一、引 言

科学技术快速发展，航空航天领域中射频同轴继电器的使用数量不断增多，对其耐恶劣环境条件以及严酷力学条件的要求也在逐渐提高。与地面应用存在差异，对于应用在机载的大功率射频同轴继电器，有着诸多特殊要求：

1）驱动电流小、功耗低。可以节省有限的能源，减少系统发热。

重量较轻。这能够提升整机的有效载荷。还能够提升整机的飞行速度。也能够提升整机的续航距离。同时能够提升整机的机动性能。

3）环境（低温、高温、电磁干扰、振动、低气压）适应能力强。

功率对机载或地面雷达的探测距离和探测精度有直接决定作用。功率越大，其探测的距离就越远，同时探测精度也越高。

我研制了一款机载大功率射频同轴继电器产品。它的触点形式是单刀双掷。控制方式有 TTL、自保持、自关断，还带有辅助触点。其技术指标完全可以满足机载使用。接下来对它进行重点介绍。

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的主要技术指标呈现于表 1 。其产品具有这样的特点，即驱动电流较小，功耗处于低水平，振动等级较高，并且能够耐受大功率。

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由以下七部分构成：电路控制部分、电磁系统部分、推动系统部分、射频切换部分、射频接口部分、辅助触点切换部分、D 型低频接口部分。产品结构图为图 1，工作原理框图为图 2。

图1 机载大功率射频同轴继电器结构图

产品总体结构呈长方体。其上端部的对外接口为标准的 9 芯 D 型连接器低频接口。该接口与辅助触点直接焊接在印制电路板上。电路板和电磁系统通过四个螺杆固定在微波通道腔盖上。推动系统包含三部分，其一为铁芯内部的两个塑料推杆；其二为微波通道内与微波簧片相连的两个推杆；其三为可以绕轴自由转动的衔铁。当衔铁转动时，能够达成辅助簧片与微波传输簧片的连动。射频切换是由矩形同轴传输线构成的，微波传输簧片处在传输线的中间位置，并且微波通道内的弹簧能够使微波传输簧片实现自动复位。在下端部的对外接口是标准的N型射频连接器。

产品的外罩使用铝合金材料，能大大减轻自重。微波腔体使用铝合金材料，可减轻自重。腔盖使用铝合金材料，利于减轻自重。外罩表面经过氧化处理，能有效防止盐雾腐蚀。电路控制上下放置，防止与其他部分电磁干扰。电磁系统上下放置，防止相互间电磁干扰。射频部分上下放置，防止相互间电磁干扰。这样能防止灰尘、水汽等进入。

辅助信号通过 D 型接口进行输入或输出。

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

从节能以及减少线圈发热的角度来考虑，在电路控制方面采用了自保持以及 RC 自关断这样的结构形式。为了能够方便进行自动控制，设计了辅助触点以及 TTL 控制方式。控制电路的 9 芯 D 型连接器、电子元器件和辅助触点被焊接在一块 PCB 上，电路原理图如附图 3 所示。

图3 控制电路原理图

D 型连接器的 1 端子和 2 端子被施加 28Vd.c.的激励电压。当端子 4 处于高电平时，该激励电压会被施加到线圈 L1 上。此时，线圈 L1 中有电流通过，并且会产生电磁力，从而带动机构动作。射频开关 S1 闭合，S2 断开。由于存在 RC 冲放电电路，随着充电过程的持续进行，电容 C 两端的电压会不断升高。当充电完全截止时，线圈 L1 上的电流变为零。本产品是自保持型的。当线圈 L1 的电流变为零时，机构不会发生翻转，依然会保持在如图所示的状态。而在需要发生翻转的时候，只需在 D 型连接器的端子 5 施加高电平，其原理与之前相同。

本项目产品的实际动作时间不超过 15 毫秒。为确保产品能可靠动作，线圈中的电流需持续时间大于 25 毫秒，此时间由电容充电时间所决定，其理论计算的公式如下：

05（暂缺）

式（1）里：有充电电容 C，还有充电回路电阻 R，电容终电压是 V，电容初始电压为 V0，t 时刻的电容电压是 Vt。

（2）电磁系统设计

射频同轴继电器类产品中，普遍采用电磁力驱动的方法。通常，电磁系统采用的类型主要有“平衡旋转式”和“螺旋管式”。“平衡旋转式”电磁系统的优点在于，其转轴两端衔铁部分的质量相对平衡，这样对转轴的总力矩为“零”，所以能够耐受较高的冲击和振动，从而保证在恶劣环境下的可靠性。“螺旋管式”电磁系统的优点在于其磁的利用率比较高。同时，该系统的磁路系统漏磁较小，并且铁芯的行程也较大。

