射頻同軸繼電器的結構設計

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(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

射頻同軸繼電器(微波開關)是一種通過電磁驅動的機械方式切換射頻信號通道的機電元件，主要用于雷達、電子對抗、偵察、電子干擾、電子防御、全球通訊衛星、軍用通訊、測量儀器等武器裝備系統中。射頻同軸繼電器具有隔離度高、插入損耗小、可傳輸大功率射頻信號等優點，在系統應用中，實現對載荷系統起主備份、環備份或信號通道的選擇等作用，可以增強有效載荷的整體可靠性，提升系統功能組合的靈活性，使得雷達、電子戰、通訊和高端設備儀器等領域發生根本性變革。

射頻同軸繼電器在國外發展較早，國外在20世紀40年代已經形成系列化、標準化的產品。而我國于2005年后才開始設計研發，在最近十年左右的時間內得到快速發展，現在各品種已經相對齊全。

射頻同軸繼電器按射頻觸點形式可以分為單刀雙擲、雙刀雙擲、雙刀三擲(T型)和單刀多擲(單刀三擲以上)。每種結構均可以做成磁保持和常開型兩種類型產品。

射頻同軸繼電器主要是由低頻接線端子、電路控制結構、遙測指示端、電磁系統、推動系統、射頻切換系統和射頻接口組成。圖1是某型號射頻同軸繼電器的內部結構圖。

圖1 射頻同軸繼電器裝配圖(去外罩)

2 射頻同軸繼電器各結構設計介紹

2.1 低頻接線端子

常見的射頻同軸繼電器低頻接線端子有三種形式，分別是采用各種連接器、玻璃燒接引線端子和采用聚四氟乙烯作為絕緣的引線端子。其結構圖如圖2所示。采用連接器接線端子用戶使用較方便，利用標準接口低頻連接器進行插拔拆裝，缺點是射頻同軸繼電器高度較高，產品安裝空間要求較大。后兩種低頻接線端子優點是產品體積較小，產品安裝空間相對較小，缺點就是需要焊接接線，拆裝不方便。其結構圖如圖2所示。

圖2 各種低頻接線端子

這些低頻接線端子與電磁系統連接有兩種方式，一種方式是通過印制板，與電磁系統線圈引線連接；另一種方式是通過引線將低頻接線端子直接與電磁系統線圈引線焊接。

2.2 電路控制結構

射頻繼電器電路控制結構是根據用戶實際使用的需要而設計，以單刀雙擲產品為例來列舉射頻繼電器電路控制的種類。

1)線圈直接加電，無抑制二極管，電路圖如圖3所示，目前這種方式應用較少。因為線圈是一種電感，在線圈電壓關斷時會產生較高的反向峰值電壓，控制線圈電源存在被損壞的風險。

圖3 線圈直接加電電路圖

2)線圈兩端加反向抑制二極管，電路圖如圖4所示。此類電路控制結構可以對控制電源進行保護，是射頻同軸繼電器常用的方法。

圖4 帶抑制二極管電路圖

3)TTL控制電路圖，如圖5所示。此類電路結構可以通過低電壓信號來控制高電壓信號，實現對電磁線圈的控制。目前也是比較常用的方法。

圖5 TTL控制電路圖

4)自關斷電路圖如圖6所示。此類電路結構的優點是可以節省整機的電源功耗，這在某些系統中，尤其是衛星上應用是很有必要的；同時，產品電路控制系統功耗小，產品本身溫升較低，可以提高產品可靠性。磁保持結構射頻同軸繼電器建議采用此電路圖。

圖6 自關斷電路圖

5)帶有TTL控制的自關斷電路圖，如圖7所示。此類電路結構是整合上述兩種優點而進行應用的。也建議用戶采用此電路設計。

圖7 自關斷與TTL控制電路圖

6)以上每種電路圖根據用戶的需要可以加上遙測指示，以自關斷電路為例，其電路圖如圖8所示。遙測指示在有些使用場合是必須有的。例如，衛星上使用射頻同軸繼電器都必須有遙測指示端，可以方便故障排查，起到對衛星系統的保護作用。

