关 闭

新闻中心

EEPW首页 > 工控自动化 > 设计应用 > 一种单刀三掷射频同轴继电器的设计

一种单刀三掷射频同轴继电器的设计

作者:周维禹时间:2016-09-28来源:电子产品世界收藏
编者按: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。

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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201609/310495.htm

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)射频设计

  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:Vmax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;Ebr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,Pmax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,Ebr为介质的击穿场强、fmax为最高工作频率(Hz)。

  相对于空气介质Ebr=3×106V/m,我们选用聚四氟乙烯 Ebr=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《电子产品世界》2016年第9期第65页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



评论


相关推荐

技术专区

关闭