一种内置负载端SP6T同轴开关的设计*

一种内置负载端SP6T同轴开关的设计*

周维禹

中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233000

摘要：同轴开关在组成多通道矩阵使用时，空置的端口之间会发生谐振现象干扰射频信号的传输。本文介绍了一种射频输出端口内置50Ω负载的单刀六掷同轴开关的设计方法，简单介绍了内置负载吸收干扰信号的原理，重点阐述了产品整体结构、电磁系统和微波传输切换系统的设计。

关键词：同轴开关； SP6T；内置50Ω负载

1  引言

同轴开关是一种以同轴连接器作为射频引出端，按需切换/选择微波信号通道的无源器件，具有低驻波、低插损、功率容量大等优点，能够几乎无失真的传输并切换射频信号，是多通道微波系统中不可或缺的基础性元件，在我国的卫星通信、电子对抗、雷达工程及各种测量仪器等方面运用广泛。

图1 典型同轴开关工作示意图

随着电子对抗技术的发展和军事装备的升级，对高频率、高功率、多路径的同轴开关需求日益增多。将多个同轴开关组合到开关矩阵,由于开关矩阵输出路径较多，任何空置的传输路径线路都有可能在微波范围内的频率下发生谐振，影响正常射频信号的传输质量，还可能将电能反射回处于工作状态下的射频源，从而对其造成损害。为了消除空置端口的反射信号，在各传输线路端接50Ω的负载，从而使得射频开关在内置50Ω负载后，反射信号的能量由负载电阻吸收，而不反射回射频源。

图2 内置50Ω负载同轴开关

*国家科技计划项目（编号：2006ZYGZ0304）

为了提升我国战机电子对抗系统的功率，满足我国军事装备的国产化要求，研制了一款带50Ω负载端的单刀六掷SMA型同轴开关，其工作频率达到18GHz。本文旨在介绍带50Ω负载端的同轴开关的技术指标、设计方法以及射频参数的仿真。

2   带50Ω负载端同轴开关的设计

2.1  技术指标

主要技术指标见表1。

表1   主要技术指标

2.2  总体结构设计

开关外形为圆柱体（见图3），最大外形尺寸为φ50.8×91.5，腔体底部开有3×M3.5安装孔，通过螺钉与面板安装在一起。开关电源控制端采用焊针，射频输出端为SMA型插孔连接器，界面符合GJB 5246-2004。外形和安装尺寸见图1。开关主要由电路控制系统、电磁驱动系统、微波传输系统组成，结构见图4。

图3 外形和安装尺寸

图4  开关结构图

2.3  电路控制系统设计

开关采用TTL自关断控制电路，实现六路通道的接通保持并切断电流，该驱动电路控制端口接线及功能说明见表2。

表2 各端口功能说明

2.4  电磁驱动系统设计

为了满足六组电磁系统的放置，设计了“集成式一体化”的电磁驱动系统(图5)，其特点是将每组电池系统的外磁路连在一起，使得电磁驱动力保证可靠动作的前提下，满足带负载同轴开关体积小型化的要求。在线圈与轭铁组装方式上，放弃常用的铁芯铆压方式，改用铁芯螺纹连接，该安装方式的好处是铁芯高度可调，在工人调试电磁参数时，通过微调铁芯能够消除零件加工尺寸的累计公差导致的误差影响。

图5 电磁驱动系统结构图

这种方案设计的优点是：

开关的抗振动和耐冲击能力由弹性簧片压住推杆后的保持力保证，在较强的振动条件下，仍能实现开关静触点的稳定闭合；

通过对衔铁件调整角度，能够调整簧片弯曲形变量，保证良好的接触电阻阻值；

该组件转动灵活，行程小，切换时间稳定在3ms-5ms之间，满足指南中技术要求动作时间≤15ms。

该磁路系统有以下几个特点：

（1）磁钢保持力比较大，而且采用平衡力结构，开关能承受较高的振动、冲击。

（2）由于永磁磁场的相助，该类型的传动机构动作灵敏度较高，而且由于衔铁动作所需磁通量较小，衔铁截面积可以较小，使开关小型化较容易实现，并且动作速度较快，能满足开关时间的要求。

