一种射频继电器电磁系统设计

凌 闯，操基德

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠233010)

1 引言

射频继电器是一种能够传输和切换射频信号的继电器。从工作机理上，射频继电器可分为两大类，即机电式射频继电器和固态式射频继电器。

随着微波技术的迅猛发展，机电式射频继电器由于切换频率宽，插损小，隔离度高等特点，在航天、航空、通讯和军事等领域得到了越来越广泛的应用。

本文介绍了机电式射频继电器的工作原理，阐述了一种高可靠的双稳态螺管式电磁系统设计方法，对同类产品的设计具有一定的指导意义。

图1 工作原理框图

2 射频继电器工作原理

本文以脉冲控制型单刀双掷(SPDT)机电式射频继电器为例介绍该类产品的工作原理。射频继电器主要由电磁系统、传动机构和射频传输切换系统等几部分组成。其工作原理为:当一组线圈加电时，产生的电磁力使铁芯或衔铁动作，并通过传动机构带动射频簧片闭合或断开，从而实现射频信号切换;当另一组线圈加电时，工作状态相反。图1为其工作原理框图，图2为SPDT电气原理图。

图2 SPDT电气原理图

3 电磁系统设计

3．1 结构与原理阐述

射频继电器的电磁系统通常采用开放式结构，漏磁通较大，造成吸力变小，降低了衔铁或铁芯的行程，限制了传输切换系统中射频簧片行程，从而影响了继电器的指标参数;另外，开放式结构的电磁系统相互之间磁干扰大，不利于高密度安装。下面介绍一种螺管式电磁系统。

螺管式电磁系统主要由螺管双线圈、线圈骨架、套管、上端盖、磁钢、铁芯、外护罩和下端盖等组成，如图3所示。

图3 螺管式电磁系统

螺管双线圈(线圈Ⅰ与线圈Ⅱ)并绕在线圈骨架上，线圈骨架内套装有套管和铁芯，铁芯沿轴向方向穿过线圈骨架两侧。套管与线圈骨架之间固定放置若干块磁钢，在绕组的外表面放置外护罩，骨架两端放置上端盖和下端盖，从而构成了双稳态磁路结构。该系统不需要弹簧等复位装置使铁芯恢复初始状态，整个装置结构简单，铁芯行程大，实现了长行程牵引的要求。控制的脉冲电流小，静态时不需加电，不仅节约电能，还使得电子电路控制更为方便。

3．2 参数与仿真设计

通过对图3结构分析可得到电磁结构等值磁路图，见图4。

图4 电磁系统等值磁路图

HL－永久磁钢磁势;

(IW)－线圈通电时产生的磁势;

R＇上端盖等导磁零件在1回路中的磁阻;

R″下端盖等导磁零件在2回路中的磁阻;

RδA磁回路1的空气磁阻;

RδB磁回路2的空气磁阻;

φm1、φm2分别为磁钢在回路1、回路2的磁通量;

Φn线圈加电产生的磁通量。

根据产品的结构及尺寸大小初步得出永久磁钢的长度与工作空气隙的大小。取磁钢的长度对截面的比值等于气隙的长度对截面的比值的1/4到1/8，进而初步求得磁钢截面积。

在给定工作空气隙下，由式(1)求出永久磁钢的工作点，比较不同磁钢的去磁曲线最终选用材料Sm2Co17。由相对回复磁导率的大小通过磁钢的恢复线，就可以得到不同空气隙δ的磁场强度H，磁感应强度B。

式(1)中，l为磁钢的长度，δ为空气间隙的大小。

由图4电磁系统等值磁路图和Maxwell理论，当线圈不加电时，电磁系统铁芯的保持力为:

当线圈加电，电磁系统铁芯的保持力为:

式(2)和(3)中，μ0 值为1．25Mx/A·cm;

S为工作气隙导磁截面积(cm2)。

在射频继电器常用结构中，反力通常为弹簧或弹性簧片，根据设计要求修正和验算，与反力系统进行匹配。

最后确定该电磁系统的参数为:

铁芯组件直径:Φ4．1mm;

铁芯初始保持力:3．45 ±0．2N;

线圈漆包线直径:Φ0．105mm;

绕线匝数:2550匝。

我们借助Maxwell三维电磁仿真软件对该结构进行分析，仿真模型见图5。

加电状态下的磁场强度分布图，分别见图6。

图5 电磁结构仿真模型

电磁系统在线圈未加电和加电状态下的铁芯受力分布图，见图7。

图6 (a) 未加电时磁场强度分布

图6 (b) 加电后磁场强度分布

图7 (a) 未加激励时铁芯的受力曲线

图7 (b) 加激励时铁芯的受力曲线

实际对于电磁系统的零件，在加工环节各个导磁零件的热处理、表面涂覆，装配精度与配合间隙的影响对吸力的大小都会有改变。软件仿真分析时，采用的设计模型处于理想状态。通过多个批次的样品测试，在不同的工作气隙时，仿真结果与实际测试值偏差为10．3% ～27．3%之间。

4 结论

该电磁系统采用线圈脉冲式动作，温升低，可靠性高;电磁系统结构简单，实现了体积小、长行程牵引的要求。

采用该系统的产品已经被用户使用，证明该系统的设计是合理的。振动、冲击等环境试验和电寿命都达到了设计要求。

［1］邹海峰编．《小型电磁继电器》．西安:陕西科学技术出版社，1984．

［2］и．с．塔耶夫著，任耀先 贾继钧 张金城译．《电器学》北京:机械工业出版社，1983．