[科普中国]-波导开关

波导开关是微波电子设备中的常用器件，其功能是按需选择微波通道并实现对信号的高质量传输。与其它微波开关相比机电微波波导开关具有驻波低、插入损耗小、功率容量大的特点，已广泛应用于雷达、电子对抗等系统中。

简介按驱动方式分电动波导开关和手动波导开关，按结构形式分E面波导开关和H面波导开关；适用波导类型有矩形波导和双脊波导，标准矩形波导开关从BJ32到BJ900共18个品种，产品频率范围覆盖2.60-110GHz，全波导带宽内的典型驻波VSWR≤1.15，典型插损IL≤0.3dB，典型隔离度为ISO≥40dB， 在20%波导带宽内隔离度可达ISO≥60dB。波导开关的基本材料为铜材、铝材，表面处理有镀银、镀金、镀镍、钝化、导电氧化等处理方法。波导开关的外形尺寸、法兰、材料、表面处理和电气指标要求均可以按用户要求定制。1

小型化 Ku 波段机电波导开关随着微波技术的发展，雷达等微波装备的工作频带越来越宽、功率越来越大、灵敏度越来越高且集成度逐步提升，这对波导开关的频带、功率容量、隔离度、小型化提出了更高的要求。因此，开展宽频带、高功率、高隔离、小型化波导开关的研究对雷达和通信系统的发展具有重要意义。

工作原理通常机电波导开关为旋转式开关，在结构上由驱动电机和微波系统两部分构成。微波系统由微波转子和微波定子组成，其中微波转子内部设有弯曲微波通道，微波定子的周边设有波导窗。微波转子通过轴承安装在微波定子中。微波转子和微波定子间存在一定间隙，在电机的驱动下可在其中往复转动。如果弯曲通道和某两个波导窗相连则这两波导窗处于导通状态，否则处于截止状态。波导开关微波系统截面图如图1所示。

特点与参数可以看到产品具有小尺寸、宽频带、低驻波、小插损、高隔离的特点。

参数：

工作频率 12.4GHz～17.0GHz。

驻波 ≤1.10 。

插入损耗 ≤0.1d B 。

隔离度 ≥60d B 。

长×宽 ≤38mm×38mm 。

射频接口 BJ140矩形波导。2

新一代天气雷达波导开关CNIRAD/SA雷达是由中美合资研制的新一代多普勒天气雷达，前身是美国的WSR88d，目前国内已陆续布设了近80部且出口到部分国家，取得了较好的社会经济效益。随着运行时间的增长，雷达波导开关报警是比较频发的故障，影响了雷达的可用性。由于雷达使用的进口波导转换开关，且其报警是受多方面的因素决定，目前国内难以找到相关使用维修方面的资料。

波导转换开关基本原理波导转换开关按工作方式可分为：机电式开关和铁氧体开关两大类。机电式开关是利用数字电机带动阀门或转子转动从而达到对微波信号的关断和通道切换。铁氧体开关是利用具有铁磁特性的微波铁氧体材料结合激励电路制作的可电控的微波铁氧体器件。相比机电式开关，该产品具有转换速度快，移相精度高，工作状态稳定等特点。由于CNIRAD/SA雷达是具有24小时连续工作的多谱勒新一代天气雷达，铁氧体波导转换开关就成了首选。

CNIRAD/SA天气雷达波导转换开关1、CNIRAD/SA天气雷达射频信号通道流程

CNIRAD/SA天气雷达发射机从速调管高频放大后生成了大功率射频信号，经通道到达发射机柜外后，首先通过祸合器、到达谐波滤波器，再经过环流器，输出到频谱滤波器、方向祸合器IDC2。然后由IDC2把射频能量送到波导转换开关，在RDASC主控程序的控制下，波导转换开关内的大功率射频能量，经过波导送至天线/天线座，然后经TR/环流器、方位和俯仰关节方向祸合器（双向）送到天线馈源被发射出去。在正常发射电磁能量时，能量应该指向天线，而雷达待机状态或雷达进人标定状态时能量须打向假负载。

在正常工作情况下，大功率射频能量由发射机方向过来，经波导开关S和PORT1口进人波导开关，经PORT4口去通向天线的波导通道，通向假负载的PORT2、PORT3是关闭的，当雷达进行系统标定或待机时，通过波导开关的内部装置，PORT1与PORT2相通，发射机功率信号将打向假负载2，由负载2吸收信号能量以方便雷达系统内进行的标定测试。根据CNIRAD/SA雷达控制台RDASC的控制，雷达被设置成最少2小时、最长72小时必须进行雷达系统自动标定，以便让雷达系统保持较好的工作性能和正确的探测参数。

2、CNIRAD/SA天气雷达波导转换开关结构

在图1中，右侧1所示是可以带波导弯的转子，它可以在波导转换开关选择PORT出口时进行旋转，以便在两两波导口之间交替地完成传输。2是定子，是由铝材或铜材整体加工而成，波导口是对称地排列在定子的四个方向上。4是拔块2，在电磁开关的动作下，可以带动拔块1作往返运动，并可带动弹簧片5对微触点开关6进行开关，这样就可以把波导开关的定子位置报告给雷达控制台RDASC主控程序，如果说它的位置和主控程序指定的位置不一致，则雷达被强制设置为INOPRATE，即雷达不可以操作，并给出报警信息，Waveguide Switch Failure。7是电磁开关，是波导开关的动力装置。8是插座XS（J）l，为波导开关的转换提供电力与控制信号，同时可以把波导开关的信息及时传递到雷达主控制台的信号接口。

故障分析1、因为外部环境的变化而造成雷达波导开关报警故障

这是2012年2月17日连云港雷达开机给出的报警。WAVEGUIDE SWITCH FAILURE根据相关资料，CINRAD/SA与WSR一88D都使用由SECTOR MICROWAVE IND制造商生产的同一型号波导开关（SM2-641）查阅相关资料，发现波导开关对机房环境是有明确的要求的，工作温度需在+0.0/+35.0℃，上述故障报警发生在冬季，山顶室外气温在零下8℃以下，机房温度较低，波导开关的报警也就正常了。此情况下，可以提前对雷达预热，或利用DAU调试程序，试着把波导开关打在天线位置，经过两到三次的操作预热，一般雷达就可以开机了，波导开关报警故障消除。相似的故障有，在有雷达波导开关失败的同时报波导湿度压力报警，这时也要考虑机房是否空气湿度较大，应及时开启除湿装置。除湿后一般相应报警就会自行去除。

2、雷达波导转换开关没接到命令，开机失败

根据前面所述，这时如果测量波导开关的输人控制信号XS（J）1的A、B两端是否有+28V，如没有，先检查5PSI分机的+28v是否正常，如果没有，立即检修5PSI监控电源，若正常，可以先行用RDA计算机带有的DAU测试程序进行测试，进行天线模拟，当把开关打在天线状态时，再测量波导开关的输人控制信号XS（J）1的A、B两端是否有+28V，如有，可以查看天线命信令是否正常输出。1

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所