韦学科，邓 斌，2，张华林

(1. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039； 2. 南京大学电子工程学院, 江苏 南京 210000)

单刀多掷开关的机电一体化设计*

韦学科1，邓 斌1，2，张华林1

(1. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039； 2. 南京大学电子工程学院, 江苏 南京 210000)

设计了一种高功率波导单刀多掷开关，将大功率波导旋转关节技术与传统电动波导开关技术相结合，实现输入端口与N路输出端口之间的高功率通道切换，从而达到采用一个单刀多掷开关替代多个传统单刀双掷开关的目的。该开关结构形式简单，驱动方便灵活，体积、重量及成本可以得到大大降低，可靠性得到较大提高。在整个切换过程中，开关承受功率高、损耗低、驻波小。实际加工了一个高功率波导单刀多掷开关，给出了实验结果，验证了该设计的可行性。

波导开关；单刀多掷开关；旋转关节

引 言

高功率波导单刀多掷开关在雷达等高功率微波系统中有着广泛的应用。在多馈源雷达扫描天线系统中，需要在多个馈源间进行快速通道切换；在高功率雷达中，有多个发射机热备份时，需要进行各个发射机通道选通；所有这些，都需要用高功率波导单刀多掷开关来实现。

文献[1]介绍了传统单刀双掷、双刀双掷波导开关的设计，其原理是利用一段90°波导圆弧弯作转子在定子内部做90°旋转来完成通道选择，当需要完成单刀N掷开关时，需要N-1个单刀双掷开关进行组合，各波导开关之间采用波导连接，结构复杂，导致组合开关体积大，重量重，驻波、损耗等电性能下降。控制时要求相应通路的所有波导开关联动控制，控制电路复杂，功耗大，可靠性较低，其中任何一个开关损坏都会造成整机损坏。

专利98228164.1《一种多路微波波导开关》介绍了另一种单刀多掷波导开关的设计，其利用开关转子上的n个转接通道及在定子上与其对应的2n+1个接口来实现1个微波通道与2n个微波通道之间的互相转接，从而达到用一个多路波导开关替代多个传统单刀双掷波导开关的目的，使微波系统的体积、重量、成本大大降低，系统的传输损耗和反射系数显著降低，但采用这种方式时转子上仍有n-1个转换通道处于闲置状态，占用了一定的结构空间。

1 波导单刀八掷开关原理

常规的单刀八掷开关采用单刀双掷开关级联的形式组成，单刀双掷开关原理如图1所示，转子处于图示位置时，XS1和XS3处于导通状态，当转子逆时针旋转90°时，XS1和XS2处于导通状态。单刀八掷开关需要7只单刀双掷开关组合实现，如图2所示。任意一路通道切换时，都必须有3只开关同步切换，其余4只可处于任意状态，如图2中，如果将输入信号导通到输出端口1时，需要将单刀双掷开关1、2、4切换到互通状态，开关3、5、6、7的状态不影响端口1的导通特性。图3为结构示意图，由图可见，此结构装配复杂，需要占用大量的结构空间，无论何时均有4只开关处于闲置状态。

图1 单刀双掷开关原理图

图2 常规单刀八掷开关组合原理图

图3 常规单刀八掷开关结构示意图

本文所述的高功率波导单刀八掷开关利用微波旋转关节在360°旋转时信号不间断的特点，代替图2中7只单刀双掷开关，通过步进电机[2-3]控制旋转关节转动部分的角度，与需要导通的通道对齐，完成通道切换，真正实现单刀结构。需要选通的8个通道设置在转子上，沿圆周均匀分布，如图4所示。

图4 高功率单刀八掷波导开关示意图

2 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。

图5 信号控制流程图

扼流槽部分的阻抗Z1通常选为1～2 Ω，Z2通常选为5～10 Ω，长度取λ/4，此时对旋转关节的整体性能不构成影响[7]。

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0.1 mm，等效于图8中等腰三角形的边b的长度要小于0.1 mm。单刀八掷开关的转子半径为200 mm，即图8中边a的长度。公式(4)为三角形的半角公式[8]。

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[4-5]。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：

(1)

2.2 步进电机及旋变

λ(TM01)>λ>λ(TE21)

(2)

化简得：

(3)

图6 矩圆波导变换

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。

笔者相信，以村落民俗志为基础的乡村研究，在当今中国重述“亚洲”、重写“世界史”和“全球史”的学术热潮中，不仅没有过时，而且不可或缺。毕竟，体察中国国情，理解中国道路，提炼中国话语，仍要以“在村落里研究”[注][美]克利福德·格尔茨：《文化的解释》，韩莉译，译林出版社，1999年，第29页。 的乡土中国学术实践为立足点。

图7 扼流槽结构示意图

2.1 旋转关节

式中，λg为波导波长。

本系统设计的体温数据采集节点采用便携式佩戴，在数据采集的过程中为了避免脉冲干扰。设计了基于SVM的改进型Kalman滤波算法。卡尔曼滤波器主要运用算法估计原理，在和被提取信号有关的量测量之间提取出所需要的信号[12]，以K-1时刻的最优估计x(k-1|k-1)为准，预测K时刻的状态变量x(k|k-1)，同时又对该状态进行观测，得到观测变量z(k)，再在预测与观测之间进行分析从而得到K时刻的最优状态估计x(k|k)。当系统启动时不存在x(k-1|k-1)等值，对此需要设定初值。如果在程序中设定固定的值，同时如果采集的数据一开始就含有干扰信号，卡尔曼滤波无法进行有效滤波。

