一種單刀三擲射頻同軸繼電器的設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)單介紹了產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和工作原理，重點(diǎn)闡述了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、TTL電路控制系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)和射頻傳輸切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

引言

　　為了提升我國(guó)戰(zhàn)機(jī)電子對(duì)抗系統(tǒng)的功率，滿足我國(guó)軍事裝備的國(guó)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)稱繼電器)，其觸點(diǎn)形式為單刀三擲，控制方式為T(mén)TL、自復(fù)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(dá)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(biāo)、工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及射頻傳輸切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 單刀三擲射頻同軸繼電器設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)指標(biāo)

　　繼電器主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

　　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(tǒng)、電磁系統(tǒng)和電路控制五大部分組成，繼電器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1.3 方案設(shè)計(jì)

1.3.1 控制電路設(shè)計(jì)

　　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(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)該產(chǎn)品的工作方式和抗振性能的要求，將此產(chǎn)品設(shè)計(jì)成平衡旋轉(zhuǎn)式電磁系統(tǒng)。其磁路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

　　其工作原理為：當(dāng)線圈中沒(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(dāng)線圈中通過(guò)如圖3所示電流時(shí)，在右工作氣隙處線圈的磁通Φn與永久磁鋼的磁通Φm1相加，導(dǎo)致磁力相加;而左工作氣隙處線圈的磁通Φn與永久磁鋼的磁通Φm2相減，導(dǎo)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(jī)構(gòu)使射頻部分簧片與內(nèi)導(dǎo)體接觸，完成產(chǎn)品動(dòng)作過(guò)程，反之，當(dāng)線圈電流減小時(shí)，銜鐵被產(chǎn)品機(jī)械反力推向左磁極面，銜鐵帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使射頻部分簧片與內(nèi)導(dǎo)體分離，完成產(chǎn)品的釋放過(guò)程。

　　該磁路系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，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，該類型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(xiàn)，并且動(dòng)作速度較快，能滿足開(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(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式確定后，再進(jìn)行電磁系統(tǒng)各零件的設(shè)計(jì)，根據(jù)產(chǎn)品要求的結(jié)構(gòu)尺寸、工作溫度范圍、線圈工作電壓及電流、線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(shè)計(jì)，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(tǒng)設(shè)計(jì)

　　推動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示， 驅(qū)動(dòng)射頻簧片的推桿由兩部分組成，設(shè)計(jì)成接插結(jié)構(gòu)，把簧片夾持住，彈簧套在腔體內(nèi)的下推桿上，并由腔體端面的螺釘調(diào)節(jié)。彈簧的反力與電磁系統(tǒng)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(jī)構(gòu)運(yùn)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(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　a)N型連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本產(chǎn)品N型連接器要求工作頻率達(dá)到18GHz，功率達(dá)到100W。N型連接器應(yīng)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(nèi)、外導(dǎo)體的尺寸及其介電常數(shù)決定的，根據(jù)已知的特性阻抗(Zc=50Ω)和國(guó)家軍隊(duì)標(biāo)界面要求，按下式計(jì)算其尺寸。

(1)

　　式中：d為內(nèi)導(dǎo)體直徑，D為外導(dǎo)體內(nèi)徑，εr 為介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，其中內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)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(shè)計(jì)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(shù)的關(guān)系如下式：

(2)

　　其中，C0≈300000 km/s;λc：波長(zhǎng)，mm;

　　根據(jù)該式對(duì)設(shè)計(jì)尺寸D和d進(jìn)行驗(yàn)算，若f大于最高工作頻率，則滿足設(shè)計(jì)要求;若f小于最高工作頻率，需重新設(shè)計(jì)。

　　經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，fc=19GHz，現(xiàn)實(shí)中一般降額10%~15%。所以技術(shù)指標(biāo)要求18 GHz已達(dá)到臨界值。

