一种SP3T型射频同轴继电器的设计

一种SP3T型射频同轴继电器的设计

凌闯

（  中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽  蚌埠  233010）

摘  要：本文针对一种单刀三掷（SP3T）型射频同轴继电器的结构设计和运用HFSS仿真进行设计的方法进行介绍。

关键词：单刀三掷（SP3T）；射频同轴继电器；HFSS仿真

1  引言

射频同轴继电器是一种能够传输和切换微波信号的控制器件，一般用于微波信号路由的选择，或通过射频同轴继电器形成对微波传输链路的备份，是系统工程中十分重要的机电组件之一。随着微波技术的迅猛发展，射频同轴继电器在通信系统得到了越来越广泛的应用。射频同轴继电器按簧片的切换形式可分为：单刀双掷型、单刀多掷（SPNT，从3到18掷）型、双刀双掷型、双刀三掷型和T型等。JPT-46F型射频同轴继电器的切换形式为单刀三掷（SP3T）型，外形如图1所示。                                  图1 JPT-46F型射频同轴继电器

2  技术指标

JPT-46F型射频同轴继电器为磁保持式继电器，传输频率为0.05GHz～33GHz，转换触点形式为单刀三掷，射频接口为2.92-K型；具体技术指标见表1。

表1 技术指标

3  射频同轴继电器的设计和结构

3.1 外形和安装尺寸

各功能部件间的机械配合通过螺钉、螺柱固定连接，各部件组成整件后套入外壳，并用螺钉固定。SP3T型射频同轴继电器的外形和安装尺寸如图2所示。

图2  外形和安装尺寸

3.2射频同轴继电器工作原理

本文介绍的射频同轴继电器是一款单刀三掷转换继电器，主要由控制电路、电磁系统、传动机构、微波系统四大部分组成，产品结构图如图3所示。工作原理是：工作电压通过电路控制部分施加到电磁系统，电磁系统的作用是把电能转换为机械能，通过传动机构完成射频通道切换；工作电路原理图如图4所示。

图3 产品结构图

图4 电路原理图

3.3微波系统结构设计

微波传输结构（见图5）是同轴继电器的核心部分，主要由同轴接口（包括内导体、绝缘子和外导体等）和矩形同轴传输线（包括腔体、腔盖和接触簧片等，如图6所示）组成。射频同轴继电器工作时微波信号从一端同轴接口输入，经过矩形同轴线传输，再由另一端同轴接口输出。

      图5  微波传输结构图                     图6  矩形同轴传输线截面图图

3.4矩形同轴线设计

SP3T射频传输部分主要是由腔体、接触簧片、2.92型连接器组成，决定矩形同轴线特性阻抗的重要参数为接触簧片、腔体的宽度、厚度和材料的介电常数，计算时参照矩形同轴线特性（见表2）。按理想状态初步确定矩形同轴线腔体、接触簧片尺寸。矩形同轴传输线截面图（见图6）所示。而影响矩形同轴线特性阻抗 Z0的重要参数为接触簧片厚度 t、宽度 w 和矩形腔体高度 b、宽度 w'。

表2矩形同轴线特性

3.5 连接器设计

射频同轴继电器的输入输出端口均为2.92型同轴连接器，界面尺寸符合GJB5428中2.92系列连接器界面要求。2.92型同轴连接器设计主要是根据同轴传输线理论和特性阻抗公式（1）确定内外导体尺寸，然后在HFSS中进行优化处理。

……………………（1）

Z0 ——特性阻抗（Ω）；

εr——内外导体间介质材料的相对介电常数；

D——外导体内径（mm）；

d——内导体外径（mm）。

3.6仿真优化设计

模型建好以后对各个零件的材料进行设定，接触簧片的材料可设成copper,2.92型连接器的绝缘支撑设为聚乙烯亚胺，其他部分设置为空气。再进行端口设置：将四端连接器界面设置成50端口，然后设置求解条件：点频40GHz，10次迭代，最大误差0.02；Fast扫频方式、0.1——40 GHz，分为80份。下面就可以开始进行初步求解了。计算后选择显示电压驻波比如（图7）中显示的曲线。计算结果满足不了高频特性指标，需要进行仿真优化处理。

图7 电压驻波比仿真曲线

4.3.2模型仿真优化

通过分析上图曲线，在25.0GHz出现尖峰，电压驻波比高于1.42，经分析是连接器和矩形同轴线连接部分出现了不连续电容，反射系数很大。需要通过设置2.92型连接器插孔直径（D），矩形腔体的深度(b)和宽度(w′)为变量进行仿真优化。将2.92型连接器插孔直径（D）设为可变参数D1，范围1.25-1.30 mm，每步0.01mm；将矩形腔体的深度(b)设可变参数b 1，范围1.40-1.50mm，每步0.01mm。矩形腔体的宽度(w′)设可变参数w1，范围1.60-1.70 mm，每步0.01mm。设置完参数以后进行优化，优化后的曲线如图8所示。

图8  SP3T仿真优化电压驻波比曲线

5结束语

本文通过理论计算，初步确定各零部件尺寸，再利用HFSS软件对射频同轴继电器的射频传输部分进行仿真。对仿真曲线进行分析时发现连接器和矩形同轴线连接部分出现了不连续电容，反射系数很大。通过HFSS仿真优化，减少了因为导体直径过渡出现的不连续电容，引起的反射。使产品设计结构优化，满足了高频特性指标，减少了产品设计研发周期。

参考文献

[1] 郑兆翁.同轴式TEM模通用无源器件. 北京：人民邮电出版社，1983.

[2] 于捷. 微波开关的设计方法.连接器与开关第十届学术会议论文集，2008.10

［3］GJB 5246 －2004 射频连接器界面．