微波隔离固态继电器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种微波隔离固态继电器，由至少一路微波隔离继电单元构成；每路微波隔离继电单元包括输入电路和输出电路，其中输入电路和输出电路之间通过微波方式实现电气隔离。本实用新型采用微波传输方式完成输入信号与输出信号之间的电气隔离，能够提高固态继电器的可靠性、安全性，提升在恶劣电磁及辐射环境条件下的抗干扰能力；具有抗干扰能力强、工作可靠性高、安全性好、体积小重量轻等特点。
【专利说明】
微波隔离固态继电器
技术领域
[0001]本实用新型涉及继电器技术领域，具体涉及一种微波隔离固态继电器。
【背景技术】
[0002]电气隔离型固态继电器作为军用控制系统的重要部件，直接影响到整个武器系统的生存能力和战斗力的发挥，在各种恶劣电磁及辐射环境条件下，要求可靠地工作；同时，由于武器型号小型化的发展趋势，对部件体积小型化提出了更高的要求。然而，传统的固态继电器均采用光电隔离方式或变压器磁隔离方式，且体积较大，在应对未来更恶劣的电磁环境和辐射环境均存在不安全因素。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型所要解决的技术问题是传统的固态继电器存在体积较大和可靠性不佳的问题，提供一种微波隔离固态继电器。
[0004]为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0005]—种微波隔离固态继电器，包括继电器本体，所述继电器本体由至少一路微波隔离继电单元构成;每路微波隔离继电单元包括输入电路和输出电路，其中输入电路和输出电路之间通过微波方式实现电气隔离。
[0006]上述方案中，每路微波隔离继电单元包括低通滤波器、门限电路、微波信号源、调制器和功率放大器、解调器、整流倍压电路、功率管驱动电路、功率管和微带耦合天线;其中微带耦合天线包括发射端天线和接收端天线。低通滤波器的输入端接外部输入控制信号；低通滤波器的输出端与门限电路的输入端相连；门限电路的输出端与调制器的控制端相连，微波信号源的输出端与调制器的输入端相连;调制器的输出端与功率放大器的输入端相连;功率放大器的输出端与微带耦合天线的发射端天线相连。微带耦合天线的接收端天线与解调器的输入端相连;解调器的输出端与整流倍压电路的输入端相连;整流倍压电路的输出端与功率管驱动电路的输入端相连;功率管驱动电路的输出端与功率管的控制端相连;功率管的输出端向外部输出驱动信号。
[0007]上述方案中，低通滤波器包括电阻Rl，电容Cl、C2，以及运算放大器Ul;电阻Rl的一端作为低通滤波器的输入端，与外部输入控制信号相连;电阻Rl与电容Cl串连，串连的中点与运算放大器Ul的正输入端相连；电容Cl的另一端与输入电路地端相连；电容C2的两端分别与运算放大器Ul的电源正、负端相连;运算放大器Ul的负输入端与运算放大器Ul的输出端相连;运算放大器Ul的输出端作为低通滤波器的输出端。
[0008]上述方案中，门限电路包括电阻R2-R7，电容C3，以及三极管VT1、VT2;三极管VTI的基极作为门限电路的输入端；电阻R2的一端连接三极管VTl的基极，另一端连接输入电路地端；电阻R4—端连接三极管VTl的发射极，另一端连接输入电路地端；电阻R3—端连接三极管VTI的集电极，另一端连接输入电路电源正端VCC;电阻R5与电容C3并联，并联后的一端连接三极管VTl的集电极，并联后的另一端连接三极管VT2的基极；电阻R6—端连接三极管VT2的基极，另一端连接输入电路地端；电阻R7—端连接三极管VT2的集电极，另一端连接输入电路电源正端VCC;三极管VTl的发射极与三极管VT2的发射极相连;三极管VT2的集电极作为门限电路的输出端。
