之間的寄生電容對(duì)隔離度的影響后，可用此理論展開對(duì)振動(dòng)瞬斷中高頻信號(hào)的導(dǎo)通性分析。對(duì)于單刀雙擲開關(guān)閉合導(dǎo)通的通道，在強(qiáng)烈的振動(dòng)下會(huì)發(fā)生簧片和靜觸頭之間的的脫離，產(chǎn)生瞬斷。瞬斷一旦發(fā)生，簧片和靜觸頭之間的寄生電容開始產(chǎn)生作用，而導(dǎo)通狀態(tài)下的電阻/電容并聯(lián)等效電路結(jié)構(gòu)失效。在簧片和靜觸頭間距非常小、寄生電容足夠大的時(shí)候，高頻信號(hào)仍可以通過(guò)該電容進(jìn)行傳導(dǎo)，信號(hào)通路未斷開；當(dāng)簧片和靜觸頭間距變大、寄生電容變小時(shí)，高頻信號(hào)通路上的阻抗增大，信號(hào)急劇衰減，無(wú)法傳遞［18］。

針對(duì)2 GHz信號(hào)的瞬斷過(guò)程導(dǎo)通性分析如圖11所示。隨著寄生電容數(shù)值變化，在1.5 pF時(shí)隔離度為3 dB，即此時(shí)有50%信號(hào)功率通過(guò)，之后寄生電容不斷減少，隔離度上升，信號(hào)傳輸受阻。在假設(shè)簧片和靜觸頭平整光滑、視在等效面積為半徑3 mm圓形的情況下，1.5 pF電容意味著兩者間距為0.167 mm［19—20］。

圖11　瞬斷過(guò)程信號(hào)導(dǎo)通性Fig.11　Signal connectivity in transient breaking process

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)開關(guān)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)振動(dòng)性能的考核和摸底。直流信號(hào)和大功率射頻信號(hào)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)考核了開關(guān)的技術(shù)性能要求。首次實(shí)施的步進(jìn)振動(dòng)試驗(yàn)摸底了開關(guān)最大振動(dòng)耐受能力，為結(jié)構(gòu)及開關(guān)組件的減振設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)情況，展開了對(duì)開關(guān)建模數(shù)值分析的研究，重點(diǎn)分析了瞬斷情況下信號(hào)通道的寄生電容對(duì)傳輸?shù)挠绊?，為?shí)際工程分析提供理論支撐。

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Experimental Study on the Vibration-tolerance Performance of a High-power SPDT Switch

MU Neng-wen
（Military Representative Bureau of Naval Equipment Department in Chongqing Region，Chongqing 400042，China）

Objective In order to ensure that the high power switch vibration tolerance performance can meet the requirements of the application environment，the study on vibration tolerance performance for the high-power SPDT Switch was proposed in this paper.Methods Based on the implementation of switching DC signal random vibration test and high power RF signal random vibration test，the actual working ability and vibration limits were verified.The switching DC signal of step vibration test and high power RF signal of step vibration test were implemented for the first time.The SPDT transmission model established using the equivalent circuit method was applied for theoretical analysis on the effect of RF transmission transient fault caused by vibration.Results In DC signal and high power RF signal test，several short breaks occurred in the x and y direction for switch A，and the longest time of transient fault was 63.6 μs，whereas switch B passed all tests.At the same frequency，smaller parasitic capacitance meant higher isolation degree.With the same parasitic capacitance，the higher the frequency，the smaller the isolation degree was.Conclusion This paper realized the assessment of the vibration performance of switches and provides data support and solving method for the reliability design of high-power switch and vibration isolation design of the system，and therefore gives a good guidance.

high-power switch；vibration；SPDT

2016-01-02；Revised：2016-02-16

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.011

TJ01

A

1672-9242（2016）04-0066-06

2016-01-02；

2016-02-16

牟能文（1964—），男，重慶人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娮友b備應(yīng)用。

Biography：MU Neng-wen(1964—),Male,from Chongqing,Senior engineer,Research focus:applications of electronic equipment.