摘要：本文介绍了作业频率为18GHz、低温、低气压下传输功率为100W的N型射频同轴继电器规划办法，简略介绍了产品的技能目标和作业原理，要点论述了产品结构、TTL电路操控体系、电磁体系和射频传输切换体系的规划。
导言
为了进步我国战机电子对抗体系的功率，满意我国军事装备的国产化要求，我所研发了一款单刀三掷N型射频同轴继电器(以下简称继电器)，其触点办法为单刀三掷，操控办法为TTL、自复位、带辅佐触点，操控电路接口为9芯D型衔接器，射频接口为N型衔接器。该产品特色是作业频率到达18GHz，一起在低温、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能目标、作业原理、结构规划、电路规划、电磁体系规划以及射频传输切换体系的规划。
1 单刀三掷射频同轴继电器规划
1.1 技能目标
继电器首要技能目标见表1。
1.2 产品结构
继电器外形为圆柱体，最大外形尺度为φ77mm×88.5mm，腔体底部开有3×M4装置孔，通过螺钉与面板装置在一起。继电器首要由射频接口、射频传输、推进体系、电磁体系和电路操控五大部分组成，继电器结构见图1。
1.3 计划规划
1.3.1 操控电路规划
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体系操控，三路通道都为常开。图2是电路图以及D型衔接器各端子功用。
1.3.2 电磁体系规划
依据该产品的作业办法和抗振功能的要求，将此产品规划成平衡旋转式电磁体系。其磁路结构见图3。
其作业原理为：当线圈中没有通过电流时，因为绷簧的反力加上磁钢的吸力，衔铁坚持在原吸合方位，见图3;当线圈中通过如图3所示电流时，在右作业气隙处线圈的磁通Φn与永久磁钢的磁通Φm1相加，导致磁力相加;而左作业气隙处线圈的磁通Φn与永久磁钢的磁通Φm2相减，导致磁力相减，所以衔铁战胜绷簧反力被吸到右磁极面，衔铁带动传动组织使射频部分簧片与内导体触摸，完结产品动作进程，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，衔铁带动传动组织，使射频部分簧片与内导体别离，完结产品的开释进程。
该磁路体系有以下几个特色：
(1)磁钢坚持力比较大，而且选用平衡力结构，开关能接受较高的振荡、冲击;
(2)因为永磁场的相助，该类型的传动组织动作灵敏度较高，而且因为衔铁动作所需磁通量较小，衔铁截面积可以较小，使开关小型化较简单完成，而且动作速度较快，能满意开关时间的要求;
(3)衔铁动程也可以做得较大，适宜于大功率的开关。
电磁体系的结构办法确认后，再进行电磁体系各零件的规划，依据产品要求的结构尺度、作业温度规模、线圈作业电压及电流、线圈吸合电压及开释电压、开关时间、触点压力和行程、寿数、冲击和振荡等归纳要素进行规划，通过Ansoft Maxwell软件进行仿真，得出最佳计划。
1.3.3 推进体系规划
推进体系结构如图4所示， 驱动射频簧片的推杆由两部分组成，规划成接插结构，把簧片夹持住，绷簧套在腔体内的下推杆上，并由腔体端面的螺钉调理。绷簧的反力与电磁体系施予推杆的力，是两个要害的力，有必要确保触点闭合时，触摸压力为一合适值，以确保触点触摸的可靠性。触摸压力越大，继电器在闭合的进程中两个触点面相磕碰发生的碎屑越多，传动组织运动件间的冲突发生污物碎屑也越多，这些污物碎屑在触点闭合时就简单发生开路，影响可靠性，一起也削减了产品的寿数;触摸压力越小，虽然会削减污物碎屑的发生，可是会添加插入损耗，简单引起触摸不良，影响其可靠性。
1.3.4 射频传输体系的规划
a)N型衔接器结构规划
本产品N型衔接器要求作业频率到达18GHz，功率到达100W。N型衔接器应契合《GJB 5246-2004 射频衔接器界面》。
N型衔接器的特性阻抗是由内、外导体的尺度及其介电常数决议的，依据已知的特性阻抗(Zc=50Ω)和国家戎行标界面要求，按下式核算其尺度。
(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，其间内导体与外导体间的介质为聚四氟乙烯。Zc为50Ω，由公式(1)可以开始确认衔接器的尺度d=3.04mm，D=7mm，εr =1。
一起，绝缘子的规划还决议了衔接器的截止频率，衔接器的截止频率fc与绝缘子的尺度及介电常数的联系如下式：
(2)
其间，C0≈300000 km/s;λc：波长，mm;
