2021年10月20日 | 机载大功率射频同轴继电器的工作原理及设计方案分析

一、引 言

随着科学技术快速发展，航空航天领域使用的射频同轴继电器数量越来越多，对其耐恶劣环境条件和严酷力学条件要求也越来越高。和地面应用不同，对应用于机载的大功率射频同轴继电器有许多特殊要求：

1）驱动电流小、功耗低。可以节省有限的能源，减少系统发热。

2）重量轻。可以提高整机的有效载荷、飞行速度、续航距离、机动性能。

3）环境（低温、高温、电磁干扰、振动、低气压）适应能力强。

4）大功率。功率直接决定了机载或地面雷达的探测距离和探测精度，功率越大探测的距离越远且越精确。

我所研制的一款机载大功率射频同轴继电器产品，其触点形式为单刀双掷，控制方式为TTL、自保持、自关断、带辅助触点，技术指标完全能够满足机载使用，以下对其进行重点介绍。

二、机载大功率射频同轴继电器设计

1、技术指标

机载大功率射频同轴继电器主要技术指标见表1。产品特点是驱动电流小，功耗低、振动等级高、耐大功率。

表1技术指标

2、产品结构及工作原理

机载大功率射频同轴继电器主要由电路控制、电磁系统、推动系统、射频切换、射频接口、辅助触点切换、D型低频接口七部分组成。产品结构图见图1，工作原理框图见图2。

图1 机载大功率射频同轴继电器结构图

产品总体结构为长方体，上端部的对外接口是标准的9芯D型连接器低频接口，其与辅助触点直接焊接在印制电路板上，电路板、电磁系统通过四个螺杆固定在微波通道腔盖上。推动系统包括铁芯内部的两个塑料推杆、微波通道内与微波簧片相连的两个推杆以及可以绕轴自由转动的衔铁共三部分组成，衔铁转动时可以实现辅助簧片与微波传输簧片的连动。射频切换由矩形同轴传输线组成，微波传输簧片在传输线的中间位置，微波通道内的弹簧可以实现微波传输簧片的自动复位。在下端部的对外接口是标准的N型射频连接器。

产品的外罩、微波腔体、腔盖均使用铝合金材料，可以大大减轻自重，外罩表面通过氧化处理有效防止盐雾腐蚀。电路控制、电磁系统及射频部分上下放置，防止相互之间电磁干扰。D型连接器低频接口与外罩接触处装有密封垫，微波腔体周围与外罩接触处装有矩形密封圈，电路控制、电磁系统、推动系统、射频切换部分被外罩包裹在一个相对封闭的空间内，防止灰尘、水汽等的进入。

机载大功率射频同轴继电器工作原理是：D型连接器低频接口接电源，额定工作电压通过电路控制部分施加到电磁系统，电磁系统的作用是把电能转换为机械能，通过推动系统完成射频及辅助触点同步切换，射频信号通过射频接口输入或输出，辅助信号通过D型接口输入或输出。

图2 机载大功率射频同轴继电器功能框图

3、方案设计

（1）控制电路设计

从节能及减少线圈发热角度出发，电路控制采用了自保持及RC自关断的结构形式。为了便于自动控制，设计了辅助触点及TTL控制方式。控制电路部分的9芯D型连接器、电子元器件、辅助触点焊接在一块PCB上，电路原理图见图3。

图3 控制电路原理图

D型连接器1、2端子施加28Vd.c.激励电压，当端子4为高电平时，激励电压施加到线圈L1上，线圈L1上有电流通过，并生产电磁力带动机构动作，射频开关S1闭合、S2断开，由于RC冲放电电路，随着充电的连续，电容C两端电压不断升高，当完全截止时，线圈L1上电流为零。由于本产品为自保持型，即使线圈L1电流变为零时，机构并不发生翻转，仍保持在如图所示状态，当需要发生翻转时，只需在D型连接器端子5施加高电平，原理同上。

本项目产品的实际动作时间不大于15ms，为了保证产品可靠动作，线圈中电流的持续时间应大于25ms，该时间由电容充电时间决定，其理论计算公式如下：

05（暂缺）

式（1）中：C为充电电容，R为充电回路电阻，V为电容终电压，V0为电容初始电压，Vt为t时刻电容电压。

（2）电磁系统设计

射频同轴继电器类产品中，用电磁力驱动是普遍的方法，通常电磁系统采用的类型主要是“平衡旋转式”和“螺旋管式”。“平衡旋转式”电磁系统其优点是转轴两端衔铁部分质量相对平衡，对转轴的总力矩为“零”，可以耐较高的冲击、振动，以保证恶劣环境下的可靠性。“螺旋管式”电磁系统优点是磁的利用率较高，磁路系统的漏磁小，铁芯的行程较大。

