基于有限元方法TO-5射频继电器RF特性优化研究

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(1.哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所，黑龙江哈尔滨 150001 2.贵州振华群英电器有限公司，贵州贵阳，550018)

1 前言

射频继电器是用于几无失真地传输和切换射频信号或射频功率的继电器[1]。它具有卓越的绝缘性能、极小的插入损耗和电压驻波比，在能够闭合状态下最大程度降低继电器本身引入的损耗和反射、在断开状态下能够最大程度防止信号辐射到输出端，因此已经成为射频信号传输不可或缺的电子元器件，广泛应用于军事及民用各领域。

其中，小型气密封射频电磁继电器作为射频继电器的一种，包括TO-5和晶体罩封装型继电器。本文介绍了使用有限元仿真的方法对某型TO-5小型气密封射频电磁继电器的插入损耗的优化过程，对其他同类产品射频特性提升优化提供一定的参考意义。

TO-5继电器是上世纪六十年代由美国TELE-DYNE公司发明的采用半导体TO-5封装方式的微型继电器。该类继电器有圆形和方形两种，由于其内部具有微小的结构，该类继电器具有良好的射频性能。该类继电器的基本结构形式仍然采用了传统继电器的结构形式，一般来讲，根据触点的排列形式，方形TO-5的射频性能优于圆形产品[2]。值得注意的是，这类继电器原则上并不适用于功率传输。但是，由于该类继电器在1GHz以下的低频段具有0.1dB左右的插入损耗，所以仍然具有很好的使用价值，根据实际的触点性能，在低频段使用在5W左右，高频段使用在0.1W左右是较为合适的。本文介绍的对象为某型方形继电器(图1)具有两组转换触点，适用于(0～5)GHz射频信号切换。

某型继电器最关注的射频特性有：(1)插入损耗：二端口网络的衰减，是输入端输入功率与负载端吸收功率之比；(2)电压驻波比：输入端信号进入二端口网络后，由于器件内阻抗匹配程度不良导致信号被反射回输入端的度量；(3)隔离度：射频信号泄露到其他端口的功率与输入功率的比值。某型继电器具有两组转换触点，线圈以额定电压激励，衔铁吸合，带动推动杆推动簧片，促使触点转换；去激励时，线圈上没有电流，电磁吸力消失，在复原簧片的反力作用下，簧片复位，触点状态复原。射频信号从一端的引出端流入通过连接杆、簧片、触点，最后从另一端的引出端流出，完成信号的传输。

2 接触部分仿真分析

某型继电器接触部分(图2)主要由底板、玻璃绝缘子、引出端、连接杆、触点、簧片组成，其接触部分物理模型如图2所示。

图2 接触部分物理模型

根据图纸完成接触部分模型建立后，将模型导入HFSS(High Frequency Structure Simulator)后，需要电磁仿真设置如下：

(1)选择终端驱动作为求解类型

HFSS计算的以模式为基础的S矩阵表示了波导模式入射和反射功率的比值。模式驱动不能准确地描述那些有多个准横电磁波(TEM)模式同时传播的问题。终端S参数反映的是波端口节点电压和电流的线性叠加。通过求解节点电压和电流端口的导纳、阻抗，S参数矩阵就能被确定[3]。

(2)设立辐射边界

在本款继电器信号传输路径外围建立空气盒子，并设立辐射边界以模拟继电器所处外围环境。辐射边界也被称为吸收边界，模拟一种开放的表面，即波能够从元器件出发辐射到所设的边界上去，在辐射边界处电磁波被吸收，因此本质上它可以等效为空间无线远处。对包含辐射边界的结构，计算的S参数同时包含辐射损耗。空气盒子的大小以包围继电器信号传输系统为准，并在垂直于底板方向上有一定余量。

(3)在继电器引出端设立波端口作为激励

端口解算器假定波端口连接到一个半无限长的波导，该波导具有与端口相同的截面和材料。设置波端口可以用于计算特性阻抗、复传播常数和S参数。波端口要求设在单一平面，不允许端口平面弯曲。

优化采用的HFSS是由美国ANSOFT公司开发，现被ANSYS收购的一款高频结构仿真软件，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件、业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。它提供了众多基于有限元、积分方程和高级混合方法的最先进求解器技术，可以满足各种微波射频和高速电路的求解及应用[4]。

