機載大功率射頻同軸繼電器設計

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，航空航天領(lǐng)域使用的射頻同軸繼電器數量越來(lái)越多，對其耐惡劣環(huán)境條件和嚴酷力學(xué)條件要求也越來(lái)越高。和地面應用不同，對應用于機載的大功率射頻同軸繼電器有許多特殊要求：

1）驅動(dòng)電流小、功耗低?？梢怨澥∮邢薜哪茉?，減少系統發(fā)熱。

2）重量輕?？梢蕴岣哒麢C的有效載荷、飛行速度、續航距離、機動(dòng)性能。

3）環(huán)境（低溫、高溫、電磁干擾、振動(dòng)、低氣壓）適應能力強。

4）大功率。功率直接決定了機載或地面雷達的探測距離和探測精度，功率越大探測的距離越遠且越精確。

我所研制的一款機載大功率射頻同軸繼電器產(chǎn)品，其觸點(diǎn)形式為單刀雙擲，控制方式為T(mén)TL、自保持、自關(guān)斷、帶輔助觸點(diǎn)，技術(shù)指標完全能夠滿(mǎn)足機載使用，以下對其進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

二、機載大功率射頻同軸繼電器設計

1、技術(shù)指標

機載大功率射頻同軸繼電器主要技術(shù)指標見(jiàn)表1。產(chǎn)品特點(diǎn)是驅動(dòng)電流小，功耗低、振動(dòng)等級高、耐大功率。

2、產(chǎn)品結構及工作原理

機載大功率射頻同軸繼電器主要由電路控制、電磁系統、推動(dòng)系統、射頻切換、射頻接口、輔助觸點(diǎn)切換、D型低頻接口七部分組成。產(chǎn)品結構圖見(jiàn)圖1，工作原理框圖見(jiàn)圖2。

產(chǎn)品總體結構為長(cháng)方體，上端部的對外接口是標準的9芯D型連接器低頻接口，其與輔助觸點(diǎn)直接焊接在印制電路板上，電路板、電磁系統通過(guò)四個(gè)螺桿固定在微波通道腔蓋上。推動(dòng)系統包括鐵芯內部的兩個(gè)塑料推桿、微波通道內與微波簧片相連的兩個(gè)推桿以及可以繞軸自由轉動(dòng)的銜鐵共三部分組成，銜鐵轉動(dòng)時(shí)可以實(shí)現輔助簧片與微波傳輸簧片的連動(dòng)。射頻切換由矩形同軸傳輸線(xiàn)組成，微波傳輸簧片在傳輸線(xiàn)的中間位置，微波通道內的彈簧可以實(shí)現微波傳輸簧片的自動(dòng)復位。在下端部的對外接口是標準的N型射頻連接器。

產(chǎn)品的外罩、微波腔體、腔蓋均使用鋁合金材料，可以大大減輕自重，外罩表面通過(guò)氧化處理有效防止鹽霧腐蝕。電路控制、電磁系統及射頻部分上下放置，防止相互之間電磁干擾。D型連接器低頻接口與外罩接觸處裝有密封墊，微波腔體周?chē)c外罩接觸處裝有矩形密封圈，電路控制、電磁系統、推動(dòng)系統、射頻切換部分被外罩包裹在一個(gè)相對封閉的空間內，防止灰塵、水汽等的進(jìn)入。

機載大功率射頻同軸繼電器工作原理是：D型連接器低頻接口接電源，額定工作電壓通過(guò)電路控制部分施加到電磁系統，電磁系統的作用是把電能轉換為機械能，通過(guò)推動(dòng)系統完成射頻及輔助觸點(diǎn)同步切換，射頻信號通過(guò)射頻接口輸入或輸出，輔助信號通過(guò)D型接口輸入或輸出。

3、方案設計

（1）控制電路設計

從節能及減少線(xiàn)圈發(fā)熱角度出發(fā)，電路控制采用了自保持及RC自關(guān)斷的結構形式。為了便于自動(dòng)控制，設計了輔助觸點(diǎn)及TTL控制方式?？刂齐娐凡糠值?芯D型連接器、電子元器件、輔助觸點(diǎn)焊接在一塊PCB上，電路原理圖見(jiàn)圖3。

