程控步進衰減器的電磁機構設計

操基德

（中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010）

1 前言

程控步進衰減器廣泛應用于寬帶頻譜儀、寬帶矢量網絡分析儀等微波測試儀器中，實現對輸入信號電平幅度的步進衰減。

本文開展了應用于程控步進衰減器的多極連體式電磁機構的結構設計。該電磁機構采用模塊化級聯式設計，整體結構體積小，易于衰減量的自由組合，具有安裝精度高、可靠性高、重復性好等特點。

2 結構設計

2.1 技術指標

程控步進衰減器電磁機構是程控步進衰減器實現程控、步進功能的關鍵部件。按照要求的衰減量，電磁機構接收驅動電平后，動鐵芯能立即動作，通過頂針推動邊緣線變形，頂針帶動每個衰減單元的簧片在直通片和衰減片之間轉換，使微波信號從直通變為衰減狀態或者從衰減變為直通狀態。當驅動電平消失后仍能依靠永磁體磁力維持當前的工作狀態，程控步進衰減器電磁機構主要技術指標列示如下。

工作溫度：－55℃～＋85℃；

行程：1.1mm；

靜態保持力：0.75N～1.2N；

絕緣電阻：≥1000MΩ；

介質耐壓：500Va.c。

2.2 整體結構及工作原理

電磁機構整體結構主要由永磁磁鐵、連體式導磁腔、動鐵芯、軛鐵以及電磁線圈等組成。以四極產品為例，結構示意圖見圖1。

圖1 一體化多極式電磁機構結構示意圖

連體式導磁腔內部固定電磁線圈，工字型動鐵芯穿過電磁線圈，在導磁腔每一極的后表面分別固定一塊永磁磁鐵，每一極通過外圍的軛鐵形成一個封閉的磁路結構。磁路原理圖如圖2所示。它的工作氣隙內同時有兩個獨立的磁通，其一為極化磁通，其二是工作磁通，極化磁通由永久磁鐵產生，而工作磁通由工作線圈產生，其大小和方向取決于工作線圈的電流大小和方向。

圖2 步進衰減器電磁機構磁路系統原理圖

當電磁線圈無驅動電平時，只有極化磁通所產生的吸力作用在動鐵芯上。通過腔體的極化磁通分成兩部分：上工作氣隙δ上的磁通φm1以及通過下工作氣隙δ下的磁通φm2。動鐵芯停留在δ上（δ上＜δ下）或者停留在δ下（δ上＞δ下），而中間位置是不穩定的。從而使邊緣線保持在直通或衰減狀態。

當電磁線圈Ⅰ在接受驅動電平后，產生的電磁磁通φd在氣隙δ上和永久磁鐵磁通φm1方向相反，使該氣隙的合成磁通減少為φm1－φd，而在氣隙δ下和永久磁鐵磁通φm1方向相同，使該氣隙的合成磁通增加為φm1＋φd。當驅動電平達到某一數值，即達到啟動電壓時，動鐵芯將進行轉換動作，帶動邊緣線進行切換。

反之，當需要動鐵芯反向動作時，需在電磁線圈Ⅱ施加驅動電平，產生的電磁磁通與線圈Ⅰ的磁通相反。同理動鐵芯也將進行轉換動作，帶動邊緣線進行切換。

該電磁機構具有以下幾個特點：

a）電磁線圈斷電后，動鐵芯仍能保持在原來通電狀態，具有“記憶”功能。實現了衰減通道的不同組合，達到調整衰減量的目的。

b）靈敏度高，使機構動作所需要的線圈功率小，動作后不再消耗功率，適用于低功耗的場合，便于編程驅動控制。

c）由于永久磁鐵的作用，動鐵芯保持力較大，提高了程控步進衰減器乃至整臺測試儀器的傾斜跌落、沖擊等環境試驗的可靠性。

3 靜態保持力的仿真設計

3.1 仿真建模

Maxwell軟件目前是一種使用廣泛的電磁場有限元分析軟件。能夠自動計算電磁力、轉矩等。在Pro／E中建立好電磁機構的三維模型，然后導入到Maxwell中，在Maxwell中設置好電磁機構各零件的材料，如表1。

表1 電磁機構各零件材料

以動鐵芯所受的靜態合力為求解參數，仿真模型見圖3。

圖3 電磁機構仿真模型

電磁機構的零件材料主要為電磁純鐵（DT4C），其磁化曲線如圖4所示。在電磁機構工作時，動鐵芯的磁感應強度應該足夠大，以產生較大的電磁吸力，同時又不能使動鐵芯磁化飽和，降低磁化效率。電磁純鐵DT4C的工作點在磁化曲線的膝點附近，其工作磁感應強度為1.5～1.8T之間較為合理。

圖4 DT4C電磁純鐵磁化曲線

3.2 靜態保持力的仿真設計

當工作行程、基本結構形式確定以后，電磁機構的靜態保持力就成為設計的主要參數。靜態保持力決定于器件的結構及所用的材料。兩導磁體間的吸力與工作間隙的磁感應強度B2成正比，因此通過提高磁感應強度B，可以更有效的提高保持力。靜態狀態下磁感應強度與永久磁鐵直接相關，因此在結構不變的情況下，分別使用Y10T鐵氧體、Y15鐵氧體、Y20鐵氧體進行仿真，所得靜態保持力如表2所示。

表2 動鐵芯靜態保持力（N）

磁感應強度分布見圖5所示。

從圖5可以看到，使用Y15永久磁鐵，動鐵芯、軛鐵的內部磁感應強度最大為1.72T，工作于電工純鐵（DT4C）工作磁感應強度范圍內。使用Y20永久磁鐵，動鐵芯、軛鐵的內部磁感應強度最大為1.82T，超出電工純鐵（DT4C）工作磁感應強度范圍。

圖5

綜上分析，采用Y15鐵氧體、Y20鐵氧體，靜態保持力是Y10T鐵氧體的2倍左右，保持力增加顯著，滿足技術指標要求。而采用Y20鐵氧體時主要結構件磁感應強度已經超出電工純鐵（DT4C）工作磁感應強度范圍，意義不大，最終采用Y15鐵氧體。

4 結論

目前，采用該電磁機構的程控步進衰減器已經大量應用于我單位頻譜儀、矢量網絡分析儀等測試儀器中。模塊化級聯式設計，減小了整體結構體積，易于衰減量的自由組合，其安裝精度高、可靠性高、重復性好，滿足各類測試儀器的使用。