[0009]上述方案中，功率放大器包括电阻R8-R12，电容C4，运算放大器U2，以及微波功率三极管VT3 ;电阻R8的一端作为功率放大器的输入端，另一端连接运算放大器U2的负输入端；电阻R9的一端连接运算放大器U2的正输入端，另一端连接输入电路地端；电阻RlO的一端连接运算放大器U2的负输入端，另一端连接运算放大器U2的输出端；电容C4连接运算放大器U2的正、负电源端；电阻Rll的一端连接运算放大器U2的输出端，另一端连接微波功率三极管VT3的基极;电阻R12的两端分别连接微波功率三极管VT3的基极和发射极;微波功率三极管VT3的集电极作为功率放大器的输出端。
[0010]上述方案中，整流倍压电路包括电容C5-C10，以及双二极管VD1-VD3;电容C5的一端作为整流倍压电路的输入端，另一端连接双二极管VDl的第三端；电容C7的两端分别连接双二极管VDl、VD2的第三端；电容C9的两端分别连接双二极管VD2、VD3的第三端；电容C6的两端分别连接双二极管VDl的第一、二端；电容CS的两端分别连接双二极管VD2的第一、二端；电容ClO的两端分别连接双二极管VD3的第一、二端;双二极管VDl的第一端连接输出电路地端;双二极管VDl的第二端与双二极管VD2的第一端相连;双二极管VD2的第二端与双二极管VD3的第一端相连;双二极管VD3的第二端作为整流倍压电路的输出端。
[0011]上述方案中，功率管驱动电路包括电阻R13-R17，电容C11，运算放大器U3，以及稳压管VD4;电阻R13的一端作为功率管驱动电路的输入端，另一端连接运算放大器U3的负输入端；电阻R14的一端连接运算放大器U3的正输入端，另一端连接输出电路地端；电阻R15的一端连接运算放大器U3的负输入端，另一端连接运算放大器U3的输出端；电容Cll的两端分别连接运算放大器U3的正、负电源端；电阻R17与稳压管VD4并联;稳压管VD4的正端连接输出电路地端，电阻R16的一端连接运算放大器U3的输出端，电阻R16的另一端与稳压管VD4的负端作为功率管驱动电路的输出端。
[0012]上述方案中，功率管为场效应管、单个三极管和/或达林顿管。
[0013]当微波隔离继电单元为2路以上时，每路微波隔离继电单元之间采用不同的载波频率，以防止相互干扰。
[0014]与现有技术相比，本实用新型采用微波传输方式完成输入信号与输出信号之间的电气隔离，能够提高固态继电器的可靠性、安全性，提升在恶劣电磁及辐射环境条件下的抗干扰能力;具有抗干扰能力强、工作可靠性高、安全性好、体积小重量轻等特点。
【附图说明】
[0015]图1为一种单通道微波隔离固态继电器的电路原理图。
[0016]图2为一种多通道的微波隔离固态继电器的电路原理图。
[0017]图3为输入电路的原理图。
[0018]图4为输出电路的原理图。
【具体实施方式】
[0019]实施例1:
[0020]一种单通道的微波隔离固态继电器，如图1所示，包括外壳以及设置在外壳内的I路微波隔离继电单元。上述微波隔离继电单元主要由低通滤波器、施密特触发门限电路、微波信号源、调制器、功率放大器、微带耦合天线、解调器、整流倍压电路、功率管驱动电路和功率管组成。低通滤波器的输入端与外部输入控制信号相连;低通滤波器的输出端与施密特触发门限电路的输入端相连;施密特触发门限电路的输出端与调制器的控制端相连，微波信号源的输出端与调制器的输入端相连;调制器的输出端与功率放大器的输入端相连；功率放大器的输出端与微带耦合天线的发射端天线相连;微带耦合天线的接收端天线与解调器的输入端相连;解调器的输出端与整流倍压电路的输入端相连;整流倍压电路的输出端与功率管驱动电路的输入端相连;功率管驱动电路的输出端与功率管的控制端相连;功率管的输出端向外部输出经过功率放大并与输入信号隔离的信号，以驱动输出负载。
[0021]1、输入电路
