单刀多掷开关的一体化设计
《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
