基于蠕变的射频同轴开关性能分析方法研究

• 作 者: 唐娟
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 射频同轴开关 有限元 射频性能 蠕变 寿命预测

射频同轴开关广泛应用于卫星、雷达、广播等无线通信设备中,用于传输和切换射频信号,具有插入损耗低、电压驻波比低、隔离度大的良好射频传输性能,是射频无线传输中不可或缺的机电元件。随着现代通信技术的发展,信号发射功率及频率都在不断提高,由射频同轴开关发热导致的传输性能下降,引起整个射频信号收发系统功能降级甚至失效的事例时有发生。因此,本文在对射频同轴开关的射频性能及热特性进行分析研究的基础上,深入研究射频同轴开关长期频繁通断大功率射频信号时,自身发热所产生的蠕变损伤对射频性能的影响。对于提升产品可靠性,延长产品寿命具有重要的理论意义和实用价值。首先,本文从电磁场基本理论出发,对电磁波在波导中的传输特性进行分析,分析本研究对象中电磁波的主要传输模式。利用有限元仿真软件对射频同轴开关整机进行三维有限元建模,仿真分析射频同轴开关电压驻波比、插入损耗、隔离度等射频性能参数,并与实测结果进行分析对比,对仿真结果的正确性进行验证。其次,在对射频同轴开关的主要热量来源及传热机制进行深入分析研究的基础上,建立射频同轴开关的电磁-热-结构的多物理场耦合仿真模型。研究射频同轴开关在传输不同信号频率时的温度场分布及热变形情况,分析射频同轴开关不同形变量大小对射频性能的影响。并利用T型热电偶测量同轴开关稳态工作时的工作温升,验证热场仿真结果的正确性。然后,针对射频同轴开关在长期频繁通断大功率射频信号时,自身发热产生蠕变损伤导致同轴开关射频性能退化的问题,根据射频同轴开关内导体材料的物理化学性质设计并开展高温蠕变力学试验,建立内导体的蠕变本构方程,为分析蠕变对射频同轴开关射频性能退化的影响奠定基础。最后,在得到蠕变本构方程的基础上,模拟射频同轴开关长期频繁通断时的蠕变变形过程。通过提取蠕变过程中的应力、应变等主控力学参量,确定射频同轴开关长期频繁通断过程中最先萌生裂纹的薄弱区域,分析蠕变对射频性能的影响,进一步对射频同轴开关的热疲劳寿命和电寿命进行了分析预测。