电子产品世界

摘要：本文介绍了工作频率为18GHz、低温、低气压下传输功率为100W的N型射频同轴继电器设计方法，简单介绍了产品的技术指标和工作原理，重点阐述了产品结构、TTL电路控制系统、电磁系统和射频传输切换系统的设计。

引言

　　为了提升我国战机电子对抗系统的功率，满足我国军事装备的国产化要求，我所研制了一款单刀三掷N型射频同轴继电器(以下简称继电器)，其触点形式为单刀三掷，控制方式为TTL、自复位、带辅助触点，控制电路接口为9芯D型连接器，射频接口为N型连接器。该产品特点是工作频率达到18GHz，同时在低温、低气压(-55℃、7.5kPa)环境下射频传输功率为100W@18GHz。本文旨在介绍继电器的技术指标、工作原理、结构设计、电路设计、电磁系统设计以及射频传输切换系统的设计。

1 单刀三掷射频同轴继电器设计

1.1 技术指标

　　继电器主要技术指标见表1。

1.2 产品结构

　　继电器外形为圆柱体，最大外形尺寸为φ77mm×88.5mm，腔体底部开有3×M4安装孔，通过螺钉与面板安装在一起。继电器主要由射频接口、射频传输、推动系统、电磁系统和电路控制五大部分组成，继电器结构见图1。

1.3 方案设计

1.3.1 控制电路设计

　　继电器选用TTL电路，有三路射频通道，通道的切换是由三组电磁系统控制，三路通道都为常开。图2是电路图以及D型连接器各端子功能。

1.3.2 电磁系统设计

　　根据该产品的工作方式和抗振性能的要求，将此产品设计成平衡旋转式电磁系统。其磁路结构见图3。

　　其工作原理为：当线圈中没有通过电流时，由于弹簧的反力加上磁钢的吸力，衔铁保持在原吸合位置，见图3;当线圈中通过如图3所示电流时，在右工作气隙处线圈的磁通Φn与永久磁钢的磁通Φm1相加，导致磁力相加;而左工作气隙处线圈的磁通Φn与永久磁钢的磁通Φm2相减，导致磁力相减，所以衔铁克服弹簧反力被吸到右磁极面，衔铁带动传动机构使射频部分簧片与内导体接触，完成产品动作过程，反之，当线圈电流减小时，衔铁被产品机械反力推向左磁极面，衔铁带动传动机构，使射频部分簧片与内导体分离，完成产品的释放过程。

　　该磁路系统有以下几个特点：

　　(1)磁钢保持力比较大，而且采用平衡力结构，开关能承受较高的振动、冲击;

　　(2)由于永磁场的相助，该类型的传动机构动作灵敏度较高，而且由于衔铁动作所需磁通量较小，衔铁截面积可以较小，使开关小型化较容易实现，并且动作速度较快，能满足开关时间的要求;

　　(3)衔铁动程也可以做得较大，适宜于大功率的开关。

　　电磁系统的结构形式确定后，再进行电磁系统各零件的设计，根据产品要求的结构尺寸、工作温度范围、线圈工作电压及电流、线圈吸合电压及释放电压、开关时间、触点压力和行程、寿命、冲击和振动等综合因素进行设计，通过Ansoft Maxwell软件进行仿真，得出最佳方案。

1.3.3 推动系统设计

　　推动系统结构如图4所示， 驱动射频簧片的推杆由两部分组成，设计成接插结构，把簧片夹持住，弹簧套在腔体内的下推杆上，并由腔体端面的螺钉调节。弹簧的反力与电磁系统施予推杆的力，是两个关键的力，必须保证触点闭合时，接触压力为一合适值，以确保触点接触的可靠性。接触压力越大，继电器在闭合的过程中两个触点面相碰撞产生的碎屑越多，传动机构运动件间的摩擦产生污物碎屑也越多，这些污物碎屑在触点闭合时就容易产生开路，影响可靠性，同时也减少了产品的寿命;接触压力越小，虽然会减少污物碎屑的产生，但是会增加插入损耗，容易引起接触不良，影响其可靠性。

1.3.4 射频传输系统的设计

　　a)N型连接器结构设计

　　本产品N型连接器要求工作频率达到18GHz，功率达到100W。N型连接器应符合《GJB 5246-2004 射频连接器界面》。

　　N型连接器的特性阻抗是由内、外导体的尺寸及其介电常数决定的，根据已知的特性阻抗(Zc=50Ω)和国家军队标界面要求，按下式计算其尺寸。

(1)

　　式中：d为内导体直径，D为外导体内径，εr 为介质的相对介电系数，其中内导体与外导体间的介质为聚四氟乙烯。Zc为50Ω，由公式(1)可以初步确定连接器的尺寸d=3.04mm，D=7mm，εr =1。

　　同时，绝缘子的设计还决定了连接器的截止频率，连接器的截止频率fc与绝缘子的尺寸及介电常数的关系如下式：

(2)

