射頻同軸繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

射頻同軸繼電器(微波開關(guān))是一種通過電磁驅(qū)動的機(jī)械方式切換射頻信號通道的機(jī)電元件，主要用于雷達(dá)、電子對抗、偵察、電子干擾、電子防御、全球通訊衛(wèi)星、軍用通訊、測量儀器等武器裝備系統(tǒng)中。射頻同軸繼電器具有隔離度高、插入損耗小、可傳輸大功率射頻信號等優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)對載荷系統(tǒng)起主備份、環(huán)備份或信號通道的選擇等作用，可以增強(qiáng)有效載荷的整體可靠性，提升系統(tǒng)功能組合的靈活性，使得雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通訊和高端設(shè)備儀器等領(lǐng)域發(fā)生根本性變革。

射頻同軸繼電器在國外發(fā)展較早，國外在20世紀(jì)40年代已經(jīng)形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。而我國于2005年后才開始設(shè)計研發(fā)，在最近十年左右的時間內(nèi)得到快速發(fā)展，現(xiàn)在各品種已經(jīng)相對齊全。

射頻同軸繼電器按射頻觸點(diǎn)形式可以分為單刀雙擲、雙刀雙擲、雙刀三擲(T型)和單刀多擲(單刀三擲以上)。每種結(jié)構(gòu)均可以做成磁保持和常開型兩種類型產(chǎn)品。

射頻同軸繼電器主要是由低頻接線端子、電路控制結(jié)構(gòu)、遙測指示端、電磁系統(tǒng)、推動系統(tǒng)、射頻切換系統(tǒng)和射頻接口組成。圖1是某型號射頻同軸繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖1 射頻同軸繼電器裝配圖(去外罩)

2 射頻同軸繼電器各結(jié)構(gòu)設(shè)計介紹

2.1 低頻接線端子

常見的射頻同軸繼電器低頻接線端子有三種形式，分別是采用各種連接器、玻璃燒接引線端子和采用聚四氟乙烯作為絕緣的引線端子。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。采用連接器接線端子用戶使用較方便，利用標(biāo)準(zhǔn)接口低頻連接器進(jìn)行插拔拆裝，缺點(diǎn)是射頻同軸繼電器高度較高，產(chǎn)品安裝空間要求較大。后兩種低頻接線端子優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品體積較小，產(chǎn)品安裝空間相對較小，缺點(diǎn)就是需要焊接接線，拆裝不方便。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 各種低頻接線端子

這些低頻接線端子與電磁系統(tǒng)連接有兩種方式，一種方式是通過印制板，與電磁系統(tǒng)線圈引線連接；另一種方式是通過引線將低頻接線端子直接與電磁系統(tǒng)線圈引線焊接。

2.2 電路控制結(jié)構(gòu)

射頻繼電器電路控制結(jié)構(gòu)是根據(jù)用戶實(shí)際使用的需要而設(shè)計，以單刀雙擲產(chǎn)品為例來列舉射頻繼電器電路控制的種類。

1)線圈直接加電，無抑制二極管，電路圖如圖3所示，目前這種方式應(yīng)用較少。因?yàn)榫€圈是一種電感，在線圈電壓關(guān)斷時會產(chǎn)生較高的反向峰值電壓，控制線圈電源存在被損壞的風(fēng)險。

圖3 線圈直接加電電路圖

2)線圈兩端加反向抑制二極管，電路圖如圖4所示。此類電路控制結(jié)構(gòu)可以對控制電源進(jìn)行保護(hù)，是射頻同軸繼電器常用的方法。

圖4 帶抑制二極管電路圖

3)TTL控制電路圖，如圖5所示。此類電路結(jié)構(gòu)可以通過低電壓信號來控制高電壓信號，實(shí)現(xiàn)對電磁線圈的控制。目前也是比較常用的方法。

圖5 TTL控制電路圖

4)自關(guān)斷電路圖如圖6所示。此類電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省整機(jī)的電源功耗，這在某些系統(tǒng)中，尤其是衛(wèi)星上應(yīng)用是很有必要的；同時，產(chǎn)品電路控制系統(tǒng)功耗小，產(chǎn)品本身溫升較低，可以提高產(chǎn)品可靠性。磁保持結(jié)構(gòu)射頻同軸繼電器建議采用此電路圖。

圖6 自關(guān)斷電路圖

5)帶有TTL控制的自關(guān)斷電路圖，如圖7所示。此類電路結(jié)構(gòu)是整合上述兩種優(yōu)點(diǎn)而進(jìn)行應(yīng)用的。也建議用戶采用此電路設(shè)計。

圖7 自關(guān)斷與TTL控制電路圖

6)以上每種電路圖根據(jù)用戶的需要可以加上遙測指示，以自關(guān)斷電路為例，其電路圖如圖8所示。遙測指示在有些使用場合是必須有的。例如，衛(wèi)星上使用射頻同軸繼電器都必須有遙測指示端，可以方便故障排查，起到對衛(wèi)星系統(tǒng)的保護(hù)作用。

圖8 帶遙測指示電路圖

2.3 遙測指示端

射頻繼電器遙測指示端的作用，一方面是為了反饋射頻通道是否在工作的一種指示，另一方面顯示射頻繼電器通道的位置。目的在于辨認(rèn)射頻信號傳輸路徑正確與否，防止誤操作，造成功率信號反射損壞設(shè)備。

