單刀多擲開關(guān)的一體化設(shè)計(jì)范文

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《電子機(jī)械工程雜志》2014年第三期

1設(shè)計(jì)方法

圖5為單刀八擲開關(guān)信號(hào)流程圖。從控制系統(tǒng)發(fā)送的選通指令送至步進(jìn)電機(jī)，由旋變裝置將步進(jìn)電機(jī)的角度精度進(jìn)一步提高后控制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選通指定的通道。

1．1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是此單刀八擲開關(guān)連通微波信號(hào)的關(guān)鍵部件。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的輸入輸出端口選用矩形波導(dǎo)接口，中間連接部分可選為同軸或圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于矩形波導(dǎo)與同軸或圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)間的阻抗匹配。采用同軸結(jié)構(gòu)時(shí)，矩形波導(dǎo)與同軸結(jié)構(gòu)的變換通常采用門鈕式［6］和探球式匹配方法。采用圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要設(shè)計(jì)矩圓變換。圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)比同軸結(jié)構(gòu)承受的功率更大，因此本單刀八擲開關(guān)選取圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。圖6為矩圓波導(dǎo)變換示意圖。矩形波導(dǎo)中傳播的是TE10模，而圓波導(dǎo)中有TM模和TE模，圓波導(dǎo)中的TM01模不是其最低模式，還有TE11模要設(shè)法抑制。抑制方法可以在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的兩端各加一個(gè)短路圓筒，選取短路圓筒的直徑D1稍小于D2，可以選取短路圓筒的長度L1滿足。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)能轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵在于扼流槽，扼流槽將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的上下兩部分物理斷開，但電性能保持連續(xù)，如圖7所示。扼流槽部分的阻抗Z1通常選為1～2Ω，Z2通常選為5～10Ω，長度取λ/4，此時(shí)對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的整體性能不構(gòu)成影響［7］。

1．2步進(jìn)電機(jī)及旋變步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件。其功能是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移。其輸出轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速只取決于輸入脈沖個(gè)數(shù)、頻率，與負(fù)載變化無關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的角位移增量最小通常在0．5°左右，在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行選通時(shí)，要求與輸出端的波導(dǎo)口對齊誤差小于0．1mm，等效于圖8中等腰三角形的邊b的長度要小于0．1mm。單刀八擲開關(guān)的轉(zhuǎn)子半徑為200mm，即圖8中邊a的長度。公式(4)為三角形的半角公式。根據(jù)公式(4)，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子需要的轉(zhuǎn)動(dòng)精度誤差小于0．028°，而步進(jìn)電機(jī)的最小角位移量為0．5°，顯然僅靠步進(jìn)電機(jī)的角位移增量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的精確控制是不可能的，電機(jī)的最小角位移是要求精度的18倍，需要通過旋變裝置將電機(jī)的角位移精度進(jìn)一步提高。當(dāng)選取步進(jìn)電機(jī)與旋變發(fā)送機(jī)的速比為3∶1時(shí)，還需要通過設(shè)置旋變接收機(jī)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的速比為6∶1以上，考慮到傳動(dòng)誤差、角位移誤差、和旋變本身誤差等各項(xiàng)誤差，將速比設(shè)置為20∶1以上，理論上可使角度誤差達(dá)到0．008°。速比選取越高，開關(guān)輸入輸出端口的對齊越精確，對性能指標(biāo)的影響就越小。

2仿真與試驗(yàn)結(jié)果

與常規(guī)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相比，在仿真過程中增加了波導(dǎo)口錯(cuò)位仿真，按0．1mm的錯(cuò)位誤差考慮，界面不連續(xù)引起的駐波反射仿真結(jié)果如圖9所示。由圖可見，在3．6GHz處有一峰值，在2．7～3．1GHz的工作頻段幾乎等于1。加工制作的S波段單刀八擲開關(guān)在Agilent-8362B自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀上進(jìn)行測試，結(jié)果如下:1)頻率:2．7～3．1GHz;2)最大電壓駐波比:1．15;3)最大插入損耗:0．3dB;4)最大通斷時(shí)間:500ms。該高功率波導(dǎo)開關(guān)14%的帶寬內(nèi)電壓駐波比小于1．15，插入損耗小于0．3dB，并通過了3kW平均功率長時(shí)間考核。

3結(jié)束語

本文所述高功率波導(dǎo)單刀八擲開關(guān)具有損耗小、駐波特性好、隔離度高、功率容量高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上簡單緊湊，可加工性好，可靠性高，可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)及各種微波系統(tǒng)中。開關(guān)的轉(zhuǎn)子是沿輸出端口順序轉(zhuǎn)動(dòng)的，對于輸出端較多的情況，切換時(shí)間較長。

作者：韋學(xué)科鄧斌張華林單位：南京電子技術(shù)研究所南京大學(xué)電子工程學(xué)院