CN105789801A - 一种基于基片集成波导馈电的旋转关节 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波旋转关节设计和制造的技术领域，提供一种基于基片集成波导馈电的旋转关节，包括圆柱波导、圆柱波导两端连接的输入结构和输出结构，所述输入结构和输出结构结构相同，包括依次层叠的金属覆铜下层、介质层、金属覆铜上层以及金属化通孔；金属覆铜上层由基片集成波导金属覆铜上层、梯形上层贴片和探针贴片构成，金属覆铜下层由基片集成波导金属覆铜下层和梯形下层贴片构成；基片集成波导金属覆铜上层、基片集成波导金属覆铜下层、对应的介质层相应区域及金属化通孔构成基片集成波导；梯形上层贴片及探针贴片、梯形下层贴片、对应的介质层相应区域深入圆柱波导内部。本发明实现旋转关节小型化设计，同时降低过渡复杂性，减小额外损耗。

Description

一种基于基片集成波导馈电的旋转关节

技术领域

本发明属于微波旋转关节设计和制造的技术领域，特别涉及一种基片集成波导馈电的旋转关节。

背景技术

旋转关节是在旋转状态下能够实现能量传输的一种装置，即在传输线结构非接触条件下，旋转时能够实现微波能量高效传输的一种部件。其广泛使用于机械扫描雷达等领域，用于实现电磁波束扫描，信号追踪等功能。传统的旋转关节，主要分同轴式和圆波导式两大类。对于同轴类关节，通过合理的馈电激励起同轴线中的主模TEM模式，可以在旋转过程中实现较好的性能稳定度；另一类圆波导式关节，主要以圆波导内的TM₀₁模式工作，利用该模式的旋转对称特性可以实现稳定的工作性能。

基片集成波导是近几年兴起的一种高性能低成本的微波毫米波新技术，并且得到了广泛的应用。如果要将基片集成波导器件加载到旋转关节上，就必须先使用复杂的过渡结构连接到不同形式的现有旋转关节的接口上，如波导接口，然后通过波导接口对旋转关节进行馈电，例如文献“U-stylerotaryjointwithmodeformillimeterwaves,”(2004IEEEMTT-SDigest,vol.1,no.1,pp.1879-1882,Jan.2004，V.I.Abramov,H.J.Park,D.H.KimandT.H.Lee)及文献“Ka-bandwaveguiderotaryjoint,”(IETMicrow.AntennasPropag.,vol.7,no.5,pp.365-369,May.2013，A.Yevdokymov,V.Kryzhanovskiy,V.PazyninandK.Sirenko)，其拓扑结构示意图如图1所示；这不但会增加不必要的电路体积，而且会增加额外的插入损耗，降低效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于基片集成波导馈电的旋转关节；用以实现基片集成波导直接馈电的旋转关节，简化基片集成波导器件、天线旋转时的结构复杂度，压缩电路体积，提高传输效率。为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于基片集成波导馈电的旋转关节，包括圆柱波导、圆柱波导两端连接的输入结构和输出结构，其特征在于，所述输入结构和输出结构结构相同，包括从下往上依次层叠的金属覆铜下层、介质层、金属覆铜上层、以及连接金属覆铜上层和金属覆铜下层的两排金属化通孔；所述金属覆铜上层由依次相连的基片集成波导金属覆铜上层、梯形上层贴片和探针贴片构成，所述金属覆铜下层由依次相连的基片集成波导金属覆铜下层和梯形下层贴片构成；所述基片集成波导金属覆铜上层、基片集成波导金属覆铜下层、对应的介质层相应区域及金属化通孔构成基片集成波导；所述梯形上层贴片及探针贴片、梯形下层贴片、对应的介质层相应区域深入圆柱波导内部；所述圆柱波导侧壁上设置锯齿状的扼流结构。

进一步的，所述梯形下层贴片尺寸大于所述梯形上层贴片。

本发明提供一种基于基片集成波导馈电的旋转关节，其有益效果在于：

1、本发明提供旋转关节中探针贴片能够引入一个较高频率的谐振点f_h，同时圆柱波导本身的谐振可以产生一个较低频率的谐振点f_l，这两个谐振频率是能够通过调节探针贴片和圆波导的长度来分别控制，互不干扰；进而，使得本发明提供旋转关节能够根据实际的设计需求，获得所需工作带宽。