[0022]如图3所示，低通滤波器、施密特触发门限电路、微波信号源、调制器和功率放大器形成微波隔离固态继电器的输入电路部分，完成输入信号的滤波整形、调制和功率放大。
[0023]1-1、低通滤波器
[0024]低通滤波器包括电阻Rl，电容C1、C2，集成运算放大器U1。电阻Rl的一端作为低通滤波器的输入端，与外部输入控制信号相连;电阻Rl与电容Cl串连，串连的中点与集成运算放大器Ul的正输入端相连；电容Cl的另一端与输入电路地端相连；电容C2的两端分别与集成运算放大器Ul的电源正、负端相连;集成运算放大器Ul的负输入端与输出端相连;集成运算放大器Ul的输出端作为低通滤波器的输出端。
[0025]外部控制信号通过输入连接器或管脚引入低通滤波器的输入端，电阻Rl和电容Cl组成RC低通滤波电路，通过低通滤波电路对输入控制信号进行低通滤波，去除控制信号中的高频干扰，防止干扰信号引起电路误动作;通过RC低通滤波后的控制信号，引入集成运算放大器Ul的正输入端，由集成运算放大器Ul完成信号的缓冲放大，提高信号的驱动能力，并输出到下级电路。
[0026]1-2、施密特触发门限电路
[0027]施密特触发门限电路包括电阻R2、R3、R4、R5、R6、R7，电容C3，三极管VT1、VT2。三极管VTI的b极作为施密特触发门限电路的输入端；电阻R2的一端连接三极管VTI的b极，另一端连接输入电路地;电阻R4—端连接三极管VTl的e极，另一端连接输入电路地;电阻R3—端连接三极管VTI的c极，另一端连接输入电路电源正端VCC;电阻R5与电容C3并联，然后一端连接三极管VTl的c极，另一端连接三极管VT2的b极；电阻R6—端连接三极管VT2的b极，另一端连接输入电路地；电阻R7—端连接三极管VT2的c极，另一端连接输入电路电源正端VCC;三极管VTl的e极与三极管VT2的e极相连;三极管VT2的c极作为施密特触发门限电路的输出端。
[0028]两个三极管VT1、VT2耦合是采用电阻分压和发射极耦合，并采用正反馈方式进行工作，使得输出翻转时的输入动作电平和输出向原始状态恢复时的输入动作电平有所不同，即形成动作的滞后电压，完成输入波形整形和避免振荡。去除高频干扰后的控制信号，从低通滤波器的输出端输出，引入施密特触发门限电路的输入端，施密特触发门限电路对输入的控制信号进行整形，形成数字方波信号，并添加电压窗口迟滞效应，避免在临界电压点上形成振荡。
[0029]1-3、微波信号源
[0030]微波信号源用于产生特定频率的微波信号，输出到调制器的输入端，作为调制器的载波输入信号，载波信号的频率与后级的微带耦合天线相匹配。调制器将微波信号源输入的微波信号作为高频载波信号，对由施密特触发门限电路输入的控制信号进行调制，产生高频调制波，从输出端输出。
[0031]1-4、调制器
[0032]调制器用于合成最终需通过天线隔离发送的信号，它有两个输入端;一个是控制信号输入端，是需要隔离发送的有效信号；另一个是载波输入端，它负责搭载有效控制信号进行传送。经过滤波整形后的控制信号，从施密特触发门限电路的的输出端输出，引入调制器的控制端，作为调制器的输入控制信号，控制调制器的输出。调制器输出的高频调制波，引入到功率放大器的输入端。
[0033]1-5、功率放大器
[0034]功率放大器包括电阻1?8、1?9、1?10、1?11、1?12，电容04，高速集成运算放大器1]2，微波功率三极管VT3。电阻R8的一端作为功率放大器的输入端，另一端连接高速集成运算放大器U2的负输入端；电阻R9的一端连接高速集成运算放大器U2的正输入端，另一端连接输入电路地;电阻RlO的一端连接高速集成运算放大器U2的负输入端，另一端连接高速集成运算放大器U2的输出端；电容C4连接高速集成运算放大器U2的正、负电源端；电阻Rl I的一端连接高速集成运算放大器U2的输出端，另一端连接微波功率三极管VT3的b端；电阻R12的两端分别连接微波功率三极管VT3的b、e端;微波功率三极管VT3的c端作为功率放大器的输出端，驱动微带耦合天线的发射端天线。
