一种可靠的波导开关控制新方案

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摘要：本文介绍一种波导开关控制新方案。该方案是在充分研究波导开关电路特点和工程实际监控要求的基础上提出的，新方案从根本上解决了波导开关电路与其控制电路在工作原理上的不匹配问题，实现了TTL电平控制与波导开关电动工作的脉冲型原理相统一，以其控制简单、指示可靠、无需状态记忆、不出现误动为特点，通过工程实践证明，使用效果非常好。

关键词：波导开关；控制方案；转换驱动器

引言

波导开关是用于微波信号传输路径的选择、波导传输能量的通断或通道之间切换的一种机电一体化组件，广泛应用于电子系统微波发射设备和微波测控工程中，常用来实现核心微波设备的1:1备份或微波功率信号上天线和去负载通道之间的切换。根据微波信号频率的不同，波导开关相应具有不同的波导口径；结合工程实际的用途不同，波导开关又有三端口和四端口之分；按照波导端口的开口方向不同，波导开关又有E-面和H-面两种形式；若以操控方式的不同，波导开关还可分为手动和电动波导开关两种。目前常用的波导开关大多都是手动电动一体的H-面四端波导开关。所谓手动电动一体是指一个波导开关同时具有手动和电动两种操控模式，一般情况下采用电控模式工作，万一电控失灵仍可采用人工手动方式将其操作到位，这正体现出了波导开关及其控制的重要性。

波导开关的典型电路如图l所示。图中给出的是波导开关在位置1时的电路状态图，其中虚线所示则是波导开关在位置2时的电路状态。T1、T2是用于实现波导开关电动控制的两个波导转换驱动器电机绕组，S1、S2是实现波导开关位置到位指示切换的两个单刀双掷微动开关，它们同时还实现两个驱动电机绕组供电回路之间的通断切换，从而保证在开关到位后立即将电机的电源切断，避免电机因长时间加电而降低寿命或损坏。图中右边部分所示为波导开关波导端口的位置及通断状态，位置1时端口1-2和3-4通，位置2时端口1-4和2-3通。图中左边部分给出的是波导开关电控接线引脚定义，1号线是位置1控制端，2号线是位置1指示端，3号线是电动控制公共端，4号线是位置2指示端，5号线是位置2控制端。

波导开关主要由微波信号通道、波导转换驱动器以及两个位置指示和供电回路之间的切换电路组成，其工作原理描述如下：

假设波导开关的初始位置为1，则位置1的控制信号通过S 1送到位置1指示端，同时与位置l对应的是波导端口1-2和3-4相连通。当控制信号送到位置2控制端时，位置2控制信号通过S2、T2到控制公共端构成通路，T2受控使波导开关转动到位置2，与位置2对应的是波导端口1-4和2-3相连通，同时S1、S2自动切换到虚线位置，位置1指示无信号，位置2的控制信号通过S2被送到位置2指示端，保证位置和指示相对应。反之亦然。这种波导开关电路的特点是控制信号与指示信号之间有关联，开关动作由同一个电机的两个绕组分别控制，绕组T1加电将开关控制到位置1，绕组T2加电将开关控制到位置2，两绕组不会同时加电，绕组不加电，开关不回到原来位置，一旦开关到位后就能够自动切断控制信号并转换位置指示。

常规TTL电平控制方案及缺陷

方案原理

TTL电平控制方案是为了满足系统设备计算机监控的要求，在人工手动的机械模拟键控波导开关控制方案基础上发展而来的。波导开关的位置控制和到位检测都用数字逻辑信号来完成。一般情况下，波导开关的监控都采用TTL电平控制方案，其原理图如图2所示。

波导开关的位置控制通过一个单刀双掷继电器J0来实现，而继电器的控制又通过一个开关三极管N0来实现，TTL电平控制信号从N0的基极输入。当控制信号为逻辑0时，N0不导通，J0不动作，J0公共触点J0-0将地电位通过J0的常闭点J0-1和S1送到波导开关的位置1指示端，这时位置2指示端悬空，波导开关保持在位置1与位置指示一致；当控制信号为逻辑1时，N0导通，J0动作，J0-0与J0-2接通，位置1指示信号被切断而悬空，T2通过s2和J0的触点与+24V电源构成通路被启动，然后S1自动切换到虚线位置(这时J0-1悬空，故T1构不成闭合回路)，当电机驱动波导开关旋转到位后，S2将被切换到虚线位置，T2通路被切断，电机停止转动，同时J0公共触点J0-0将地电位通过J0的常开点J0-2和s2送到波导开关的位置2指示端，波导开关保持在位置2与位置指示一致。