（3）衔铁动程也可以做得较大，适宜于大功率的开关。

电磁系统的结构形式确定后，再进行电磁系统各零件的设计，根据产品要求的结构尺寸、工作温度范围、线圈工作电压及电流、线圈吸合电压及释放电压、开关时间、触点压力和行程、寿命、冲击和振动等综合因素进行设计，通过Ansoft Maxwell软件进行仿真，得出最佳方案。

2.5  微波传输系统设计

微波传输系统是实现微波信号传输/切换的执行机构，是微波开关的核心，优良的微波传输系统是实现微波开关高性能指标的关键。本项目微波传输系统设计难点：

1）宽频带下，同时实现低驻波、小插损、高隔离度等技术指标要求；

2）带负载端传输结构小型化设计。

结合常规单刀六掷同轴开关和负载技术的经验，设计出本产品“7字形”微波传输通道结构，见图6，由同轴接口（内导体、支撑介质、外导体）、屏蔽带状线（腔体、腔盖、射频簧片）和负载同轴接口（内导体、支撑介质、微波电阻）组成。开关工作时高频信号从一端同轴接口输入，经过屏蔽带状线传输，最后由另一端同轴接口输出；不工作时，输出同轴接口接通负载，减少了信号泄漏，提高继电器的抗干扰能力，可有效保护前端功放，提高系统的安全性。

图6 微波传输系统结构图

a）该微波传输通道结构，很好的解决了射频同轴传输线与同轴负载匹配的问题，减小了微波传输组件的外径，能够满足该开关体积小型化的要求。

b）射频簧片、弹簧、推杆与腔盖热铆成一体，保证了推杆运动的一致性，提高了产品可靠性。

c）内导体与介质支撑采用一体化注塑，保证了同轴度，提高了产品电压驻波和插入损耗指标的一致性和稳定性。

2.6  负载设计

本产品同轴负载设计指标为：频率DC～18GHz；阻抗50Ω；功率：2W。

同轴负载设计中，介质支撑的设计为关键：

首先，需要对介质支撑的材料进行选择，应遵循三个原则：一是材料的机械强度要好，可加工性强；二是抗环境特性好，耐高低温，抗辐照，不易变形；三是材料的介电常数要小，且频率特性好。其次，需要对介质支撑带来的不连续性进行补偿。

负载端采用与国外相同的设计方案，进行同轴开关射频端50Ω负载匹配：

采用聚四氟乙烯介质支撑，采用台阶补偿，以降低驻波

使用圆柱状高频无感电阻承受功率

通过焊接方式固定柱状电阻

同轴负载可以分为同轴段和微带段，如图7所示，其中同轴段（内导体）主要用于连接其他同轴端口，微带段（柱状电阻）主要用于吸收微波能量和阻抗匹配。

图7 射频同轴负载结构图

2.7  仿真设计

在上述微波传输系统的设计基础上，对整体进行优化仿真设计，微波传输系统仿真模型和结果如图8所示。

图8 微波传输系统仿真模型和仿真曲线

从仿真结果可以看出，电压驻波比、插入损耗和隔离度的仿真结果满足设计要求，留有很大余量。

3  结论

由于结构设计合理、材料选择正确，使得此带负载端SP6T同轴开关结构尺寸以及射频参数指标仿真结果均满足设计要求。该产品的研制成功，解决带负载同轴开关“卡脖子”的问题，实现自主可控，提升我国高微波开关端接负载的设计和制造技术，为我国的国防事业做出重要贡献。

参考文献

[1] 乔长海. 高性能TNC_J型射频同轴终端负载设计[M]. 应用指南，2006.7.

[2] 代治兴. 一种圆形单刀多掷射频同轴继电器的设计[J]. 机电元件，2012.12.

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