圖8 帶遙測指示電路圖

2.3 遙測指示端

射頻繼電器遙測指示端的作用，一方面是為了反饋射頻通道是否在工作的一種指示，另一方面顯示射頻繼電器通道的位置。目的在于辨認射頻信號傳輸路徑正確與否，防止誤操作，造成功率信號反射損壞設備。

目前遙測指示端設計結構有三種，如圖9所示。第一種是簧片與觸點接觸結構，此結構在單刀雙擲中比較常用，并且可以較好的反映出射頻通道動作情況，其缺點在于產品是非密封性結構，觸點表面容易被污染。第二種利用舌簧管作為觸點，其驅動線圈與對應的主通道線圈采用并聯工作的方式，通過線圈對舌簧管驅動實現指示狀態，此結構在單刀多擲中較常用，優點是可靠性高，缺點是不能直接反應出射頻通道是否動作，只表明電磁系統已經施加額定電壓；第三種同樣利用舌簧管作觸點，通過永磁體進行驅動，此種結構在雙刀三擲中較常用，該結構優點是觸點可靠性高，同樣能反映出射頻通道動作情況，缺點是此產品設計時舌簧管安裝位置要求較高，以便永磁體對其進行驅動。

圖9 遙測指示端結構

2.4 電磁系統

射頻繼電器電磁系統是控制射頻通道可靠動作的核心部組件，對射頻繼電器的可靠性起決定性作用。目前電磁系統主要結構有三種，包括橋式平衡力結構、螺管式結構、磁鋼嵌入式螺管結構。各結構如圖10所示。橋式平衡力結構的優點是抗振動水平較高，缺點是漏磁較多，單刀雙擲結構多采用此結構；螺管式結構優點是磁路完全閉合，漏磁較小，可以做大行程產品，缺點是抗振動水平較低，單刀多擲結構或大功率產品多采用此結構；磁鋼嵌入式螺管結構優點是具備螺管式結構優點，同時還可以實現磁保持結構，此結構可以使用在單刀雙擲或單刀多擲等結構中。

2.5 推動系統

推動系統結構是由電磁系統決定，它的作用是讓電磁力傳導到射頻切換系統中。常見結構有兩種，一種是平衡銜鐵式結構，此結構適合于橋式平衡力結構和磁鋼嵌入式螺管結構；另一種是電磁力驅動鐵芯直接推動射頻切換系統，此結構適合于螺管式結構和磁鋼嵌入式螺管結構。

圖10 電磁系統三種結構

2.6 射頻切換系統

射頻切換系統主要包括內導體、射頻簧片、推桿和微波腔體等。其作用是傳輸射頻信號，對射頻指標性能的優劣起決定性作用。常見微波系統結構有單刀雙擲、雙刀雙擲、雙刀三擲和單刀多擲(3擲以上)，如圖11所示。另外，還有一種射頻繼電器切換系統內置1W左右負載，目的是為電源或輸入保留正確的阻抗，保證未使用的路徑不會因為信號反射過大而對系統造成影響，此種結構常用在小功率信號的產品，產品實物圖如圖12所示。

圖11 射頻切換系統結構

圖12 內置負載射頻同軸繼電器

2.7 射頻接口

射頻繼電器的射頻接口根據用戶使用的需要以及頻率和功率的要求，可以有多種接口的選擇，目前常規的主要有1.85、2.4、2.92、SMA(3.5)、TNC、N、SC和L29等接口，其接口特性阻抗均為50Ω，界面尺寸符合《GJB5246A-2018射頻連接器界面》要求。

目前隨著射頻傳輸系統小型化的需求和技術發展趨勢，射頻繼電器射頻接口向著便于集成化的表面貼裝式方向發展，如圖13所示。該射頻接口分別是引針式(高頻端子)和微帶結構(共面波導)，使用時通過SMT焊接在PCB板上。

圖13 適合SMT工藝的射頻接口

3 結論

本文對射頻繼電器(微波開關)結構進行了系統性的介紹，包括各部組件的幾種常見設計結構以及相應的應用場合，并且對各結構的優缺點做了簡要的分析。這不僅對從事射頻繼電器研發人員有一定參考價值，也對射頻繼電器的選購具有一定指導意義。