射频同轴继电器的结构设计

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(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

射频同轴继电器(微波开关)是一种通过电磁驱动的机械方式切换射频信号通道的机电元件，主要用于雷达、电子对抗、侦察、电子干扰、电子防御、全球通讯卫星、军用通讯、测量仪器等武器装备系统中。射频同轴继电器具有隔离度高、插入损耗小、可传输大功率射频信号等优点，在系统应用中，实现对载荷系统起主备份、环备份或信号通道的选择等作用，可以增强有效载荷的整体可靠性，提升系统功能组合的灵活性，使得雷达、电子战、通讯和高端设备仪器等领域发生根本性变革。

射频同轴继电器在国外发展较早，国外在20世纪40年代已经形成系列化、标准化的产品。而我国于2005年后才开始设计研发，在最近十年左右的时间内得到快速发展，现在各品种已经相对齐全。

射频同轴继电器按射频触点形式可以分为单刀双掷、双刀双掷、双刀三掷(T型)和单刀多掷(单刀三掷以上)。每种结构均可以做成磁保持和常开型两种类型产品。

射频同轴继电器主要是由低频接线端子、电路控制结构、遥测指示端、电磁系统、推动系统、射频切换系统和射频接口组成。图1是某型号射频同轴继电器的内部结构图。

图1 射频同轴继电器装配图(去外罩)

2 射频同轴继电器各结构设计介绍

2.1 低频接线端子

常见的射频同轴继电器低频接线端子有三种形式，分别是采用各种连接器、玻璃烧接引线端子和采用聚四氟乙烯作为绝缘的引线端子。其结构图如图2所示。采用连接器接线端子用户使用较方便，利用标准接口低频连接器进行插拔拆装，缺点是射频同轴继电器高度较高，产品安装空间要求较大。后两种低频接线端子优点是产品体积较小，产品安装空间相对较小，缺点就是需要焊接接线，拆装不方便。其结构图如图2所示。

图2 各种低频接线端子

这些低频接线端子与电磁系统连接有两种方式，一种方式是通过印制板，与电磁系统线圈引线连接；另一种方式是通过引线将低频接线端子直接与电磁系统线圈引线焊接。

2.2 电路控制结构

射频继电器电路控制结构是根据用户实际使用的需要而设计，以单刀双掷产品为例来列举射频继电器电路控制的种类。

1)线圈直接加电，无抑制二极管，电路图如图3所示，目前这种方式应用较少。因为线圈是一种电感，在线圈电压关断时会产生较高的反向峰值电压，控制线圈电源存在被损坏的风险。

图3 线圈直接加电电路图

2)线圈两端加反向抑制二极管，电路图如图4所示。此类电路控制结构可以对控制电源进行保护，是射频同轴继电器常用的方法。

图4 带抑制二极管电路图

3)TTL控制电路图，如图5所示。此类电路结构可以通过低电压信号来控制高电压信号，实现对电磁线圈的控制。目前也是比较常用的方法。

图5 TTL控制电路图

4)自关断电路图如图6所示。此类电路结构的优点是可以节省整机的电源功耗，这在某些系统中，尤其是卫星上应用是很有必要的；同时，产品电路控制系统功耗小，产品本身温升较低，可以提高产品可靠性。磁保持结构射频同轴继电器建议采用此电路图。

图6 自关断电路图

5)带有TTL控制的自关断电路图，如图7所示。此类电路结构是整合上述两种优点而进行应用的。也建议用户采用此电路设计。

图7 自关断与TTL控制电路图

6)以上每种电路图根据用户的需要可以加上遥测指示，以自关断电路为例，其电路图如图8所示。遥测指示在有些使用场合是必须有的。例如，卫星上使用射频同轴继电器都必须有遥测指示端，可以方便故障排查，起到对卫星系统的保护作用。