依据该式对规划尺度D和d进行验算，若f大于最高作业频率，则满意规划要求;若f小于最高作业频率，需从头规划。
通过理论核算，fc=19GHz，实际中一般降额10%~15%。所以技能目标要求18 GHz已到达临界值。
资料上，外导体选用不锈钢，内导体选用铍青铜，绝缘介质资料选用聚四氟乙烯;规划上，以下降插入损耗和驻波比为方针，合理规划衔接器尺度，要害在于介质支撑的规划;介质支撑处，因为介质的加载以及表里导体尺度上的骤变，简单激起非传输性高次模，从而使同轴衔接器目标恶化。为此，咱们通过在介质支撑处两边挖槽的办法下降其有用介电常数，对因为尺度不接连而引起的%&&&&&%效应进行共面补偿。
b)切换组件规划
切换组件包含腔体、腔盖、簧片、靠柱和推杆等。
本产品中的射频体系需求进行通断切换，咱们选用矩形同轴传输线，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。规划原则是：矩形同轴传输线的外宽边尺度，尽量接近于输入输出射频衔接器衔接空气介质时的外导体内径，其特性阻抗在轴向与射频衔接器坚持共同。
矩形同轴传输线中的内导体要进行通断切换，需求非金属资料的推杆带动其运动，为了确保射频目标的重复性，还要有非金属资料件靠柱的支撑。因为在矩形同轴传输线通道内安顿了这些非金属资料零件，使射频目标不断恶化，所以咱们还选用HFSS仿真软件进行优化。
规划了输入输出衔接器和矩形传输线后，需求确认射频同轴继电器切换结构。本项意图射频簧片与衔接器公共端触摸部分规划成梯形结构，便于多个射频簧片与公共端搭接，射频簧片另一端规划成半圆结构，完成了圆形同轴线到矩形同轴线的完美过度。内导体端面选用环形结构。别的，为了进步射频目标，咱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数为20万次。20万次的射频簧片对内导体的敲打，对内导体的外表硬度要求较高，咱们选用铍青铜加工内导体并进行时效处理，外表镀硬金，进步触摸可靠性和产品寿数。别的，从热剖析的视点上来讲，推杆部位的射频簧片温度较高，或许烧坏推杆，引起失效，所以尽量选用耐高温的资料。推杆咱们选用射频特性好且耐高温的聚四氟乙烯资料加工，这样确保了产品可以传输较大的功率，满意其功率目标要求。
C)低温低气压射频大功率规划
从国外一切公司射频同轴继电器的功率曲线上可以看出，产品跟着作业频率的上升，其传输功率是按份额下降的，所以，在进行射频同轴继电器的规划时，其截止频率不宜规划过高，而应略高于其最高作业频率，这是确保产品具有较大功率的重要办法，这与同轴传输的最大功率容量公式是共同的：
其间：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。
当特性阻抗一守时，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，在满意产品最高作业频率时，为进步功率，应尽量加大D和d的尺度。
衔接器的最大传输功率容量，由以下公式决议：
(5)
其间，Ebr为介质的击穿场强、fmax为最高作业频率(Hz)。
相对于空气介质Ebr=3×106V/m，咱们选用聚四氟乙烯 Ebr=12×106V/m作为介质支撑资料，可以传输更大的功率。
别的，同轴线的电压驻波比(VSWR)为S时，传输线的传输功率为：
(6)
作业温度在-55℃～+85℃规模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。通过理论核算，可以满意本项目功率目标要求。
2 定论
因为结构规划合理、资料挑选正确，使得此N型射频继电器频率到达18GHz，在低温、低气压(-55℃、7.5kPa)的环境条件下，可以传输射频功率为100W，该产品的研发成功，进一步进步了我国战机电子对抗体系的功率，为我国的国防工作做出了重要贡献。
参考文献：
[1]廖承恩.微波技能根底[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、结构及使用[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规划[J].机电元件,2010,1.
本文来源于我国科技期刊《电子产品世界》2016年第9期第65页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
