一種單刀三擲射頻同軸繼電器的設計

摘要：本文介紹了工作頻率為18GHz、低溫、低氣壓下傳輸功率為100W的N型射頻同軸繼電器設計方法，簡(jiǎn)單介紹了產(chǎn)品的技術(shù)指標和工作原理，重點(diǎn)闡述了產(chǎn)品結構、TTL電路控制系統、電磁系統和射頻傳輸切換系統的設計。

引言

　　為了提升我國戰機電子對抗系統的功率，滿(mǎn)足我國軍事裝備的國產(chǎn)化要求，我所研制了一款單刀三擲N型射頻同軸繼電器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)繼電器)，其觸點(diǎn)形式為單刀三擲，控制方式為T(mén)TL、自復位、帶輔助觸點(diǎn)，控制電路接口為9芯D型連接器，射頻接口為N型連接器。該產(chǎn)品特點(diǎn)是工作頻率達到18GHz，同時(shí)在低溫、低氣壓(-55℃、7.5kPa)環(huán)境下射頻傳輸功率為100W@18GHz。本文旨在介紹繼電器的技術(shù)指標、工作原理、結構設計、電路設計、電磁系統設計以及射頻傳輸切換系統的設計。

1 單刀三擲射頻同軸繼電器設計

1.1 技術(shù)指標

　　繼電器主要技術(shù)指標見(jiàn)表1。

1.2 產(chǎn)品結構

　　繼電器外形為圓柱體，最大外形尺寸為φ77mm×88.5mm，腔體底部開(kāi)有3×M4安裝孔，通過(guò)螺釘與面板安裝在一起。繼電器主要由射頻接口、射頻傳輸、推動(dòng)系統、電磁系統和電路控制五大部分組成，繼電器結構見(jiàn)圖1。

1.3 方案設計

1.3.1 控制電路設計

　　繼電器選用TTL電路，有三路射頻通道，通道的切換是由三組電磁系統控制，三路通道都為常開(kāi)。圖2是電路圖以及D型連接器各端子功能。

1.3.2 電磁系統設計

　　根據該產(chǎn)品的工作方式和抗振性能的要求，將此產(chǎn)品設計成平衡旋轉式電磁系統。其磁路結構見(jiàn)圖3。

　　其工作原理為：當線(xiàn)圈中沒(méi)有通過(guò)電流時(shí)，由于彈簧的反力加上磁鋼的吸力，銜鐵保持在原吸合位置，見(jiàn)圖3;當線(xiàn)圈中通過(guò)如圖3所示電流時(shí)，在右工作氣隙處線(xiàn)圈的磁通Φn與永久磁鋼的磁通Φm1相加，導致磁力相加;而左工作氣隙處線(xiàn)圈的磁通Φn與永久磁鋼的磁通Φm2相減，導致磁力相減，所以銜鐵克服彈簧反力被吸到右磁極面，銜鐵帶動(dòng)傳動(dòng)機構使射頻部分簧片與內導體接觸，完成產(chǎn)品動(dòng)作過(guò)程，反之，當線(xiàn)圈電流減小時(shí)，銜鐵被產(chǎn)品機械反力推向左磁極面，銜鐵帶動(dòng)傳動(dòng)機構，使射頻部分簧片與內導體分離，完成產(chǎn)品的釋放過(guò)程。

　　該磁路系統有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

　　(1)磁鋼保持力比較大，而且采用平衡力結構，開(kāi)關(guān)能承受較高的振動(dòng)、沖擊;

　　(2)由于永磁場(chǎng)的相助，該類(lèi)型的傳動(dòng)機構動(dòng)作靈敏度較高，而且由于銜鐵動(dòng)作所需磁通量較小，銜鐵截面積可以較小，使開(kāi)關(guān)小型化較容易實(shí)現，并且動(dòng)作速度較快，能滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)時(shí)間的要求;