圖3 控制電路原理圖

D型連接器1、2端子施加28Vd.c.激勵電壓，當端子4為高電平時(shí)，激勵電壓施加到線(xiàn)圈L1上，線(xiàn)圈L1上有電流通過(guò)，并生產(chǎn)電磁力帶動(dòng)機構動(dòng)作，射頻開(kāi)關(guān)S1閉合、S2斷開(kāi)，由于RC沖放電電路，隨著(zhù)充電的連續，電容C兩端電壓不斷升高，當完全截止時(shí)，線(xiàn)圈L1上電流為零。由于本產(chǎn)品為自保持型，即使線(xiàn)圈L1電流變?yōu)榱銜r(shí)，機構并不發(fā)生翻轉，仍保持在如圖所示狀態(tài)，當需要發(fā)生翻轉時(shí)，只需在D型連接器端子5施加高電平，原理同上。

本項目產(chǎn)品的實(shí)際動(dòng)作時(shí)間不大于15ms，為了保證產(chǎn)品可靠動(dòng)作，線(xiàn)圈中電流的持續時(shí)間應大于25ms，該時(shí)間由電容充電時(shí)間決定，其理論計算公式如下：

05（暫缺）

式（1）中：C為充電電容，R為充電回路電阻，V為電容終電壓，V0為電容初始電壓，Vt為t時(shí)刻電容電壓。

（2）電磁系統設計

射頻同軸繼電器類(lèi)產(chǎn)品中，用電磁力驅動(dòng)是普遍的方法，通常電磁系統采用的類(lèi)型主要是“平衡旋轉式”和“螺旋管式”。“平衡旋轉式”電磁系統其優(yōu)點(diǎn)是轉軸兩端銜鐵部分質(zhì)量相對平衡，對轉軸的總力矩為“零”，可以耐較高的沖擊、振動(dòng)，以保證惡劣環(huán)境下的可靠性。“螺旋管式”電磁系統優(yōu)點(diǎn)是磁的利用率較高，磁路系統的漏磁小，鐵芯的行程較大。

依據產(chǎn)品應用于機載條件，電磁系統采用了“平衡旋轉式”結構，見(jiàn)圖4，磁路原理見(jiàn)圖5。

HL-磁鋼磁勢；（IW）-線(xiàn)圈通電時(shí)產(chǎn)生的磁勢；R鋼-磁鋼磁阻； R芯-鐵芯磁阻； R軛-軛鐵磁阻；R銜-銜鐵磁阻；Rδx-磁鋼與銜鐵間氣隙磁阻； Rδ1-銜鐵在左回路中氣隙磁阻；Rδ2-銜鐵在右回路中氣隙磁阻。

當線(xiàn)圈在激勵狀態(tài)下，驅動(dòng)機構的靜態(tài)吸力F為：

φm2、φm1為磁鋼的磁通量，由公式(3)求得：

式（3）中：Hm導磁體中的磁場(chǎng)強度，由磁鋼的去磁曲線(xiàn)求得，lm為磁鋼的長(cháng)度，k1為修正系數，Rδ為氣隙磁阻，μ0為真空磁導系數，S為極靴面積。

φn為線(xiàn)圈的磁通量，由公式(4)求得：

式（4）中：N為線(xiàn)圈匝數，I為線(xiàn)圈電流，Rm為磁路磁阻。

電磁系統的電磁吸力計算比較煩瑣，通常使用Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行仿真, 為了提高產(chǎn)品的可靠性，保證在全溫度范圍（-55℃～+85℃）正常工作，實(shí)際動(dòng)作電壓按+85℃時(shí)進(jìn)行設計。由于額定工作電壓范圍24v～32v,為了保證可靠的驅動(dòng)電流，設計中必須考慮到電磁線(xiàn)圈漆包線(xiàn)銅材料的電阻隨環(huán)境溫度變化的趨勢，由公式(5)確定：

