一種射頻繼電器電磁系統設計

凌 闖，操基德

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠233010)

1 引言

射頻繼電器是一種能夠傳輸和切換射頻信號的繼電器。從工作機理上，射頻繼電器可分為兩大類，即機電式射頻繼電器和固態式射頻繼電器。

隨著微波技術的迅猛發展，機電式射頻繼電器由于切換頻率寬，插損小，隔離度高等特點，在航天、航空、通訊和軍事等領域得到了越來越廣泛的應用。

本文介紹了機電式射頻繼電器的工作原理，闡述了一種高可靠的雙穩態螺管式電磁系統設計方法，對同類產品的設計具有一定的指導意義。

圖1 工作原理框圖

2 射頻繼電器工作原理

本文以脈沖控制型單刀雙擲(SPDT)機電式射頻繼電器為例介紹該類產品的工作原理。射頻繼電器主要由電磁系統、傳動機構和射頻傳輸切換系統等幾部分組成。其工作原理為:當一組線圈加電時，產生的電磁力使鐵芯或銜鐵動作，并通過傳動機構帶動射頻簧片閉合或斷開，從而實現射頻信號切換;當另一組線圈加電時，工作狀態相反。圖1為其工作原理框圖，圖2為SPDT電氣原理圖。

圖2 SPDT電氣原理圖

3 電磁系統設計

3．1 結構與原理闡述

射頻繼電器的電磁系統通常采用開放式結構，漏磁通較大，造成吸力變小，降低了銜鐵或鐵芯的行程，限制了傳輸切換系統中射頻簧片行程，從而影響了繼電器的指標參數;另外，開放式結構的電磁系統相互之間磁干擾大，不利于高密度安裝。下面介紹一種螺管式電磁系統。

螺管式電磁系統主要由螺管雙線圈、線圈骨架、套管、上端蓋、磁鋼、鐵芯、外護罩和下端蓋等組成，如圖3所示。

圖3 螺管式電磁系統

螺管雙線圈(線圈Ⅰ與線圈Ⅱ)并繞在線圈骨架上，線圈骨架內套裝有套管和鐵芯，鐵芯沿軸向方向穿過線圈骨架兩側。套管與線圈骨架之間固定放置若干塊磁鋼，在繞組的外表面放置外護罩，骨架兩端放置上端蓋和下端蓋，從而構成了雙穩態磁路結構。該系統不需要彈簧等復位裝置使鐵芯恢復初始狀態，整個裝置結構簡單，鐵芯行程大，實現了長行程牽引的要求。控制的脈沖電流小，靜態時不需加電，不僅節約電能，還使得電子電路控制更為方便。

3．2 參數與仿真設計

通過對圖3結構分析可得到電磁結構等值磁路圖，見圖4。

圖4 電磁系統等值磁路圖

HL－永久磁鋼磁勢;

(IW)－線圈通電時產生的磁勢;

R＇上端蓋等導磁零件在1回路中的磁阻;

R″下端蓋等導磁零件在2回路中的磁阻;

RδA磁回路1的空氣磁阻;

RδB磁回路2的空氣磁阻;

φm1、φm2分別為磁鋼在回路1、回路2的磁通量;

Φn線圈加電產生的磁通量。

根據產品的結構及尺寸大小初步得出永久磁鋼的長度與工作空氣隙的大小。取磁鋼的長度對截面的比值等于氣隙的長度對截面的比值的1/4到1/8，進而初步求得磁鋼截面積。

在給定工作空氣隙下，由式(1)求出永久磁鋼的工作點，比較不同磁鋼的去磁曲線最終選用材料Sm2Co17。由相對回復磁導率的大小通過磁鋼的恢復線，就可以得到不同空氣隙δ的磁場強度H，磁感應強度B。

式(1)中，l為磁鋼的長度，δ為空氣間隙的大小。

由圖4電磁系統等值磁路圖和Maxwell理論，當線圈不加電時，電磁系統鐵芯的保持力為:

當線圈加電，電磁系統鐵芯的保持力為:

式(2)和(3)中，μ0 值為1．25Mx/A·cm;

S為工作氣隙導磁截面積(cm2)。

在射頻繼電器常用結構中，反力通常為彈簧或彈性簧片，根據設計要求修正和驗算，與反力系統進行匹配。

最后確定該電磁系統的參數為:

鐵芯組件直徑:Φ4．1mm;

鐵芯初始保持力:3．45 ±0．2N;

線圈漆包線直徑:Φ0．105mm;

繞線匝數:2550匝。

我們借助Maxwell三維電磁仿真軟件對該結構進行分析，仿真模型見圖5。

加電狀態下的磁場強度分布圖，分別見圖6。

圖5 電磁結構仿真模型

電磁系統在線圈未加電和加電狀態下的鐵芯受力分布圖，見圖7。

圖6 (a) 未加電時磁場強度分布

圖6 (b) 加電后磁場強度分布

圖7 (a) 未加激勵時鐵芯的受力曲線

圖7 (b) 加激勵時鐵芯的受力曲線

實際對于電磁系統的零件，在加工環節各個導磁零件的熱處理、表面涂覆，裝配精度與配合間隙的影響對吸力的大小都會有改變。軟件仿真分析時，采用的設計模型處于理想狀態。通過多個批次的樣品測試，在不同的工作氣隙時，仿真結果與實際測試值偏差為10．3% ～27．3%之間。

4 結論

該電磁系統采用線圈脈沖式動作，溫升低，可靠性高;電磁系統結構簡單，實現了體積小、長行程牽引的要求。

采用該系統的產品已經被用戶使用，證明該系統的設計是合理的。振動、沖擊等環境試驗和電壽命都達到了設計要求。

［1］鄒海峰編．《小型電磁繼電器》．西安:陜西科學技術出版社，1984．

［2］и．с．塔耶夫著，任耀先 賈繼鈞 張金城譯．《電器學》北京:機械工業出版社，1983．