蠕变-热疲劳交互作用的大功率射频同轴开关热损伤机理研究

When the contact system of RF coaxial switch consisting of pins and movable spring is in the condition of high-temperature for a long time or temperature cycling, metallic materials will move or deform permanently which is called creep damage. Meanwhile, cyclic stress or strain will be generated when free expansion or shrinkage is limited by spatial constraint, which is called thermal fatigue damage. The initiation, opening and propagation of cracks lead to RF performance degeneration of product under the interaction of creep and thermal fatigue. In the project, an analytical method based on vector finite element was proposed firstly for solving the heat and electromagnetic fields coupling problem of contact system. Then, the interaction mechanism of creep and thermal fatigue was researched and the interaction was equivalent to thermo mechanical fatigue of constant stress amplitude and average stress. The rules in the initiation of cracks were analyzed by using cellular automaton method. Considering the interaction of creep and thermal fatigue, the uncertainty equation in the propagation of cracks was built and solved. The rules in the opening and propagation of cracks were researched based on finite element method. Finally, an closed-loop calculation was proposed in order to investigate the property degradation of products caused by the interaction of creep and thermal fatigue. The analytical methods and conclusions of this study have important theoretical significance and practical value for improving the performance and reliability of RF coaxial switch products.

大功率射频同轴开关中由插针和动簧片构成的接触系统因长时间高温或温度冷热交替，金属材料会发生永久性移动或变形，导致蠕变损伤；同时，因自由膨胀或收缩受到空间约束产生循环应力或应变，导致热疲劳损伤。蠕变-热疲劳的交互作用使材料表面裂纹萌生、张开和扩展，导致产品射频性能逐步退化。本项目提出基于矢量有限元的接触系统热-电-磁多物理场耦合分析方法。研究蠕变-热疲劳交互作用机理，提出将蠕变-热疲劳的交互作用等效为恒定应力幅和平均应力的热机械疲劳，采用元胞自动机法研究损伤裂纹的起始过程。建立并求解蠕变-热疲劳交互作用下裂纹扩展不确定性方程，采用有限元法研究损伤裂纹的张开和扩展过程。提出并设计闭环计算方法研究蠕变-热疲劳交互作用导致产品性能退化过程，将微观热损伤累积与宏观性能退化有机结合。本项目的研究对于提高射频同轴开关产品性能指标，提升产品可靠性和抗疲劳性，延长产品使用寿命具有重要的理论意义和实用价值。

射频同轴开关具有低插入损耗、低电压驻波比、高功率传输容量和良好的宽带性能，广泛应用于工业、军事和航空航天等领域中。信号传输频率和功率传输容量是射频同轴开关产品最为关键的两类技术指标。高频大功率信号在射频切换系统中传播时产生的导体损耗与介质损耗导致产品工作时发热严重。而材料的温度特性和射频切换系统中零部件的热变形是产品工作时高频传输特性下降的主要原因。本文以某型号射频同轴开关为研究对象，对其高频传输特性和热特性的分析与性能优化方法进行了深入研究，对射频同轴开关的自主设计、试验测试和可靠性评估的发展具有重要的理论意义和实用价值。. 首先，文中建立了电磁波在同轴线结构中传播的数学模型，研究了射频同轴开关在传输高频大功率信号时的发热机理，分别计算了电磁系统中线圈的功率损耗以及射频切换系统中产生的导体损耗与介质损耗。. 其次，提出了基于Ansys Workbench的射频同轴开关热特性仿真分析方法，分别计算了电磁系统和射频切换系统的稳态温度场分布，研究了影响产品热特性的关键因素，并以提高功率传输容量、降低稳态温升为目标，提出了基于正交试验的射频同轴开关热特性优化设计方案。. 然后，研究了材料温度特性对射频同轴开关高频传输特性的影响，提出了电磁-热-结构多物理场耦合分析方法，计算了射频切换系统在传输高频大功率信号时产生的热形变量，提出了射频同轴开关热特性的等效试验方法，指出了温升引起的热形变会导致产品射频性能下降的规律。. 再次，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机械疲劳寿命和电寿命进行了分析预测。