機載大功率射頻同軸繼電器設計

隨著科學技術快速發(fā)展，航空航天領域使用的射頻同軸繼電器數量越來越多，對其耐惡劣環(huán)境條件和嚴酷力學條件要求也越來越高。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）驅動電流小、功耗低。可以節(jié)省有限的能源，減少系統發(fā)熱。

2）重量輕。可以提高整機的有效載荷、飛行速度、續(xù)航距離、機動性能。

3）環(huán)境（低溫、高溫、電磁干擾、振動、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品，其觸點形式為單刀雙擲，控制方式為TTL、自保持、自關斷、帶輔助觸點，技術指標完全能夠滿足機載使用，以下對其進行重點介紹。

二、機載大功率射頻同軸繼電器設計

1、技術指標

機載大功率射頻同軸繼電器主要技術指標見表1。產品特點是驅動電流小，功耗低、振動等級高、耐大功率。

2、產品結構及工作原理

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

產品總體結構為長方體，上端部的對外接口是標準的9芯D型連接器低頻接口，其與輔助觸點直接焊接在印制電路板上，電路板、電磁系統通過四個螺桿固定在微波通道腔蓋上。推動系統包括鐵芯內部的兩個塑料推桿、微波通道內與微波簧片相連的兩個推桿以及可以繞軸自由轉動的銜鐵共三部分組成，銜鐵轉動時可以實現輔助簧片與微波傳輸簧片的連動。射頻切換由矩形同軸傳輸線組成，微波傳輸簧片在傳輸線的中間位置，微波通道內的彈簧可以實現微波傳輸簧片的自動復位。在下端部的對外接口是標準的N型射頻連接器。

產品的外罩、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，微波腔體周圍與外罩接觸處裝有矩形密封圈，電路控制、電磁系統、推動系統、射頻切換部分被外罩包裹在一個相對封閉的空間內，防止灰塵、水汽等的進入。

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，通過推動系統完成射頻及輔助觸點同步切換，射頻信號通過射頻接口輸入或輸出，輔助信號通過D型接口輸入或輸出。

3、方案設計

（1）控制電路設計

從節(jié)能及減少線圈發(fā)熱角度出發(fā)，電路控制采用了自保持及RC自關斷的結構形式。為了便于自動控制，設計了輔助觸點及TTL控制方式?？刂齐娐凡糠值?芯D型連接器、電子元器件、輔助觸點焊接在一塊PCB上，電路原理圖見圖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，激勵電壓施加到線圈L1上，線圈L1上有電流通過，并生產電磁力帶動機構動作，射頻開關S1閉合、S2斷開，由于RC沖放電電路，隨著充電的連續(xù)，電容C兩端電壓不斷升高，當完全截止時，線圈L1上電流為零。由于本產品為自保持型，即使線圈L1電流變?yōu)榱銜r，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，只需在D型連接器端子5施加高電平，原理同上。

本項目產品的實際動作時間不大于15ms，為了保證產品可靠動作，線圈中電流的持續(xù)時間應大于25ms，該時間由電容充電時間決定，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時刻電容電壓。

（2）電磁系統設計

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

依據產品應用于機載條件，電磁系統采用了“平衡旋轉式”結構，見圖4，磁路原理見圖5。

HL-磁鋼磁勢；（IW）-線圈通電時產生的磁勢；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。

當線圈在激勵狀態(tài)下，驅動機構的靜態(tài)吸力F為：

φm2、φm1為磁鋼的磁通量，由公式(3)求得：

式（3）中：Hm導磁體中的磁場強度，由磁鋼的去磁曲線求得，lm為磁鋼的長度，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為線圈的磁通量，由公式(4)求得：

式（4）中：N為線圈匝數，I為線圈電流，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軟件進行仿真, 為了提高產品的可靠性，保證在全溫度范圍（-55℃～+85℃）正常工作，實際動作電壓按+85℃時進行設計。由于額定工作電壓范圍24v～32v,為了保證可靠的驅動電流，設計中必須考慮到電磁線圈漆包線銅材料的電阻隨環(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中完成的，矩形同軸傳輸線截面見圖6，在矩形傳輸線中設置中間簧片的通斷切換結構，它的結構特點就是中間簧片位于上下接地板的對稱面上。

矩形同軸傳輸線的傳輸功率，由以下公式決定：

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。

通過式（6）可以看出，要增加矩形同軸傳輸線的傳輸功率，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由同軸線特性阻抗Z0相關，而影響矩形同軸線特性阻抗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′。其相關尺寸關系計算時參照矩形同軸線特性，見表1。

表1矩形同軸線特性

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，截面見圖7，其設計主要是根據同軸傳輸線理論相關公式（7）、（8）、（9）（10）確定內外導體尺寸。

同軸線的特性阻抗Zc為：

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

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

由式（7），當特性阻抗Z0一定時， b/a是定值，由式(8)，a、b增加時，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高，而應略高于其最高工作頻率，這是保證產品較大功率的重要方法，即在滿足產品最高工作頻率時，為提高功率，應盡量加大b和a的尺寸。

在初步確定相關尺寸后，進行建模，見圖8，采用HFSS軟件對射頻傳輸線進行電場仿真驗證，射頻輸入端口輸入350W@8GHz功率信號，電場分布圖見圖9。

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

三、結論

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