单刀多掷开关的一体化设计范文

《电子机械工程杂志》2014年第三期

1设计方法

图5为单刀八掷开关信号流程图。从控制系统发送的选通指令送至步进电机，由旋变装置将步进电机的角度精度进一步提高后控制旋转关节选通指定的通道。

1．1旋转关节旋转关节是此单刀八掷开关连通微波信号的关键部件。旋转关节的输入输出端口选用矩形波导接口，中间连接部分可选为同轴或圆波导结构。其设计难点在于矩形波导与同轴或圆波导结构间的阻抗匹配。采用同轴结构时，矩形波导与同轴结构的变换通常采用门钮式［6］和探球式匹配方法。采用圆波导结构时，需要设计矩圆变换。圆波导结构比同轴结构承受的功率更大，因此本单刀八掷开关选取圆波导结构。图6为矩圆波导变换示意图。矩形波导中传播的是TE10模，而圆波导中有TM模和TE模，圆波导中的TM01模不是其最低模式，还有TE11模要设法抑制。抑制方法可以在旋转关节的两端各加一个短路圆筒，选取短路圆筒的直径D1稍小于D2，可以选取短路圆筒的长度L1满足。旋转关节能转动的关键在于扼流槽，扼流槽将旋转关节的上下两部分物理断开，但电性能保持连续，如图7所示。扼流槽部分的阻抗Z1通常选为1～2Ω，Z2通常选为5～10Ω，长度取λ/4，此时对旋转关节的整体性能不构成影响［7］。

1．2步进电机及旋变步进电机又称脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移。其输出转角、转速只取决于输入脉冲个数、频率，与负载变化无关。步进电机的角位移增量最小通常在0．5°左右，在旋转关节进行选通时，要求与输出端的波导口对齐误差小于0．1mm，等效于图8中等腰三角形的边b的长度要小于0．1mm。单刀八掷开关的转子半径为200mm，即图8中边a的长度。公式(4)为三角形的半角公式。根据公式(4)，可以计算出转子需要的转动精度误差小于0．028°，而步进电机的最小角位移量为0．5°，显然仅靠步进电机的角位移增量实现转子的精确控制是不可能的，电机的最小角位移是要求精度的18倍，需要通过旋变装置将电机的角位移精度进一步提高。当选取步进电机与旋变发送机的速比为3∶1时，还需要通过设置旋变接收机与旋转关节转动轴的速比为6∶1以上，考虑到传动误差、角位移误差、和旋变本身误差等各项误差，将速比设置为20∶1以上，理论上可使角度误差达到0．008°。速比选取越高，开关输入输出端口的对齐越精确，对性能指标的影响就越小。

2仿真与试验结果

与常规旋转关节相比，在仿真过程中增加了波导口错位仿真，按0．1mm的错位误差考虑，界面不连续引起的驻波反射仿真结果如图9所示。由图可见，在3．6GHz处有一峰值，在2．7～3．1GHz的工作频段几乎等于1。加工制作的S波段单刀八掷开关在Agilent-8362B自动网络分析仪上进行测试，结果如下:1)频率:2．7～3．1GHz;2)最大电压驻波比:1．15;3)最大插入损耗:0．3dB;4)最大通断时间:500ms。该高功率波导开关14%的带宽内电压驻波比小于1．15，插入损耗小于0．3dB，并通过了3kW平均功率长时间考核。

3结束语

本文所述高功率波导单刀八掷开关具有损耗小、驻波特性好、隔离度高、功率容量高等优点，结构上简单紧凑，可加工性好，可靠性高，可广泛应用于雷达及各种微波系统中。开关的转子是沿输出端口顺序转动的，对于输出端较多的情况，切换时间较长。

作者：韦学科邓斌张华林单位：南京电子技术研究所南京大学电子工程学院