　　材料上，外導(dǎo)體采用不銹鋼，內(nèi)導(dǎo)體采用鈹青銅，絕緣介質(zhì)材料采用聚四氟乙烯;設(shè)計(jì)上，以降低插入損耗和駐波比為目標(biāo)，合理設(shè)計(jì)連接器尺寸，關(guān)鍵在于介質(zhì)支撐的設(shè)計(jì);介質(zhì)支撐處，由于介質(zhì)的加載以及內(nèi)外導(dǎo)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(biāo)惡化。為此，我們通過(guò)在介質(zhì)支撐處兩側(cè)挖槽的方法降低其有效介電常數(shù)，對(duì)由于尺寸不連續(xù)而引起的電容效應(yīng)進(jìn)行共面補(bǔ)償。

　　b)切換組件設(shè)計(jì)

　　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(tǒng)需要進(jìn)行通斷切換，我們采用矩形同軸傳輸線，在矩形同軸傳輸線中設(shè)置內(nèi)導(dǎo)體的通斷切換結(jié)構(gòu)。矩形同軸傳輸線的外導(dǎo)體是腔體和腔蓋，內(nèi)導(dǎo)體是簧片。設(shè)計(jì)原則是：矩形同軸傳輸線的外寬邊尺寸，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(dǎo)體內(nèi)徑，其特性阻抗在軸向與射頻連接器保持一致。

　　矩形同軸傳輸線中的內(nèi)導(dǎo)體要進(jìn)行通斷切換，需要非金屬材料的推桿帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，為了保證射頻指標(biāo)的重復(fù)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通道內(nèi)安置了這些非金屬材料零件，使射頻指標(biāo)不斷惡化，所以我們還采用HFSS仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化。

　　設(shè)計(jì)了輸入輸出連接器和矩形傳輸線后，需要確定射頻同軸繼電器切換結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目的射頻簧片與連接器公共端接觸部分設(shè)計(jì)成梯形結(jié)構(gòu)，便于多個(gè)射頻簧片與公共端搭接，射頻簧片另一端設(shè)計(jì)成半圓結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了圓形同軸線到矩形同軸線的完美過(guò)度。內(nèi)導(dǎo)體端面采用環(huán)形結(jié)構(gòu)。另外，為了提高射頻指標(biāo)，我們?cè)谇袚Q端面挖孔進(jìn)行補(bǔ)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(duì)內(nèi)導(dǎo)體的拍打，對(duì)內(nèi)導(dǎo)體的表面硬度要求較高，我們采用鈹青銅加工內(nèi)導(dǎo)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，滿足其功率指標(biāo)要求。

　　C)低溫低氣壓射頻大功率設(shè)計(jì)

　　從國(guó)外所有公司射頻同軸繼電器的功率曲線上可以看出，產(chǎn)品隨著工作頻率的上升，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(shè)計(jì)時(shí)，其截止頻率不宜設(shè)計(jì)過(guò)高，而應(yīng)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?shù)淖畲蠊β嗜萘抗绞且恢碌模?/p>

　　其中：V_max為同軸線最大擊穿電壓;Z₀為特性阻抗;D為外導(dǎo)體的內(nèi)徑;d為內(nèi)導(dǎo)體的外徑;E_br為介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

　　當(dāng)特性阻抗一定時(shí)，Z₀和D/d是定值，當(dāng)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)，在滿足產(chǎn)品最高工作頻率時(shí)，為提高功率，應(yīng)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(qiáng)、f_max為最高工作頻率(Hz)。

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

(6)

　　工作溫度在-55℃～+85℃范圍內(nèi)最大平均功率的降額系數(shù)為0.38;在18000m海拔高度中，平均功率的降額系數(shù)為0.66。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，能夠滿足本項(xiàng)目功率指標(biāo)要求。

2 結(jié)論

　　由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、材料選擇正確，使得此N型射頻繼電器頻率達(dá)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(guó)戰(zhàn)機(jī)電子對(duì)抗系統(tǒng)的功率，為我國(guó)的國(guó)防事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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本文來(lái)源于中國(guó)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。