方案中控制信号和指示信号均为TTL电平数字逻辑信号，控制信号、波导开关位置及位置指示信号之间的逻辑关系如下：

控制信号逻辑0-波导开关位置1―位置指示信号：位置1逻辑0，位置2悬空；

控制信号逻辑1―波导开关位置2―位置指示信号：位置1悬空，位置2逻辑0。

存在缺陷

TTL电平控制方案中的位置控制继电器J0，在位置1状态下虽带电但不工作，而在位置2状态下必须一直工作，否则J0释放，波导开关将会被置回到位置1。这样，在设备加电初始状态和关机前的末态之间就会有不一致的情况出现，从而导致在开机和关机瞬间出现不必要的，甚至是非常有害的波导开关误动作。所谓误动作，这里是指在没有下达控制命令的情况下所发生的不需要的转换动作。产生误动作的原因主要是在位置2状态下关机时，由于继电器J0的快速释放，导致在关机瞬间波导开关电机绕组T1与电源之间构成瞬态闭合通路，从而使波导开关在没有接到控制命令的情况下被误控回到位置1。系统监控一般要求在设备关机时应保持所控状态不变，并在下次开机后，在发出控制命令前也能保持设备状态不变。为此监控计算机必须专门记忆每次关机时的设备状态，并在下次开机时予以控制和保持。那么，在位置2状态下关机时，波导开关一旦被误控回到位置1，重新开机时，由于状态记忆，监控计算机势必会把波导开关控回到位置2。这样，每开关机一次，波导开关就要无谓的动作两次，这对波导开关的寿命非常不利。因此，有必要对TTL电平控制方案进行研究和改进。

改进方案

控制电路改进方案

针对产生误动作的原因，对波导开关TTL电平控制方案中的控制电路部分进行局部改进，得到改进方案如图3所示。

改进方案主要是在波导开关的控制公共端与+24V供电电源之间增加了一个继电器J1，其控制信号采用TTL电平脉冲方式，脉冲宽度取决于波导开关的切换时间。整个电路的工作原理如下。

初始状态：N0控制信号逻辑0―位置1―逻辑0送位置1指示端。N1控制信号逻辑0―波导开关控制 公共端悬空。波导开关保持在位置1。

控制到位置2:N0控制信号逻辑1，N1控制信号逻辑1―T2绕组加电，波导开关转动，位置1指示端悬空一波导开关转动到位，T2绕组自动断电，逻辑0送位置2指示端―N1控制信号逻辑回0，波导开关控制公共端悬空，波导开关控到位置2。

控制到位置1：N0控制信号逻辑0，N1控制信号逻辑1―T1绕组加电，波导开关转动，位置2指示端悬空一波导开关转动到位，T1绕组自动断电，逻辑0送位置1指示端―N1控制信号逻辑回0，波导开关控制公共端悬空，波导开关回到位置1。

关机：无论是在位置1还是在位置2进行关机，由于N1控制信号均为逻辑回0，波导开关控制公共端悬空，既使继电器J0快速释放，波导开关也不会出现误动作，一直保持在原有位置上。

开机：无论在位置1还是在位置2进行开机，只要监控计算机能够保证与上次关机时的控制状态一致，则一切没有问题，即位置和指示完全正确对应，波导开关不会出现误动作。

改进方案解决了误动作的问题，但仍要求监控计算机必须记忆每次关机时的设备状态，并在下次开机时予以控制和保持。因为在位置2状态下进行关机再开机时，电路初始条件无法保证送出正确的位置指示信号，必须由监控计算机在软件处理上多做一些工作，即记忆每次关机时的设备状态，并在下次开机时予以控制和保持。分析可知，问题原因在于波导开关的内部电路与外部控制电路在工作原理上的不完全匹配性。波导开关是由转角电机驱动的，电路的工作原理原则上属于脉冲型，即只需瞬态加电就可以工作到位，而TTL电平控制方案的电路恰恰相反，工作时不加电，或(必须)一直加电。为解决这一问题，本了进一步的研究。

TTL电平脉冲控制新方案

基于上述分析而知，要想完美解决波导开关的控制问题，仅从波导开关的外部控制电路去改进是不够的。因此，在经过对波导开关的内部电路和外部控制电路进行认真的分析和研究后，得到了一个更加完善和可靠的波导开关TTL电平脉冲控制新方案，如图4所示。

这种方案的工作原理为，只要N1控制端的控制信号送一个TTL电平脉冲逻辑1，即可将波导开关控制到位置1，同时将地信号逻辑0送到位置l指示端，位置2指示端悬空。同理，只要N2控制端的控制信号送一个TTL电平脉冲逻辑1，则波导开关将被控制到位置2，同时将地信号逻辑0送到位置2指示端，这时位置1的指示端将被悬空。

新方案从根本上解决了波导开关电路与其控制电路在工作原理上的不匹配问题，实现了TTL电平控制和波导开关电动工作的脉冲型原理相统一，不仅控制继电器不必长时间加电一直工作，更不会出现开关机时的误动作，而且也不存在无法送出正确位置指示信号的可能。所以，监控计算机无需记忆每次关机时的设备状态，更不需要在下次开机时给予无为的控制和保持。因此，新方案堪称是波导开关驱动、控制和指示的更佳方案。结语

实际工程当中所选用的波导开关是国产产品，整个波导开关的电路同图1，其中波导转换驱动器所使用的磁性材料是铝镍钴磁钢，它的规定使用条件为环境温度-40℃～+55℃，相对湿度92％～98％，气压54Kpa，振动频率30Hz～150Hz，振动加速度25m/s2，振动时间2h，冲击80次／分钟～100次／分钟，加速度70m／2