機(jī)載大功率射頻同軸繼電器設(shè)計(jì)

孫紹強(qiáng)

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

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研究與設(shè)計(jì)

機(jī)載大功率射頻同軸繼電器設(shè)計(jì)

孫紹強(qiáng)

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

本文簡要介紹了在機(jī)載環(huán)境下射頻同軸繼電器的技術(shù)要求。以單刀雙擲大功率射頻同軸繼電器為例，闡述了機(jī)載射頻同軸繼電器的技術(shù)指標(biāo)及工作原理，并對其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了重點(diǎn)論述。

機(jī)載；大功率；射頻同軸繼電器；設(shè)計(jì)

1 引言

隨著科學(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(shù)量越來越多，對其耐惡劣環(huán)境條件和嚴(yán)酷力學(xué)條件要求也越來越高。和地面應(yīng)用不同，對應(yīng)用于機(jī)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。可以提高整機(jī)的有效載荷、飛行速度、續(xù)航距離、機(jī)動性能。

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

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

我所研制的一款機(jī)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TTL、自保持、自關(guān)斷、帶輔助觸點(diǎn)，技術(shù)指標(biāo)完全能夠滿足機(jī)載使用。以下將對其進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

2 機(jī)載大功率射頻同軸繼電器設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)指標(biāo)

機(jī)載大功率射頻同軸繼電器主要技術(shù)指標(biāo)見表1。產(chǎn)品特點(diǎn)是驅(qū)動電流小，功耗低、振動等級高、耐大功率。

表1 技術(shù)指標(biāo)

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工作原理

機(jī)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(diǎn)切換、D型低頻接口七部分組成。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖見圖1，工作原理框圖見圖2。

圖1 機(jī)載大功率射頻同軸繼電器結(jié)構(gòu)圖

產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)為長方體，上端部的對外接口是標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)通過4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(shí)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(shí)現(xiàn)微波傳輸簧片的自動復(fù)位。在下端部的對外接口是標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入。

機(jī)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(jī)械能，通過推動系統(tǒng)完成射頻及輔助觸點(diǎn)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。

2.3 方案設(shè)計(jì)

2.3.1 控制電路設(shè)計(jì)

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(guān)斷的結(jié)構(gòu)形式。為了便于自動控制，設(shè)計(jì)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(dāng)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(jī)構(gòu)動作，射頻開關(guān)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(dāng)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(jī)構(gòu)并不發(fā)生翻轉(zhuǎn)，仍保持在如圖所示狀態(tài)，當(dāng)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(xiàng)目產(chǎn)品的實(shí)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(yīng)大于25ms，該時間由電容充電時間決定，其理論計(jì)算公式如下：

(1)

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。

2.3.2 電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(diǎn)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?！奥菪苁健彪姶畔到y(tǒng)優(yōu)點(diǎn)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(yīng)用于機(jī)載條件，電磁系統(tǒng)采用了“平衡旋轉(zhuǎn)式”結(jié)構(gòu)，見圖4，磁路原理見圖5。

圖4 平衡旋轉(zhuǎn)式

圖5 磁路原理圖

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(dāng)線圈在激勵狀態(tài)下，驅(qū)動機(jī)構(gòu)的靜態(tài)吸力F為：

(2)

φm2、φm1為磁鋼的磁通量，由公式(3)求得：

(3)

式(3)中，Hm導(dǎo)磁體中的磁場強(qiáng)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(dǎo)系數(shù)，S為極靴面積。

φn為線圈的磁通量，由公式(4)求得：

(4)

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(jì)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)際動作電壓按+85℃時進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)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：

Rt=R20[1+a(t-20)]

(5)

式(5)中，R”20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/℃。

2.3.3 射頻切換及射頻接口設(shè)計(jì)

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(shè)置中間簧片的通斷切換結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是中間簧片位于上下接地板的對稱面上。

圖6 矩形同軸傳輸線截面圖

矩形同軸傳輸線的傳輸功率，由以下公式?jīng)Q定：

(6)

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(guān)，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(guān)尺寸關(guān)系計(jì)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(shè)計(jì)主要是根據(jù)同軸傳輸線理論相關(guān)公式(7)、(8)、(9)(10)確定內(nèi)外導(dǎo)體尺寸。

圖7 圓形同軸傳輸線截面圖

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(dǎo)體間介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)；μγ為介質(zhì)相對導(dǎo)磁系數(shù)，b為外導(dǎo)體內(nèi)半徑，mm；a為內(nèi)導(dǎo)體外半徑，mm。

(8)

(9)

Vm=Ebra1n(b/a)

(10)

式(8)、(9)、(10)、中，fmax為同軸線傳輸?shù)淖罡哳l率；Pmax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(qiáng)。

由式(7)，當(dāng)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(shè)計(jì)過高，而應(yīng)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(yīng)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，見圖8；采用HFSS軟件對射頻傳輸線進(jìn)行電場仿真驗(yàn)證，射頻輸入端口輸入350W@8GHz功率信號，電場分布圖見圖9。

圖8 射頻傳輸線模型

圖9 射頻傳輸線電場仿真模型

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(qiáng)約為4.5×106V/m，通過仿真得到的射頻傳輸線最大場強(qiáng)為4.6672×105V/m，完全滿足設(shè)計(jì)要求，并且產(chǎn)品已經(jīng)多次通過了耐功率試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)論

根據(jù)機(jī)載產(chǎn)品的特殊要求，通過封閉式結(jié)構(gòu)及上下放置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品耐環(huán)境適應(yīng)性及抗電磁干擾性能。TTL自關(guān)斷電路設(shè)計(jì)、自保持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，提高了抗沖擊、振動性能，采用射頻大功率設(shè)計(jì)技術(shù)提高了產(chǎn)品射頻功率傳輸能力。目前，該產(chǎn)品通過鑒定試驗(yàn)，性能指標(biāo)完全達(dá)到了機(jī)載要求，性能穩(wěn)定并得到了廣泛應(yīng)用。

[1] 鄭兆翁編著，《同軸式TEM模通用無源器件》.人民郵電出版社,1983.

[2] 殷連生著.《相控陣?yán)走_(dá)饋線技術(shù)》.國防工業(yè)出版社，2007.12.

[3] 吳項(xiàng)主編.《電工與電子技術(shù)》.高等教育出版社，1994.4.

[4] 賀湘琰主編. 《電器學(xué)》.機(jī)械工業(yè)出版社，2007.1.

2015-10-13

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.002

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