[0035]功率放大器用于完成高频调制波的功率放大，驱动下级的微带耦合天线的发射端天线，由微带耦合天线的发射端天线进行信号的隔离发送。功率放大器的第一级由高速集成运算放大器U2及外围电阻、电容组成反相放大器，对输入的高频调制波进行前置放大，提高信号的驱动能力，并将信号电平调整到合适值;经过前置放大的高频调制波送入微波功率三极管VT3的控制端，由三极管VT3完成信号的功率放大，然后驱动微带耦合天线的发射端天线，完成信号的空间定向发送。
[0036]2、隔呙传输
[0037]微带耦合天线包括发射端天线和接收端天线，形成微波隔离固态继电器的隔离传输部分，用于完成信号的隔离传送。微带耦合天线的发射端天线完成信号的空间隔离发送，微带耦合天线的接收端天线完成信号的空间接收。微带耦合天线的发射端天线和接收端天线均由印制电路板上特定形状的覆铜箔导电带构成，发射端天线覆铜箔导电带完成信号的平面定向发射，接收端天线覆铜箔导电带用于高效接收微带耦合天线的发射端天线发送来的尚频调制波。
[0038]3、输出电路
[0039]如图4所示，解调器、整流倍压电路、功率管驱动电路和功率管形成形成微波隔离固态继电器的输出电路部分，完成接收信号的解调、整流滤波、升压和功率放大，最后驱动功率管输出信号。
[0040]3-1、解调器
[0041]解调器将接收到的高频调制波由解调器完成信号解调，去掉高频载波，还原出控制信号。
[0042]3-2、整流倍压电路
[0043]整流倍压电路包括电容05工6、07工8、09、(:10，双二极管￥01、￥02、￥03。电容05的一端作为整流倍压电路的输入端，另一端连接双二极管VDl的第3端；电容C7的两端分别连接双二极管VDl、VD2的第3端；电容C9的两端分别连接双二极管VD2、VD3的第3端；电容C6的两端分别连接双二极管VDl的第1、2端；电容C8的两端分别连接双二极管VD2的第1、2端；电容ClO的两端分别连接双二极管VD3的第1、2端;双二极管VDl的第I端连接输出电路地;双二极管VDl的第2端与双二极管VD2的第I端相连;双二极管VD2的第2端与双二极管VD3的第I端相连;双二极管VD3的第2端作为整流倍压电路的输出端。
[0044]整流倍压电路由电容和二极管构成多级整流倍压电路，对解调器还原出的控制信号进行整流滤波，然后通过倍压电路对整流滤波得到的低压信号进行升压处理，产生符合要求的高电平信号。
[0045]3-3、功率管驱动电路
[0046]功率管驱动电路包括电阻R13、R14、R15、R16、R17，电容C11，集成运算放大器U3，稳压管VD4。电阻R13的一端作为功率管驱动电路的输入端，另一端连接集成运算放大器U3的负输入端；电阻R14的一端连接集成运算放大器U3的正输入端，另一端连接输出电路地；电阻R15的一端连接集成运算放大器U3的负输入端，另一端连接集成运算放大器U3的输出端；电容Cll的两端分别连接集成运算放大器U3的正、负电源端；电阻R17与稳压管VD4并联;稳压管VD4的负端连接功率管驱动电路的输出端，正端连接输出电路地；电阻R16的一端连接集成运算放大器U3的输出端，另一端连接功率管驱动电路的输出端。
[0047]功率管驱动电路由集成运算放大器U3及外围电阻、电容组成反相放大器，对输入的信号进行放大，提高信号的驱动能力，并将信号电平调整到合适值，产生符合要求的功率管驱动信号，驱动功率管动作，输出功率信号，驱动输出负载，完成输出。
[0048]3-4、功率管
[0049]功率管为场效应管或单个三极管或达林顿管。通过采用不同功率、不同种类的输出功率管，搭配相应的功率管驱动电路，实现小功率、中功率到大功率的固态继电器应用。