1.1.2 培养细胞 人乳腺癌细胞系MDA-MB-468购买自上海舜冉生物科技有限公司，培养于含有10%胎牛血清和1%青链霉素的DMEM培养基中，细胞在37℃、5%CO 2环境下培养。

图8 角位移增量模型

(4)

1)频率：2.7～3.1 GHz；

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[9-10]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。

3 仿真与试验结果

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：

图9 波导口错位时驻波仿真结果

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0.1 mm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3.6 GHz处有一峰值，在2.7～3.1 GHz的工作频段几乎等于1。

对于1个普通的NVIDIA GPU，CUDA线程数目通常能达到数千个甚至更多，因而问题划分模型可成倍地提升计算机的运算性能。GPU由多个流水处理器构成，流水处理器以Block为基本调度单元，对于流水处理器较多的GPU，它一次可以处理的Block更多，从而运算速度更快，时间更短。该原理如图1所示,由图1可知，1个多线程程序被划分为多个线程块，块之间彼此无关，均独立执行，因而核心越多执行效率越高。

①在新建资源池网络中引入SDN组网，实现网络灵活部署。②传统数据中心在满足现有业务需求的情况下，暂不进行SDN改造，以免影响现网业务，后续根据集团公司指导意见和发展情况另行考虑。

式中：

2)最大电压驻波比：1.15；

3)最大插入损耗：0.3 dB；

在泰高高速TG-2标路基96区的大面积施工中，采用上述总结的技术参数和施工控制工艺能够满足实际施工指导要求。由于石灰水泥综合处治土施工方案及施工控制工艺的确定受到地形、土质、天气等自然因素的影响，这里仅以低液限粉土为例做简要分析，具体施工方案及施工控制工艺还需要结合施工实际综合确定。

4)最大通断时间：500 ms。

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0.3 dB，并通过了3 kW平均功率长时间考核。

柑桔红蜘蛛雌成虫体长0.32～0.37 mm，呈紫红色，形状为卵圆形，腹部背面有5行横排瘤状突起，每个突起上着生白色刚毛1根，每排4个，足4对。雄成虫身体要略小，呈鲜红色，腹部后半部较尖削。若虫身体比成虫小，足4对，身体颜色与成虫差别不大。幼虫体较小，长0.2 mm，初孵时足3对，体色呈淡红色或工黄色。卵直径大约0.13 mm，形状接近球形，红色，稍扁，快孵化时红色逐渐集中到一边。柑桔红蜘蛛的卵一般多产在叶面和叶背中脉两旁。

4 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。

[1] 刘辉. BJ-84机电控制波导开关设计[J]. 电讯技术, 2002, 42(5): 78-81.

[2] 刘宝廷, 程树康, 等. 步进电动机及其驱动控制系统[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1997.

[3] 龙艳, 李同宾. 步进电机转速控制技术研究[J]. 微电机, 2013, 46(11): 79-80,83.

[4] 杨睿萍. 微波旋转关节结构设计研究[J]. 电子工程, 2002(3): 32-38.

[5] 尹鹏飞, 张成全. 圆波导耦合TM01模旋转关节仿真设计[J]. 测控与通信, 2006, 30(3): 31-33.

[6] 居军. 门钮式波导-同轴交连的工程设计[J]. 微波学报, 2003, 19(4): 83-86.

[7] 胡济芳. 转动交连扼流槽的驻波与相移计算[J]. 现代雷达, 1999, 21(2): 82-86.

[8] 《数学手册》编写组. 数学手册[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005.

[9] 严武升, 刘宏. 一种实用的通信卫星跟踪系统：单片机控制步进跟踪系统[J]. 电子机械工程, 1992(3): 28-32.

[10] 程钧, 李信之. 高精度轴角编码器的多极旋变选用及结构精度设计[J]. 电子机械工程, 2001(5): 8-10.

韦学科(1975-)，男，高级工程师，主要研究方向为雷达馈线系统设计。

邓 斌(1982-)，男，博士，工程师，主要研究方向为计算电磁学、微波旋转关节等。

张华林(1973-)，男，硕士，研究员，主要研究方向为微波网络与系统、微波旋转关节等。

Mechatronic Design of Single-pole Multi-throw Switch

WEI Xue-ke1，DENG Bin1,2，ZHANG Hua-lin1

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China；2.SchoolofElectronicScienceandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing210000,China)

A type of high power single-pole multi-throw wave-guide switch is designed in this paper. Combining technologies of high power wave-guide rotary joint with traditional electric wave-guide switch, high power channel switch between input andN-way output is realized, thus the multiple traditional single-pole double-throw switch are replaced with one single-pole multi-throw switch. The switch has simple structure, convenient and flexible driving, greatly reduced volume, weight and cost and better reliability. During the switching rotation, the switch carries high power but has low insertion loss and low VSWR. A sample switch is produced, the experiment results verifiy the feasibility of the design.

wave-guide switch; single-pole multi-throw switch; rotary joint

2014-03-18

TM564.3

A

1008-5300(2014)03-0061-04