　　(3)銜鐵動(dòng)程也可以做得較大，適宜于大功率的開(kāi)關(guān)。

　　電磁系統的結構形式確定后，再進(jìn)行電磁系統各零件的設計，根據產(chǎn)品要求的結構尺寸、工作溫度范圍、線(xiàn)圈工作電壓及電流、線(xiàn)圈吸合電壓及釋放電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、觸點(diǎn)壓力和行程、壽命、沖擊和振動(dòng)等綜合因素進(jìn)行設計，通過(guò)Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行仿真，得出最佳方案。

1.3.3 推動(dòng)系統設計

　　推動(dòng)系統結構如圖4所示， 驅動(dòng)射頻簧片的推桿由兩部分組成，設計成接插結構，把簧片夾持住，彈簧套在腔體內的下推桿上，并由腔體端面的螺釘調節。彈簧的反力與電磁系統施予推桿的力，是兩個(gè)關(guān)鍵的力，必須保證觸點(diǎn)閉合時(shí)，接觸壓力為一合適值，以確保觸點(diǎn)接觸的可靠性。接觸壓力越大，繼電器在閉合的過(guò)程中兩個(gè)觸點(diǎn)面相碰撞產(chǎn)生的碎屑越多，傳動(dòng)機構運動(dòng)件間的摩擦產(chǎn)生污物碎屑也越多，這些污物碎屑在觸點(diǎn)閉合時(shí)就容易產(chǎn)生開(kāi)路，影響可靠性，同時(shí)也減少了產(chǎn)品的壽命;接觸壓力越小，雖然會(huì )減少污物碎屑的產(chǎn)生，但是會(huì )增加插入損耗，容易引起接觸不良，影響其可靠性。

1.3.4 射頻傳輸系統的設計

　　a)N型連接器結構設計

　　本產(chǎn)品N型連接器要求工作頻率達到18GHz，功率達到100W。N型連接器應符合《GJB 5246-2004 射頻連接器界面》。

　　N型連接器的特性阻抗是由內、外導體的尺寸及其介電常數決定的，根據已知的特性阻抗(Zc=50Ω)和國家軍隊標界面要求，按下式計算其尺寸。

(1)

　　式中：d為內導體直徑，D為外導體內徑，εr 為介質(zhì)的相對介電系數，其中內導體與外導體間的介質(zhì)為聚四氟乙烯。Zc為50Ω，由公式(1)可以初步確定連接器的尺寸d=3.04mm，D=7mm，εr =1。

　　同時(shí)，絕緣子的設計還決定了連接器的截止頻率，連接器的截止頻率fc與絕緣子的尺寸及介電常數的關(guān)系如下式：

(2)

　　其中，C0≈300000 km/s;λc：波長(cháng)，mm;

　　根據該式對設計尺寸D和d進(jìn)行驗算，若f大于最高工作頻率，則滿(mǎn)足設計要求;若f小于最高工作頻率，需重新設計。

　　經(jīng)過(guò)理論計算，fc=19GHz，現實(shí)中一般降額10%~15%。所以技術(shù)指標要求18 GHz已達到臨界值。

　　材料上，外導體采用不銹鋼，內導體采用鈹青銅，絕緣介質(zhì)材料采用聚四氟乙烯;設計上，以降低插入損耗和駐波比為目標，合理設計連接器尺寸，關(guān)鍵在于介質(zhì)支撐的設計;介質(zhì)支撐處，由于介質(zhì)的加載以及內外導體尺寸上的突變，容易激起非傳輸性高次模，從而使同軸連接器指標惡化。為此，我們通過(guò)在介質(zhì)支撐處兩側挖槽的方法降低其有效介電常數，對由于尺寸不連續而引起的電容效應進(jìn)行共面補償。

　　b)切換組件設計

　　切換組件包括腔體、腔蓋、簧片、靠柱和推桿等。

　　本產(chǎn)品中的射頻系統需要進(jìn)行通斷切換，我們采用矩形同軸傳輸線(xiàn)，在矩形同軸傳輸線(xiàn)中設置內導體的通斷切換結構。矩形同軸傳輸線(xiàn)的外導體是腔體和腔蓋，內導體是簧片。設計原則是：矩形同軸傳輸線(xiàn)的外寬邊尺寸，盡量接近于輸入輸出射頻連接器連接空氣介質(zhì)時(shí)的外導體內徑，其特性阻抗在軸向與射頻連接器保持一致。

