了解机电开关的工作寿命和可重复性及其对总体拥有成本的影响

严重缺陷。搭接片触点和中心导体之间的连续碰撞将会逐渐造成越来越大的磨损，并产生一些碎屑。这些碎屑以及长期积累的灰尘和污染物会一起留在端头上。结果，随着时间的延长，接触电阻将会增加，从而使得插入损耗增加。这不一定会导致开关达不到其射频技术指标，但随着时间的增加，将会对插入损耗可重复性产生巨大影响。在开关的整个寿命期内，这些微粒会在中心导体的表面上不断堆积，其随机性意味着这种故障可能时断时续，无法被检测出来。导致这种不利结果的罪魁祸首正是没有弹性的搭接片触点设计。因此，具有这种设计特性的开关达不到可重复性技术指标或者根本没有可重复性是很常见的事情。

　　图4 微粒聚集现象

　　带有弧刷机制的EM开关接触机制

为了提高开关的可重复性，延长其工作寿命，开关设计必须能够在每次通断后对中心导体的端头进行“清洁”，以消除传统EM开关设计中普遍存在的微粒聚集。

擦拭作用原理是一种广为人知的方法，并且已经应用于继电器和键盘开关中以解决触点的腐蚀和碎屑问题。在机电开关中，正确设计的擦拭作用机制能够显著延长开关电气寿命和保持开关可重复性。安捷伦在EM开关设计上运用了擦拭作用原理，并且在触点上使用了适当的润滑剂和表面抛光工艺。这种独特的设计使开关不仅可以保持所有的射频技术指标，还具有优异的可重复性――在开关工作寿命内小于0.03 dB。事实上，这种擦拭作用能够将接触区域的所有微粒(碎屑)都清除掉，使开关能够“自我清洁”。然而请注意，过多的擦拭作用和高接触压力会在两个表面之间产生过多的摩擦，从而也会产生碎屑。关键是在触点之间产生适量的擦拭作用。

　　图5 “微观擦拭”开关配合架构

图5中，安捷伦机电开关系列采用了擦拭作用机制。连接器的中心导体轮廓设计成球形配合表面。这个配合表面略带弯曲，以便在搭接片触点和这个配合表面之间产生极小的向下力和微小运动。这一运动可以通过使用较薄和有弹性的搭接片触点设计来实现。这种设计能够加强两个表面之间的微观擦拭效果。擦拭作用通过破碎表面薄膜并把碎屑移走，不断地清洁接触区。图6和7显示了作用中的“擦拭”机制。

　　图6 一片“附着的”碎屑

　　图7 碎屑被推开

避免微粒(碎屑)聚集的设计

已经有充分的证明显示当外来微粒进入触点时，开关孔洞中的碎屑可能导致ad-hoc失败或开关可重复性问题。通常，微粒有两个常见来源：

·制造过程中的污染;

·材料磨损。

通过在组装之前对射频微波元器件进行彻底清洁(例如通过超声波)，可以减少制造过程中的污染碎屑。

在搭接片触点的运动过程中，当两个表面接触时会因为磨损而产生微粒。微粒的数量取决于摩擦力的大小和接触材料的倾斜度。因此，在设计阶段应认真考虑搭接片触点的接触面积、采用的材料和电镀轮廓。

安捷伦的导杆设计是一个非常好的例子。它使用两个细推杆驱动每个接触搭接片，从根本上防止了任何旋转或滑动的出现。与传统设计相比，它取消了额外的中心杆，并且两个推杆的表面积较小，进一步减少了可能的微粒聚集。

可重复性对测量不确定度的影响

　　图8 包括多端口测试仪的PNA网络分析仪

开关的可重复性对测试设置的测量不确定度有直接影响。图8显示与测试多个器件的多端口测试仪相连的PNA。本例中，可以使用任意端口同时对总共3个2端口器件进行测试。由于这些误差是随机误差而不是系统误差，所以计算总体测量不确定度的正确方式是使用平方和的平方根(RSS)。在此介绍两种情况：

情况1

PNA可重复性 = 0.01 dB，EM开关可重复性 = 0.03 dB

总体测量不确定度= = 0.044 dB

情况2

PNA可重复性 = 0.01 dB，EM开关可重复性 = 0.1 dB

总体测量不确定度= = 0.142 dB

EM开关的可重复性对系统的总体测量不确定度有重大影响，从而影响进行的所有测量的精度。Agilent EM开关使用擦拭作用设计去除微粒聚集，以保持0.03dB的可重复性技术指标。这一设计具有十分重要的意义，因为可重复性对系统的总体测量不确定度有重大影响，而且不确定度越低，测试成本就越低。

　　结语

选购EM开关时，工作寿命和开关可重复性是两个最重要的标准。工作寿命主要取决于搭接片触点机制、接触电阻以及所有主要射频元器件所采用的材料和电镀工艺，所有这些因素都应在设计阶段认真考虑。考虑到这些因素而设计的开关可以明确规定可重复性技术指标。