在仿真结果与实测射频特性匹配的过程中，需要根据实际生产情况建模。例如，针对连接杆与引出端的焊接模拟先采用的为两零件间添加圆形焊点的方法进行仿真(图3-a)，与实测结果匹配并不理想，后根据实际焊接情况改为以切入模拟焊接(图3-b)，仿真效果较好。

图3 模拟焊接对比

其中，信号频率超过3GHz后，仿真值较实测值差距较大，其主要原因一是仿真模型材料属性设置与实际产品不同，二是实际测试情况中测试线或者测试仪器带来的误差，仿真方法较难实现。

通过对继电器的触点形状、簧片形状、连接杆形状、各个焊点与接触的模拟、引出端与玻璃绝缘子形状、各个零件之间的装配参数进行单因素分析，通过单因素结果分析各项参数对射频特性的影响制定优化方案；其具体流程如图4。

图4 优化流程图

3 簧片优化过程

通过对接触部分各项机械参数与工艺参数进行单因素分析，发现簧片的相关参数对接触部分射频特性影响较大，确定簧片为优化对象进行研究。

(1)簧片镀层厚度

在高频信号传输过程中，电磁波在导体表面传播，产生趋肤效应，即在信号传输路径的导体上，电流只分布在深度 以内；根据趋肤深度 计算公式，计算镀层厚度，以当前用户使用频率不超过3GHz计算，镀层厚度要求为1.4μm以上。

其中，γ——导体电导率；

μ——导体磁导率；

f——频率；

(2)簧片变形的验证

簧片变形主要存在两种形式：一是制作簧片的带材，由于加工制造或校平工艺不足等问题造成的变形；二是在产品调校触点压力时造成的变形(图5)，分别对两种情况单独进行仿真，发现在实际情况的条件下对继电器的射频特性影响不大。

图5 簧片变形情况

(3)簧片与连接杆焊接深度

在实际生产装配过程中，簧片与连接焊焊接深度约为簧片厚度1/3至1/2，通过之前介绍的切入模拟焊接的方法进行仿真，确定该范围深度内对射频特性基本无影响。

(4)簧片尺寸与材料优化

通过对簧片的长度、宽度、厚度、材料进行单因素分析，在继电器内部空间允许的情况下，簧片宽度对其射频特性影响最大，根据实际生产加工难度选择将簧片宽度增加至0.8mm(单独接触部分簧片宽度仿真结果如图6)。

图6 簧片宽度单因素分析

综上，确定簧片优化方案为簧片宽度增至0.8mm，镀层厚度控制在1.5μm至2μm，簧片与连接杆焊接深度控制在簧片厚度的1/3至1/2处。

4 实验验证

通过上述方法，在对继电器的各个组成部分分别进行了仿真优化，在综合考虑生产加工难度，制定了对继电器簧片与触点的外形尺寸进行修改优化，对触点的装配位置进行了工艺要求的优化方案。同时，在射频优化的过程中，测试夹具带来的影响不容忽视，通过对厂家原有的微带线结构的测试夹具进行仿真优化，改进了测试夹具的尺寸。

仿真优化模型、效果及优化产品实测射频特性如图7。

(a)仿真优化模型

(b)仿真与产品最初实测拟合结果对比

(c)原产品新夹具插入损耗实测

(d)优化样品新夹具插入损耗实测图7 优化效果对比

以用户使用的3GHz以及产品的最大带宽5GHz频点的优化效果为例，优化效果如表一：

表一 优化效果

5 结束语

本文将有限元仿真技术应用于继电器接触部分的优化设计，并且通过实验验证了方法的可行性。通过仿真计算，可以在优化设计过程中就可以对产品射频特性进行预估，代替了需要不断使实验解决了许多需要不断试验才能获得的数据问题，降低设计风险和研发周期，节省了大量的人力、物力和财力成本，有效缩短优化周期。

参考文献：

[1] 孟庆龙等. 电器结构工艺及计算机辅助工艺规程设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 1994: 367.

[2] 李闫等. 射频、微波继电器简介[J].机电元件，2011,31(3):51-56.

[3] 颜娟. 微带线射频继电器等效电路建模与性能优化方法研究[D].哈尔滨工业大学，2011,6.

[4] 楚兵. 基于有限元方法的高频继电器RF性能优化技术研究[D].哈尔滨工业大学，2009,6.