微带线射频继电器等效电路建模与性能优化方法研究

论文摘要

近年来电信事业迅速发展,模拟信号和数字信号的频率不断上升,微波电路集成化的要求越来越高,市场上对具有更好射频性能和集成化能力的射频元器件需求越来越迫切。作为射频电路中不可或缺的一种电子元器件,射频继电器控制着射频电路导通或关断,其射频性能的优劣对整个射频电路的信号传输能力具有影响较大。微带线射频继电器具有良好的表面贴装能力,成本低廉,已经成为应用最广泛的在片式射频继电器。因此,对微带线射频继电器进行理论研究和性能优化设计,对于提升我国继电器设计和生产水平具有重要意义。本文应用经典传输线理论、微元思想和统计学方法对射频继电器信号传输路径中典型连续与不连续结构的分布参数进行提取,建立了信号传输路径在闭合和关断两种状态下的等效电路模型,通过对等效电路模型进行仿真分析,得到各继电器典型结构对插入损耗、电压驻波比及隔离度等性能的影响,初步确定性能影响因素。然后,利用有限元仿真软件对射频继电器的信号传输路径进行建模,考虑信号辐射,计算了在激励终端只产生TEM模(横电磁波)且继电器端子匹配50Ω负载时,继电器射频性能随频率变化关系及电磁场分布情况;并初步分析了继电器射频性能影响因素的尺寸变化对性能的影响,为性能优化确定合适的变量取值区间。基于以上研究结果,应用正交试验法对继电器信号路径进行了参数设计,考虑实际生产及装配需要确定合理的约束条件及目标函数,制定正交表进行仿真实验,进行极差分析和方差分析,确定继电器射频性能显著影响因素和最优水平值,实现了继电器射频性能的优化设计。继而研究了工艺水平对继电器性能的影响。对已确定的因素最佳水平组合进行容差设计,分析各因素的尺寸公差对目标函数的贡献率,得到各目标函数的容差设计公式,对各因素尺寸公差进行重新分配,以简化工艺要求并降低继电器产品的射频性能分散性;此外研究了工业选材对导体损耗和介电损耗的影响,确定两种损耗与材料属性间的对应关系。最后,对PCB用继电器的测试方法进行研究,设计了继电器测试卡具和校准线,应用网络分析仪测试继电器射频性能,并将测试结果与等效电路仿真结果以及有限元仿真结果进行对比,验证了模型的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究的目的及意义
• 1.3 课题国内外研究现状
• 1.3.1 射频传输线
• 1.3.2 射频继电器国外研究现状
• 1.3.3 射频继电器国内研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 信号传输路径等效电路建模与分析
• 2.1 引言
• 2.2 研究对象及等效电路模型的建立
• 2.3 微带线均匀区分布参数提取
• 2.4 接触不连续分布参数提取
• 2.4.1 微观接触系统统计学模型
• 2.4.2 视在接触面积
• 2.4.3 接触电容
• 2.4.4 接触电阻
• 2.5 其他典型不连续结构分布参数提取
• 2.5.1 阶梯突变
• 2.5.2 截角直角弯头
• 2.5.3 动静簧片隔离区
• 2.6 分布参数提取结果
• 2.7 各典型结构性能影响分析
• 2.7.1 各结构对插入损耗影响对比分析
• 2.7.2 各结构对电压驻波比影响对比分析
• 2.8 本章小结
• 第3章 信号传输路径有限元建模与分析
• 3.1 引言
• 3.2 信号传输路径有限元模型
• 3.3 有限元仿真结果及分析
• 3.3.1 继电器射频性能结果分析
• 3.3.2 电磁场分布结果分析
• 3.4 典型结构尺寸参数对射频性能影响分析
• 3.4.1 插入损耗
• 3.4.2 电压驻波比
• 3.4.3 隔离度
• 3.5 本章小结
• 第4章 射频继电器性能优化
• 4.1 引言
• 4.2 多目标优化模型的建立
• 4.2.1 优化变量的确定
• 4.2.2 约束条件的确定
• 4.2.3 目标函数的确定
• 4.3 基于正交试验设计的优化方法
• 4.3.1 正交试验设计
• 4.3.2 不同目标的显著影响因素的确定
• 4.3.3 优化方案的确定
• 4.4 射频性能优化结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 工艺影响分析与实验验证
• 5.1 引言
• 5.2 信号传输路径关键结构容差设计
• 5.2.1 试验设计及计算
• 5.2.2 数据分析
• 5.2.3 改进方案
• 5.3 材料性质对信号损耗的影响
• 5.3.1 介质损耗
• 5.3.2 导体损耗
• 5.4 实验验证
• 5.4.1 实验方法
• 5.4.2 有限元仿真结果与实测结果对比
• 5.4.3 等效电路模型仿真结果与实测结果对比
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