目前遙測指示端設(shè)計結(jié)構(gòu)有三種，如圖9所示。第一種是簧片與觸點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)在單刀雙擲中比較常用，并且可以較好的反映出射頻通道動作情況，其缺點(diǎn)在于產(chǎn)品是非密封性結(jié)構(gòu)，觸點(diǎn)表面容易被污染。第二種利用舌簧管作為觸點(diǎn)，其驅(qū)動線圈與對應(yīng)的主通道線圈采用并聯(lián)工作的方式，通過線圈對舌簧管驅(qū)動實(shí)現(xiàn)指示狀態(tài)，此結(jié)構(gòu)在單刀多擲中較常用，優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，缺點(diǎn)是不能直接反應(yīng)出射頻通道是否動作，只表明電磁系統(tǒng)已經(jīng)施加額定電壓；第三種同樣利用舌簧管作觸點(diǎn)，通過永磁體進(jìn)行驅(qū)動，此種結(jié)構(gòu)在雙刀三擲中較常用，該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是觸點(diǎn)可靠性高，同樣能反映出射頻通道動作情況，缺點(diǎn)是此產(chǎn)品設(shè)計時舌簧管安裝位置要求較高，以便永磁體對其進(jìn)行驅(qū)動。

圖9 遙測指示端結(jié)構(gòu)

2.4 電磁系統(tǒng)

射頻繼電器電磁系統(tǒng)是控制射頻通道可靠動作的核心部組件，對射頻繼電器的可靠性起決定性作用。目前電磁系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)有三種，包括橋式平衡力結(jié)構(gòu)、螺管式結(jié)構(gòu)、磁鋼嵌入式螺管結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)如圖10所示。橋式平衡力結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是抗振動水平較高，缺點(diǎn)是漏磁較多，單刀雙擲結(jié)構(gòu)多采用此結(jié)構(gòu)；螺管式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是磁路完全閉合，漏磁較小，可以做大行程產(chǎn)品，缺點(diǎn)是抗振動水平較低，單刀多擲結(jié)構(gòu)或大功率產(chǎn)品多采用此結(jié)構(gòu)；磁鋼嵌入式螺管結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是具備螺管式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，同時還可以實(shí)現(xiàn)磁保持結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可以使用在單刀雙擲或單刀多擲等結(jié)構(gòu)中。

2.5 推動系統(tǒng)

推動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由電磁系統(tǒng)決定，它的作用是讓電磁力傳導(dǎo)到射頻切換系統(tǒng)中。常見結(jié)構(gòu)有兩種，一種是平衡銜鐵式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)適合于橋式平衡力結(jié)構(gòu)和磁鋼嵌入式螺管結(jié)構(gòu)；另一種是電磁力驅(qū)動鐵芯直接推動射頻切換系統(tǒng)，此結(jié)構(gòu)適合于螺管式結(jié)構(gòu)和磁鋼嵌入式螺管結(jié)構(gòu)。

圖10 電磁系統(tǒng)三種結(jié)構(gòu)

2.6 射頻切換系統(tǒng)

射頻切換系統(tǒng)主要包括內(nèi)導(dǎo)體、射頻簧片、推桿和微波腔體等。其作用是傳輸射頻信號，對射頻指標(biāo)性能的優(yōu)劣起決定性作用。常見微波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有單刀雙擲、雙刀雙擲、雙刀三擲和單刀多擲(3擲以上)，如圖11所示。另外，還有一種射頻繼電器切換系統(tǒng)內(nèi)置1W左右負(fù)載，目的是為電源或輸入保留正確的阻抗，保證未使用的路徑不會因?yàn)樾盘柗瓷溥^大而對系統(tǒng)造成影響，此種結(jié)構(gòu)常用在小功率信號的產(chǎn)品，產(chǎn)品實(shí)物圖如圖12所示。

圖11 射頻切換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖12 內(nèi)置負(fù)載射頻同軸繼電器

2.7 射頻接口

射頻繼電器的射頻接口根據(jù)用戶使用的需要以及頻率和功率的要求，可以有多種接口的選擇，目前常規(guī)的主要有1.85、2.4、2.92、SMA(3.5)、TNC、N、SC和L29等接口，其接口特性阻抗均為50Ω，界面尺寸符合《GJB5246A-2018射頻連接器界面》要求。

目前隨著射頻傳輸系統(tǒng)小型化的需求和技術(shù)發(fā)展趨勢，射頻繼電器射頻接口向著便于集成化的表面貼裝式方向發(fā)展，如圖13所示。該射頻接口分別是引針式(高頻端子)和微帶結(jié)構(gòu)(共面波導(dǎo))，使用時通過SMT焊接在PCB板上。

圖13 適合SMT工藝的射頻接口

3 結(jié)論

本文對射頻繼電器(微波開關(guān))結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性的介紹，包括各部組件的幾種常見設(shè)計結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的應(yīng)用場合，并且對各結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)做了簡要的分析。這不僅對從事射頻繼電器研發(fā)人員有一定參考價值，也對射頻繼電器的選購具有一定指導(dǎo)意義。