　　其中，C0≈300000 km/s;λc：波长，mm;

　　根据该式对设计尺寸D和d进行验算，若f大于最高工作频率，则满足设计要求;若f小于最高工作频率，需重新设计。

　　经过理论计算，fc=19GHz，现实中一般降额10%~15%。所以技术指标要求18 GHz已达到临界值。

　　材料上，外导体采用不锈钢，内导体采用铍青铜，绝缘介质材料采用聚四氟乙烯;设计上，以降低插入损耗和驻波比为目标，合理设计连接器尺寸，关键在于介质支撑的设计;介质支撑处，由于介质的加载以及内外导体尺寸上的突变，容易激起非传输性高次模，从而使同轴连接器指标恶化。为此，我们通过在介质支撑处两侧挖槽的方法降低其有效介电常数，对由于尺寸不连续而引起的电容效应进行共面补偿。

　　b)切换组件设计

　　切换组件包括腔体、腔盖、簧片、靠柱和推杆等。

　　本产品中的射频系统需要进行通断切换，我们采用矩形同轴传输线，在矩形同轴传输线中设置内导体的通断切换结构。矩形同轴传输线的外导体是腔体和腔盖，内导体是簧片。设计原则是：矩形同轴传输线的外宽边尺寸，尽量接近于输入输出射频连接器连接空气介质时的外导体内径，其特性阻抗在轴向与射频连接器保持一致。

　　矩形同轴传输线中的内导体要进行通断切换，需要非金属材料的推杆带动其运动，为了保证射频指标的重复性，还要有非金属材料件靠柱的支撑。由于在矩形同轴传输线通道内安置了这些非金属材料零件，使射频指标不断恶化，所以我们还采用HFSS仿真软件进行优化。

　　设计了输入输出连接器和矩形传输线后，需要确定射频同轴继电器切换结构。本项目的射频簧片与连接器公共端接触部分设计成梯形结构，便于多个射频簧片与公共端搭接，射频簧片另一端设计成半圆结构，实现了圆形同轴线到矩形同轴线的完美过度。内导体端面采用环形结构。另外，为了提高射频指标，我们在切换端面挖孔进行补偿。

　　本产品要求射频簧片的动作寿命为20万次。20万次的射频簧片对内导体的拍打，对内导体的表面硬度要求较高，我们采用铍青铜加工内导体并进行时效处理，表面镀硬金，提高接触可靠性和产品寿命。另外，从热分析的角度上来讲，推杆部位的射频簧片温度较高，可能烧坏推杆，引起失效，所以尽量选用耐高温的材料。推杆我们采用射频特性好且耐高温的聚四氟乙烯材料加工，这样保证了产品能够传输较大的功率，满足其功率指标要求。

　　C)低温低气压射频大功率设计

　　从国外所有公司射频同轴继电器的功率曲线上可以看出，产品随着工作频率的上升，其传输功率是按比例下降的，所以，在进行射频同轴继电器的设计时，其截止频率不宜设计过高，而应略高于其最高工作频率，这是保证产品具有较大功率的重要方法，这与同轴传输的最大功率容量公式是一致的：

　　其中：V_max为同轴线最大击穿电压;Z₀为特性阻抗;D为外导体的内径;d为内导体的外径;E_br为介质的击穿场强。

　　当特性阻抗一定时，Z₀和D/d是定值，当截止频率变低时，由(2)式可知，d变大;所以由以上公式可知，P_max也变大。也就是说，在满足产品最高工作频率时，为提高功率，应尽量加大D和d的尺寸。

　　连接器的最大传输功率容量，由以下公式决定：

(5)

　　其中，E_br为介质的击穿场强、f_max为最高工作频率(Hz)。

　　相对于空气介质E_br=3×10⁶V/m，我们选用聚四氟乙烯 E_br=12×10⁶V/m作为介质支撑材料，能够传输更大的功率。

　　另外，同轴线的电压驻波比(VSWR)为S时，传输线的传输功率为：

(6)

　　工作温度在-55℃～+85℃范围内最大平均功率的降额系数为0.38;在18000m海拔高度中，平均功率的降额系数为0.66。经过理论计算，能够满足本项目功率指标要求。

2 结论

　　由于结构设计合理、材料选择正确，使得此N型射频继电器频率达到18GHz，在低温、低气压(-55℃、7.5kPa)的环境条件下，能够传输射频功率为100W，该产品的研制成功，进一步提升了我国战机电子对抗系统的功率，为我国的国防事业做出了重要贡献。

参考文献：

　　[1]廖承恩.微波技术基础[M].西安.西安电子科技大学出版社,2005.

　　[2]刘青立.射频同轴继电器原理、结构及应用[J].机电元件,2009,2.

　　[3]刘青立.单刀双掷N型射频同轴继电器的设计[J].机电元件,2010,1.

本文来源于中国科技期刊必威娱乐平台 2016年第9期第65页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： N型射频继电器 18GHz 低温低气压 大功率 201610