图8 带遥测指示电路图

2.3 遥测指示端

射频继电器遥测指示端的作用，一方面是为了反馈射频通道是否在工作的一种指示，另一方面显示射频继电器通道的位置。目的在于辨认射频信号传输路径正确与否，防止误操作，造成功率信号反射损坏设备。

目前遥测指示端设计结构有三种，如图9所示。第一种是簧片与触点接触结构，此结构在单刀双掷中比较常用，并且可以较好的反映出射频通道动作情况，其缺点在于产品是非密封性结构，触点表面容易被污染。第二种利用舌簧管作为触点，其驱动线圈与对应的主通道线圈采用并联工作的方式，通过线圈对舌簧管驱动实现指示状态，此结构在单刀多掷中较常用，优点是可靠性高，缺点是不能直接反应出射频通道是否动作，只表明电磁系统已经施加额定电压；第三种同样利用舌簧管作触点，通过永磁体进行驱动，此种结构在双刀三掷中较常用，该结构优点是触点可靠性高，同样能反映出射频通道动作情况，缺点是此产品设计时舌簧管安装位置要求较高，以便永磁体对其进行驱动。

图9 遥测指示端结构

2.4 电磁系统

射频继电器电磁系统是控制射频通道可靠动作的核心部组件，对射频继电器的可靠性起决定性作用。目前电磁系统主要结构有三种，包括桥式平衡力结构、螺管式结构、磁钢嵌入式螺管结构。各结构如图10所示。桥式平衡力结构的优点是抗振动水平较高，缺点是漏磁较多，单刀双掷结构多采用此结构；螺管式结构优点是磁路完全闭合，漏磁较小，可以做大行程产品，缺点是抗振动水平较低，单刀多掷结构或大功率产品多采用此结构；磁钢嵌入式螺管结构优点是具备螺管式结构优点，同时还可以实现磁保持结构，此结构可以使用在单刀双掷或单刀多掷等结构中。

2.5 推动系统

推动系统结构是由电磁系统决定，它的作用是让电磁力传导到射频切换系统中。常见结构有两种，一种是平衡衔铁式结构，此结构适合于桥式平衡力结构和磁钢嵌入式螺管结构；另一种是电磁力驱动铁芯直接推动射频切换系统，此结构适合于螺管式结构和磁钢嵌入式螺管结构。

图10 电磁系统三种结构

2.6 射频切换系统

射频切换系统主要包括内导体、射频簧片、推杆和微波腔体等。其作用是传输射频信号，对射频指标性能的优劣起决定性作用。常见微波系统结构有单刀双掷、双刀双掷、双刀三掷和单刀多掷(3掷以上)，如图11所示。另外，还有一种射频继电器切换系统内置1W左右负载，目的是为电源或输入保留正确的阻抗，保证未使用的路径不会因为信号反射过大而对系统造成影响，此种结构常用在小功率信号的产品，产品实物图如图12所示。

图11 射频切换系统结构

图12 内置负载射频同轴继电器

2.7 射频接口

射频继电器的射频接口根据用户使用的需要以及频率和功率的要求，可以有多种接口的选择，目前常规的主要有1.85、2.4、2.92、SMA(3.5)、TNC、N、SC和L29等接口，其接口特性阻抗均为50Ω，界面尺寸符合《GJB5246A-2018射频连接器界面》要求。

目前随着射频传输系统小型化的需求和技术发展趋势，射频继电器射频接口向着便于集成化的表面贴装式方向发展，如图13所示。该射频接口分别是引针式(高频端子)和微带结构(共面波导)，使用时通过SMT焊接在PCB板上。

图13 适合SMT工艺的射频接口

3 结论

本文对射频继电器(微波开关)结构进行了系统性的介绍，包括各部组件的几种常见设计结构以及相应的应用场合，并且对各结构的优缺点做了简要的分析。这不仅对从事射频继电器研发人员有一定参考价值，也对射频继电器的选购具有一定指导意义。