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

图4 平衡旋转式

图5 磁路原理图

HL 表示磁钢磁势；当线圈通电时会产生（IW）所表示的磁势；R 钢指的是磁钢磁阻；R 芯是铁芯磁阻；R 轭为轭铁磁阻；R 衔是衔铁磁阻；Rδx 代表磁钢与衔铁间气隙磁阻；Rδ1 表示衔铁在左回路中气隙磁阻；Rδ2 表示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 导磁体里的磁场强度，是通过磁钢的去磁曲线而求得的。其中，lm 是磁钢的长度，k1 是修正系数，Rδ 是气隙磁阻，μ0 为真空磁导系数，S 则是极靴面积。

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较为烦琐。通常会借助软件来进行仿真。为提升产品的可靠性，确保其在全温度范围（-55℃～+85℃）内能够正常工作，实际动作电压是按照+85℃时的情况进行设计的。额定工作电压范围是 24v 至 32v。为了确保能有可靠的驱动电流，在设计时必须考虑到电磁线圈漆包线铜材料的电阻会随着环境温度的变化而变化这一趋势，并且可以由公式（5）来确定。

11（暂缺）

式（5）中：20℃时的电阻值是 R20；在 t 温度范围下测量得到的电阻值是 Rt；所测量的环境温度为 t；电阻温度系数为α，其单位是 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进行的。矩形同轴传输线的截面如图 6 所示。在矩形传输线中设置了中间簧片的通断切换结构。该结构的特点是中间簧片处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：最大峰值的击穿功率为 Pmax（KW）；存在电压驻波比 ρ；有空气大气压力 p（atm）；接地板高度为 b（cm）；中间簧片厚度是 t；特性阻抗为 Z0，其值为 50Ω。

从式（6）能够得知，若要提升矩形同轴传输线的传输功率，就可以增大中间簧片的厚度 t 以及接地板之间的距离 b，同时降低电压驻波比。而电压驻波比 ρ 与同轴线特性阻抗 Z0 有关联，并且影响矩形同轴线特性阻抗 Z0 的关键参数有中间簧片厚度 t、宽度 w 以及接地板高度 b、宽度 w′。在对其相关尺寸关系进行计算时，可参照矩形同轴线特性，详见表 1。

表1矩形同轴线特性

射频输入输出端口的类型为 N 型同轴连接器，它属于圆形同轴传输线，其截面如见图 7 所示。该设计主要依据同轴传输线理论的相关公式（7）、（8）、（9）、（10）来确定内外导体的尺寸。

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：特性阻抗为 Z0，其值为 50Ω；内外导体间介质材料的相对介电常数是 εr；介质相对导磁系数为 μγ；外导体内半径为 b，单位是 mm；内导体外半径为 a，单位是 mm。

式（8）、（9）、（10）中：它是同轴线传输的最高频率；它是同轴线最大传输功率；Vm 是同轴线行波的峰值电压；c 是光速，为 3×108 米/秒；Z0 是特性阻抗；Ebr 是介质的击穿场强。

根据式（7），倘若特性阻抗 Z0 保持一定，那么 b/a 就为定值。依据式（8），当 a、b 增大时，截止频率会降低。从（9）、（10）可知，a、b 增加的话，最大传输功率也会随之增加。射频同轴继电器工作频率下降时，其传输功率会上升。因此，它的截止频率不宜设计得过高，而应略高于最高工作频率。这是保证产品能有较大功率的重要方法，也就是在满足产品最高工作频率的前提下，为了提高功率，应尽量把 b 和 a 的尺寸加大。

初步确定相关尺寸之后，开始进行建模，其中见图 8。接着使用 HFSS 软件对射频传输线进行电场仿真验证，同时让射频输入端口输入功率信号，其电场分布图见图 9。

图8射频传输线模型

图9射频传输线电场仿真模型

该产品的中间簧片与接地板之间的最小距离是 1.5mm。空气的击穿场强大约为 4.5×106V/m。通过仿真得出射频传输线的最大场强为 4.6672×105V/m。这些数据完全能够满足设计要求。并且该产品已经多次通过了耐功率试验的验证。

三、结论

根据机载产品的特殊要求，采用封闭式结构以及上下放置结构进行设计，这样提高了产品的耐环境适应性以及抗电磁干扰性能。设计 TTL 自关断电路，设计自保持结构，降低了产品的驱动电流和功耗。进行“平衡旋转式”电磁系统设计，提高了抗冲击、振动的性能。采用射频大功率设计技术，提高了产品射频功率的传输能力。该产品目前已通过鉴定试验，其性能指标完全符合机载要求，性能稳定且得到了广泛的应用。