11（暫缺）

式（5）中：R20為20℃的電阻值；Rt為在t溫度范圍下測量的電阻值；t為測量的環(huán)境溫度；α為電阻溫度系數，單位1/℃。

（3）射頻切換及射頻接口設計

射頻切換是在矩形同軸傳輸線(xiàn)中完成的，矩形同軸傳輸線(xiàn)截面見(jiàn)圖6，在矩形傳輸線(xiàn)中設置中間簧片的通斷切換結構，它的結構特點(diǎn)就是中間簧片位于上下接地板的對稱(chēng)面上。

矩形同軸傳輸線(xiàn)的傳輸功率，由以下公式?jīng)Q定：

13（暫缺）

式（6）中：Pmax為最大峰值的擊穿功率（KW）； ρ為電壓駐波比；p為空氣大氣壓力（atm）；b為接地板高度（cm）；t為中間簧片厚度；Z0為特性阻抗，50Ω。

通過(guò)式（6）可以看出，要增加矩形同軸傳輸線(xiàn)的傳輸功率，可以增加中間簧片厚度t、接地板之間距離b,減少電壓駐波比，而電壓駐波比ρ由同軸線(xiàn)特性阻抗Z0相關(guān)，而影響矩形同軸線(xiàn)特性阻抗Z0的重要參數為中間簧片厚度t、寬度w和接地板高度b、寬度w′。其相關(guān)尺寸關(guān)系計算時(shí)參照矩形同軸線(xiàn)特性，見(jiàn)表1。

表1矩形同軸線(xiàn)特性

射頻輸入輸出端口均為N型同軸連接器，是圓形同軸傳輸線(xiàn)，截面見(jiàn)圖7，其設計主要是根據同軸傳輸線(xiàn)理論相關(guān)公式（7）、（8）、（9）（10）確定內外導體尺寸。

同軸線(xiàn)的特性阻抗Zc為：

式（7）中：Z0為特性阻抗，50Ω；εr為內外導體間介質(zhì)材料的相對介電常數；μγ為介質(zhì)相對導磁系數，b為外導體內半徑，mm；a為內導體外半徑，mm。

式（8）、（9）、（10）、中：為同軸線(xiàn)傳輸的最高頻率；為同軸線(xiàn)最大傳輸功率；Vm為同軸線(xiàn)行波峰值電壓；c為光速3×108米/秒，；Z0為特性阻抗；Ebr為介質(zhì)擊穿場(chǎng)強。

由式（7），當特性阻抗Z0一定時(shí)， b/a是定值，由式(8)，a、b增加時(shí)，截止頻率降低，由(9)、(10)，a、b增加，最大傳輸功率也增加。由于射頻同軸繼電器隨著(zhù)工作頻率的下降，其傳輸功率上升，所以，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)品較大功率的重要方法，即在滿(mǎn)足產(chǎn)品最高工作頻率時(shí)，為提高功率，應盡量加大b和a的尺寸。

在初步確定相關(guān)尺寸后，進(jìn)行建模，見(jiàn)圖8，采用HFSS軟件對射頻傳輸線(xiàn)進(jìn)行電場(chǎng)仿真驗證，射頻輸入端口輸入350W@8GHz功率信號，電場(chǎng)分布圖見(jiàn)圖9。

該產(chǎn)品中間簧片與接地板最小距離為1.5mm,空氣擊穿場(chǎng)強約為4.5×106V/m，通過(guò)仿真得到的射頻傳輸線(xiàn)最大場(chǎng)強為4.6672×105V/m，完全滿(mǎn)足設計要求，并且產(chǎn)品已經(jīng)多次通過(guò)了耐功率試驗驗證。

三、結論

根據機載產(chǎn)品的特殊要求，通過(guò)封閉式結構及上下放置結構設計、提高了產(chǎn)品耐環(huán)境適應性及抗電磁干擾性能。TTL自關(guān)斷電路設計、自保持結構設計降低產(chǎn)品驅動(dòng)電流及功耗，“平衡旋轉式”電磁系統設計，提高了抗沖擊、振動(dòng)性能，采用射頻大功率設計技術(shù)提高了產(chǎn)品射頻功率傳輸能力。目前該產(chǎn)品通過(guò)鑒定試驗，性能指標完全達到了機載要求，性能穩定并得到了廣泛應用。