[0050]实施例2:
[0051]一种多通道的微波隔离固态继电器，如图2所示，包括外壳以及设置在外壳内的2路以上的微波隔离继电单元。每一路微波隔离继电单元的结构与实施例1相同。也就是说，将多个单通道的微波隔离固态继电器，共同组装在同一个壳体中，便形成了多通道的微波隔离固态继电器。通过对每个通道即每路微波隔离继电单元采用不同的载波频率并匹配不同频率的微带耦合天线，避免各通道间的信号干扰。各通道即不同的微波隔离继电单元可装备相同和/或不同的功率管。
[0052]上述微波隔离固态继电器的运行方法，包括如下步骤:
[0053]外部控制信号通过输入连接器或管脚引入低通滤波器的输入端，通过低通滤波器对输入控制信号进行低通滤波，去除控制信号中的高频干扰；
[0054]去除高频干扰后的控制信号，从低通滤波器的输出端输出，引入施密特触发门限电路的输入端，施密特触发门限电路对输入的控制信号进行整形，形成数字方波信号，并添加电压窗口迟滞效应，避免在临界电压点上形成振荡。
[0055]经过滤波整形后的控制信号，从施密特触发门限电路的的输出端输出，引入调制器的控制端，以控制调制器的输出。
[0056]微波信号源用于产生特定频率的微波信号，输出到调制器的输入端。
[0057]调制器将微波信号源输入的微波信号作为高频载波信号，对由施密特触发门限电路输入的控制信号进行调制，产生高频调制波，从输出端输出。
[0058]调制器输出的高频调制波，引入到功率放大器的输入端，功率放大器完成高频调制波的功率放大，驱动下级的微带耦合天线的发射端天线，由微带耦合天线的发射端天线进行信号的隔离发送。
[0059]微带耦合天线的接收端天线用于完成接收微带耦合天线的发射端天线发送来的尚频调制波。
[0060]接收到的高频调制波由解调器完成信号解调，还原出有效控制信号。
[0061]整流倍压电路对还原出的控制信号进行整流滤波，然后通过倍压电路对整流滤波得到的低压信号进行升压处理，产生符合要求的高电平信号。
[0062]功率管驱动电路对前级输入的信号进行功率放大，产生符合要求的功率管驱动信号，驱动功率管动作，输出功率信号，驱动输出负载。
[0063]本实用新型采用微波隔离实现新型隔离方式的固态继电器，以提高电气隔离型固态继电器的可靠性、安全性，提升在恶劣电磁及辐射环境条件下的抗干扰能力。微波隔离固态继电器用于新一代军用控制系统的信号隔离和功率控制，具有抗电磁及辐射干扰能力强、工作可靠性高、体积小重量轻等特点。
【主权项】
1.微波隔离固态继电器，包括继电器本体，其特征是，所述继电器本体由至少一路微波隔离继电单元构成;每路微波隔离继电单元包括输入电路和输出电路，其中输入电路和输出电路之间通过微波方式实现电气隔离。2.根据权利要求1所述的微波隔离固态继电器，其特征是，每路微波隔离继电单元包括低通滤波器、门限电路、微波信号源、调制器和功率放大器、解调器、整流倍压电路、功率管驱动电路、功率管和微带耦合天线;其中微带耦合天线包括发射端天线和接收端天线； 低通滤波器的输入端接外部输入控制信号;低通滤波器的输出端与门限电路的输入端相连；门限电路的输出端与调制器的控制端相连，微波信号源的输出端与调制器的输入端相连;调制器的输出端与功率放大器的输入端相连;功率放大器的输出端与微带耦合天线的发射端天线相连； 微带耦合天线的接收端天线与解调器的输入端相连;解调器的输出端与整流倍压电路的输入端相连;整流倍压电路的输出端与功率管驱动电路的输入端相连;功率管驱动电路的输出端与功率管的控制端相连;功率管的输出端向外部输出驱动信号。3.根据权利要求2所述的微波隔离固态继电器，其特征是，低通滤波器包括电阻Rl，电容Cl、C2，以及运算放大器Ul;电阻Rl的一端作为低通滤波器的输入端，与外部输入控制信号相连；电阻Rl与电容Cl串连，串连的中点与运算放大器Ul的正输入端相连；电容Cl的另一端与输入电路地端相连;电容C2的两端分别与运算放大器Ul的电源正、负端相连;运算放大器Ul的负输入端与运算放大器Ul的输出端相连;运算放大器Ul的输出端作为低通滤波器的输出端。