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(shù)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(qū)動電流小、功耗低?？梢怨?jié)省有限的能源，減少系統(tǒng)發(fā)熱。

2）重量輕?？梢蕴岣哒麢C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(chǎn)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(chǎn)品特點是驅(qū)動電流小，功耗低、振動等級高、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(tǒng)、推動系統(tǒng)、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(chǎn)品結構圖見圖1，工作原理框圖見圖2。

產(chǎn)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(tǒng)通過四個螺桿固定在微波通道腔蓋上。推動系統(tǒng)包括鐵芯內(nèi)部的兩個塑料推桿、微波通道內(nèi)與微波簧片相連的兩個推桿以及可以繞軸自由轉(zhuǎn)動的銜鐵共三部分組成，銜鐵轉(zhuǎn)動時可以實現(xiàn)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(nèi)的彈簧可以實現(xiàn)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(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，外罩表面通過氧化處理有效防止鹽霧腐蝕。電路控制、電磁系統(tǒng)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(tǒng)、推動系統(tǒng)、射頻切換部分被外罩包裹在一個相對封閉的空間內(nèi)，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(tǒng)，電磁系統(tǒng)的作用是把電能轉(zhuǎn)換為機械能，通過推動系統(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)，仍保持在如圖所示狀態(tài)，當需要發(fā)生翻轉(zhuǎn)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(chǎn)品的實際動作時間不大于15ms，為了保證產(chǎn)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(tǒng)設計

射頻同軸繼電器類產(chǎn)品中，用電磁力驅(qū)動是普遍的方法，通常電磁系統(tǒng)采用的類型主要是“平衡旋轉(zhuǎn)式”和“螺旋管式”。“平衡旋轉(zhuǎn)式”電磁系統(tǒng)其優(yōu)點是轉(zhuǎn)軸兩端銜鐵部分質(zhì)量相對平衡，對轉(zhuǎn)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(tǒng)優(yōu)點是磁的利用率較高，磁路系統(tǒng)的漏磁小，鐵芯的行程較大。

依據(jù)產(chǎn)品應用于機載條件，電磁系統(tǒng)采用了“平衡旋轉(zhuǎn)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(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。

當線圈在激勵狀態(tài)下，驅(qū)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(shù)，Rδ為氣隙磁阻，μ0為真空磁導系數(shù)，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(shù)，I為線圈電流，Rm為磁路磁阻。

電磁系統(tǒng)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(chǎn)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(qū)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(shù)，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?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(shù)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(jù)同軸傳輸線理論相關公式（7）、（8）、（9）（10）確定內(nèi)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(nèi)外導體間介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)；μγ為介質(zhì)相對導磁系數(shù)，b為外導體內(nèi)半徑，mm；a為內(nèi)導體外半徑，mm。

式（8）、（9）、（10）、中：為同軸線傳輸?shù)淖罡哳l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(zhì)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(chǎn)品較大功率的重要方法，即在滿足產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品已經(jīng)多次通過了耐功率試驗驗證。

三、結論

根據(jù)機載產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品驅(qū)動電流及功耗，“平衡旋轉(zhuǎn)式”電磁系統(tǒng)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(chǎn)品射頻功率傳輸能力。目前該產(chǎn)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。