依据产品应用于机载条件，电磁系统采用了“平衡旋转式”结构，见图4，磁路原理见图5。

图4 平衡旋转式

图5 磁路原理图

HL-磁钢磁势；（IW）-线圈通电时产生的磁势；R钢-磁钢磁阻； R芯-铁芯磁阻； R轭-轭铁磁阻；R衔-衔铁磁阻；Rδx-磁钢与衔铁间气隙磁阻； Rδ1-衔铁在左回路中气隙磁阻；Rδ2-衔铁在右回路中气隙磁阻。

当线圈在激励状态下，驱动机构的静态吸力F为：

φm2、φm1为磁钢的磁通量，由公式（3）求得：

式（3）中：Hm导磁体中的磁场强度，由磁钢的去磁曲线求得，lm为磁钢的长度，k1为修正系数，Rδ为气隙磁阻，μ0为真空磁导系数，S为极靴面积。

φn为线圈的磁通量，由公式（4）求得：

式（4）中：N为线圈匝数，I为线圈电流，Rm为磁路磁阻。

电磁系统的电磁吸力计算比较烦琐，通常使用Ansoft Maxwell软件进行仿真， 为了提高产品的可靠性，保证在全温度范围（-55℃～+85℃）正常工作，实际动作电压按+85℃时进行设计。由于额定工作电压范围24v～32v，为了保证可靠的驱动电流，设计中必须考虑到电磁线圈漆包线铜材料的电阻随环境温度变化的趋势，由公式（5）确定：

11（暂缺）

式（5）中：R20为20℃的电阻值；Rt为在t温度范围下测量的电阻值；t为测量的环境温度；α为电阻温度系数，单位1/℃。

（3）射频切换及射频接口设计

射频切换是在矩形同轴传输线中完成的，矩形同轴传输线截面见图6，在矩形传输线中设置中间簧片的通断切换结构，它的结构特点就是中间簧片位于上下接地板的对称面上。

图6 矩形同轴传输线截面图

矩形同轴传输线的传输功率，由以下公式决定：

13（暂缺）

式（6）中：Pmax为最大峰值的击穿功率（KW）； ρ为电压驻波比；p为空气大气压力（atm）；b为接地板高度（cm）；t为中间簧片厚度；Z0为特性阻抗，50Ω。

通过式（6）可以看出，要增加矩形同轴传输线的传输功率，可以增加中间簧片厚度t、接地板之间距离b，减少电压驻波比，而电压驻波比ρ由同轴线特性阻抗Z0相关，而影响矩形同轴线特性阻抗Z0的重要参数为中间簧片厚度t、宽度w和接地板高度b、宽度w′。其相关尺寸关系计算时参照矩形同轴线特性，见表1。

表1矩形同轴线特性

射频输入输出端口均为N型同轴连接器，是圆形同轴传输线，截面见图7，其设计主要是根据同轴传输线理论相关公式（7）、（8）、（9）（10）确定内外导体尺寸。

图7圆形同轴传输线截面图

同轴线的特性阻抗Zc为：

式（7）中：Z0为特性阻抗，50Ω；εr为内外导体间介质材料的相对介电常数；μγ为介质相对导磁系数，b为外导体内半径，mm；a为内导体外半径，mm。

式（8）、（9）、（10）、中：为同轴线传输的最高频率；为同轴线最大传输功率；Vm为同轴线行波峰值电压；c为光速3×108米/秒，；Z0为特性阻抗；Ebr为介质击穿场强。

由式（7），当特性阻抗Z0一定时， b/a是定值，由式（8），a、b增加时，截止频率降低，由（9）、（10），a、b增加，最大传输功率也增加。由于射频同轴继电器随着工作频率的下降，其传输功率上升，所以，其截止频率不宜设计过高，而应略高于其最高工作频率，这是保证产品较大功率的重要方法，即在满足产品最高工作频率时，为提高功率，应尽量加大b和a的尺寸。

在初步确定相关尺寸后，进行建模，见图8，采用HFSS软件对射频传输线进行电场仿真验证，射频输入端口输入350W@8GHz功率信号，电场分布图见图9。

图8射频传输线模型

图9射频传输线电场仿真模型

该产品中间簧片与接地板最小距离为1.5mm，空气击穿场强约为4.5×106V/m，通过仿真得到的射频传输线最大场强为4.6672×105V/m，完全满足设计要求，并且产品已经多次通过了耐功率试验验证。

三、结论

根据机载产品的特殊要求，通过封闭式结构及上下放置结构设计、提高了产品耐环境适应性及抗电磁干扰性能。TTL自关断电路设计、自保持结构设计降低产品驱动电流及功耗，“平衡旋转式”电磁系统设计，提高了抗冲击、振动性能，采用射频大功率设计技术提高了产品射频功率传输能力。目前该产品通过鉴定试验，性能指标完全达到了机载要求，性能稳定并得到了广泛应用。