4.根据权利要求2所述的微波隔离固态继电器，其特征是，门限电路包括电阻R2-R7，电容C3，以及三极管VT1、VT2;三极管VTl的基极作为门限电路的输入端；电阻R2的一端连接三极管VTl的基极，另一端连接输入电路地端；电阻R4—端连接三极管VTl的发射极，另一端连接输入电路地端;电阻R3—端连接三极管VTI的集电极，另一端连接输入电路电源正端VCC;电阻R5与电容C3并联，并联后的一端连接三极管VT1的集电极，并联后的另一端连接三极管VT2的基极;电阻R6—端连接三极管VT2的基极，另一端连接输入电路地端；电阻R7—端连接三极管VT2的集电极，另一端连接输入电路电源正端VCC;三极管VTl的发射极与三极管VT2的发射极相连;三极管VT2的集电极作为门限电路的输出端。5.根据权利要求2所述的微波隔离固态继电器，其特征是，功率放大器包括电阻R8-R12，电容C4，运算放大器U2，以及微波功率三极管VT3;电阻R8的一端作为功率放大器的输入端，另一端连接运算放大器U2的负输入端；电阻R9的一端连接运算放大器U2的正输入端，另一端连接输入电路地端；电阻RlO的一端连接运算放大器U2的负输入端，另一端连接运算放大器U2的输出端；电容C4连接运算放大器U2的正、负电源端；电阻Rll的一端连接运算放大器U2的输出端，另一端连接微波功率三极管VT3的基极；电阻R12的两端分别连接微波功率三极管VT3的基极和发射极;微波功率三极管VT3的集电极作为功率放大器的输出端。6.根据权利要求2所述的微波隔离固态继电器，其特征是，整流倍压电路包括电容C5-ClO，以及双二极管VD1-VD3;电容C5的一端作为整流倍压电路的输入端，另一端连接双二极管VDl的第三端；电容C7的两端分别连接双二极管VDl、VD2的第三端；电容C9的两端分别连接双二极管VD2、VD3的第三端；电容C6的两端分别连接双二极管VDl的第一、二端；电容C8的两端分别连接双二极管VD2的第一、二端；电容ClO的两端分别连接双二极管VD3的第一、二端;双二极管VDl的第一端连接输出电路地端;双二极管VDl的第二端与双二极管VD2的第一端相连;双二极管VD2的第二端与双二极管VD3的第一端相连;双二极管VD3的第二端作为整流倍压电路的输出端。7.根据权利要求2所述的微波隔离固态继电器，其特征是，功率管驱动电路包括电阻R13-R17，电容Cll，运算放大器U3，以及稳压管VD4;电阻R13的一端作为功率管驱动电路的输入端，另一端连接运算放大器U3的负输入端；电阻R14的一端连接运算放大器U3的正输入端，另一端连接输出电路地端；电阻R15的一端连接运算放大器U3的负输入端，另一端连接运算放大器U3的输出端；电容Cll的两端分别连接运算放大器U3的正、负电源端；电阻R17与稳压管VD4并联;稳压管VD4的正端连接输出电路地端，电阻R16的一端连接运算放大器U3的输出端，电阻R16的另一端与稳压管VD4的负端作为功率管驱动电路的输出端。8.根据权利要求2所述的微波隔离固态继电器，其特征是，所述功率管为场效应管、单个三极管和/或达林顿管。9.根据权利要求2所述的微波隔离固态继电器，其特征是，当微波隔离继电单元为2路以上时，每路微波隔离继电单元之间采用不同的载波频率。
【文档编号】H03K19/0175GK205725702SQ201620657580
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】陆玉芳, 黄敏, 陈春海, 柏元忠, 崔黎, 蒋端林, 宁艳艳
【申请人】桂林航天电子有限公司