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《電子機械工程雜志》2014年第三期

1設計方法

圖5為單刀八擲開關信號流程圖。從控制系統發送的選通指令送至步進電機，由旋變裝置將步進電機的角度精度進一步提高后控制旋轉關節選通指定的通道。

1．1旋轉關節旋轉關節是此單刀八擲開關連通微波信號的關鍵部件。旋轉關節的輸入輸出端口選用矩形波導接口，中間連接部分可選為同軸或圓波導結構。其設計難點在于矩形波導與同軸或圓波導結構間的阻抗匹配。采用同軸結構時，矩形波導與同軸結構的變換通常采用門鈕式［6］和探球式匹配方法。采用圓波導結構時，需要設計矩圓變換。圓波導結構比同軸結構承受的功率更大，因此本單刀八擲開關選取圓波導結構。圖6為矩圓波導變換示意圖。矩形波導中傳播的是TE10模，而圓波導中有TM模和TE模，圓波導中的TM01模不是其最低模式，還有TE11模要設法抑制。抑制方法可以在旋轉關節的兩端各加一個短路圓筒，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。旋轉關節能轉動的關鍵在于扼流槽，扼流槽將旋轉關節的上下兩部分物理斷開，但電性能保持連續，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，此時對旋轉關節的整體性能不構成影響［7］。

1．2步進電機及旋變步進電機又稱脈沖電動機，是數字控制系統中的一種執行元件。其功能是將脈沖電信號變換為相應的角位移或直線位移。其輸出轉角、轉速只取決于輸入脈沖個數、頻率，與負載變化無關。步進電機的角位移增量最小通常在0．5°左右，在旋轉關節進行選通時，要求與輸出端的波導口對齊誤差小于0．1mm，等效于圖8中等腰三角形的邊b的長度要小于0．1mm。單刀八擲開關的轉子半徑為200mm，即圖8中邊a的長度。公式(4)為三角形的半角公式。根據公式(4)，可以計算出轉子需要的轉動精度誤差小于0．028°，而步進電機的最小角位移量為0．5°，顯然僅靠步進電機的角位移增量實現轉子的精確控制是不可能的，電機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的角位移精度進一步提高。當選取步進電機與旋變發送機的速比為3∶1時，還需要通過設置旋變接收機與旋轉關節轉動軸的速比為6∶1以上，考慮到傳動誤差、角位移誤差、和旋變本身誤差等各項誤差，將速比設置為20∶1以上，理論上可使角度誤差達到0．008°。速比選取越高，開關輸入輸出端口的對齊越精確，對性能指標的影響就越小。

2仿真與試驗結果

與常規旋轉關節相比，在仿真過程中增加了波導口錯位仿真，按0．1mm的錯位誤差考慮，界面不連續引起的駐波反射仿真結果如圖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波段單刀八擲開關在Agilent-8362B自動網絡分析儀上進行測試，結果如下: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)最大通斷時間:500ms。該高功率波導開關14%的帶寬內電壓駐波比小于1．15，插入損耗小于0．3dB，并通過了3kW平均功率長時間考核。

3結束語

本文所述高功率波導單刀八擲開關具有損耗小、駐波特性好、隔離度高、功率容量高等優點，結構上簡單緊湊，可加工性好，可靠性高，可廣泛應用于雷達及各種微波系統中。開關的轉子是沿輸出端口順序轉動的，對于輸出端較多的情況，切換時間較長。

作者：韋學科鄧斌張華林單位：南京電子技術研究所南京大學電子工程學院