　　矩形同軸傳輸線(xiàn)中的內導體要進(jìn)行通斷切換，需要非金屬材料的推桿帶動(dòng)其運動(dòng)，為了保證射頻指標的重復性，還要有非金屬材料件靠柱的支撐。由于在矩形同軸傳輸線(xiàn)通道內安置了這些非金屬材料零件，使射頻指標不斷惡化，所以我們還采用HFSS仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化。

　　設計了輸入輸出連接器和矩形傳輸線(xiàn)后，需要確定射頻同軸繼電器切換結構。本項目的射頻簧片與連接器公共端接觸部分設計成梯形結構，便于多個(gè)射頻簧片與公共端搭接，射頻簧片另一端設計成半圓結構，實(shí)現了圓形同軸線(xiàn)到矩形同軸線(xiàn)的完美過(guò)度。內導體端面采用環(huán)形結構。另外，為了提高射頻指標，我們在切換端面挖孔進(jìn)行補償。

　　本產(chǎn)品要求射頻簧片的動(dòng)作壽命為20萬(wàn)次。20萬(wàn)次的射頻簧片對內導體的拍打，對內導體的表面硬度要求較高，我們采用鈹青銅加工內導體并進(jìn)行時(shí)效處理，表面鍍硬金，提高接觸可靠性和產(chǎn)品壽命。另外，從熱分析的角度上來(lái)講，推桿部位的射頻簧片溫度較高，可能燒壞推桿，引起失效，所以盡量選用耐高溫的材料。推桿我們采用射頻特性好且耐高溫的聚四氟乙烯材料加工，這樣保證了產(chǎn)品能夠傳輸較大的功率，滿(mǎn)足其功率指標要求。

　　C)低溫低氣壓射頻大功率設計

　　從國外所有公司射頻同軸繼電器的功率曲線(xiàn)上可以看出，產(chǎn)品隨著(zhù)工作頻率的上升，其傳輸功率是按比例下降的，所以，在進(jìn)行射頻同軸繼電器的設計時(shí)，其截止頻率不宜設計過(guò)高，而應略高于其最高工作頻率，這是保證產(chǎn)品具有較大功率的重要方法，這與同軸傳輸的最大功率容量公式是一致的：

　　其中：V_max為同軸線(xiàn)最大擊穿電壓;Z₀為特性阻抗;D為外導體的內徑;d為內導體的外徑;E_br為介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強。

　　當特性阻抗一定時(shí)，Z₀和D/d是定值，當截止頻率變低時(shí)，由(2)式可知，d變大;所以由以上公式可知，P_max也變大。也就是說(shuō)，在滿(mǎn)足產(chǎn)品最高工作頻率時(shí)，為提高功率，應盡量加大D和d的尺寸。

　　連接器的最大傳輸功率容量，由以下公式?jīng)Q定：

(5)

　　其中，E_br為介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強、f_max為最高工作頻率(Hz)。

　　相對于空氣介質(zhì)E_br=3×10⁶V/m，我們選用聚四氟乙烯 E_br=12×10⁶V/m作為介質(zhì)支撐材料，能夠傳輸更大的功率。

　　另外，同軸線(xiàn)的電壓駐波比(VSWR)為S時(shí)，傳輸線(xiàn)的傳輸功率為：

(6)

　　工作溫度在-55℃～+85℃范圍內最大平均功率的降額系數為0.38;在18000m海拔高度中，平均功率的降額系數為0.66。經(jīng)過(guò)理論計算，能夠滿(mǎn)足本項目功率指標要求。

2 結論

　　由于結構設計合理、材料選擇正確，使得此N型射頻繼電器頻率達到18GHz，在低溫、低氣壓(-55℃、7.5kPa)的環(huán)境條件下，能夠傳輸射頻功率為100W，該產(chǎn)品的研制成功，進(jìn)一步提升了我國戰機電子對抗系統的功率，為我國的國防事業(yè)做出了重要貢獻。

參考文獻：

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第65頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。