2、本发明提供旋转关节中梯形贴片能够改善旋转关节的匹配性能，有益于实现更宽的工作频带。

3、本发明提供旋转关节通过具有对称结构的探针贴片，能够充分抑制圆波导的主模TE₁₁，激发具有旋转对称结构的模式TM₀₁，便于在旋转关节旋转过程里，保持稳定的工作性能。

综上，本发明提供一种基于基片集成波导馈电的旋转关节，由于基片集成波导器件能够通过本发明的结构直接加载到旋转关节上，无需经过其它过渡结构，从而实现了器件的小型化设计，同时降低过渡复杂性，减小额外损耗。

附图说明

图1是基片集成波导器件加载到旋转关节上的传统拓扑结构示意图。

图2是本发明的基片集成波导器件加载到旋转关节的拓扑结构示意图。

图3是本发明的基于基片集成波导馈电的旋转关节的剖面结构示意图。

图4是输入结构的三维示意图。

图5是本发明实施例中输入金属覆铜上层结构示意图。

图6是本发明实施例中输入金属覆铜下层结构示意图。

图7是本发明实施例中输出金属覆铜上层结构示意图。

图8是本发明实施例中输出金属覆铜下层结构示意图。

图9是本发明实施例中旋转关节在旋转角度为0度时HFSS仿真结果图。

图10是本发明实施例中旋转关节在旋转角度为45度时HFSS仿真结果图。

图11是本发明实施例中旋转关节在旋转角度为90度时HFSS仿真结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但需要说明的是本发明并不局限于该实施例。

实施例1

本实施例中提供一种基于基片集成波导馈电的旋转关节，其结构如图3所示，包括圆柱波导2及圆柱波导两端连接的输入结构1和输出结构3，所述输入结构1(如图4所示)包括，依次层叠的金属覆铜上层11、介质层12、金属覆铜下层13，以及连接金属覆铜上层11和金属覆铜下层13的两排金属化通孔14；所述金属覆铜上层11(如图5所示)中包括输入基片集成波导金属覆铜上层111，梯形上层贴片112和探针贴片113；所述金属覆铜下层13(如图6所示)中包括输入基片集成波导金属覆铜下层131，梯形下层贴片132；所述输入基片集成波导金属覆铜上层111、输入基片集成波导金属覆铜下层131、对应的介质层12相应区域和相应的金属化通孔14构成输入基片集成波导；所述输入基片集成波导一端与输入端口a相连，输入基片集成波导金属覆铜上层111的另一端与梯形上层贴片112相连，输入基片集成波导金属覆铜下层131与梯形下层贴片132相连；所述梯形上层贴片112与探针贴片113相连；所述梯形上层贴片112、梯形下层贴片132、探针贴片113、对应的介质层12相应区域从圆柱波导2的一端深入圆柱波导2内部；所述圆柱波导2侧壁上有锯齿状的扼流结构21；所述输出结构3包括，依次层叠的输出金属覆铜上层31、输出介质层32、输出金属覆铜下层33，以及连接输出金属覆铜上层31和输出金属覆铜下层33的两排输出金属化通孔34；所述输出金属覆铜上层31(如图7所示)中包括输出基片集成波导金属覆铜上层311，输出梯形上层贴片312和输出探针贴片313；所述输出金属覆铜下层33(如图8所示)中包括输出基片集成波导金属覆铜下层331，输出梯形下层贴片332；所述输出基片集成波导金属覆铜上层311、输出基片集成波导金属覆铜下层331、对应的输出介质层32相应区域和相应的输出金属化通孔34构成输出基片集成波导；所述输出基片集成波导一端与输出端口b相连，另一端的输出基片集成波导金属覆铜上层311与输出梯形上层贴片312相连，输出基片集成波导金属覆铜下层331与输出梯形下层贴片332相连；所述输出梯形上层贴片312与输出探针贴片313相连；所述输出梯形上层贴片312、输出梯形下层贴片332、输出探针贴片313、对应的输出介质层32相应区域从圆柱波导2的另一端深入圆柱波导2内部。

在设计时，探针贴片313和113的长度可以初步由下面公式计算得到：

$L_p=\frac{c}{4\sqrt{(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)/2}{f}_h}$

其中，εr为介质基板的介电常数值，c是空气中的光速，f_h表示高谐振频点；合理的选取旋转关节内部圆波导的尺寸，包括长度L_c和半径R；其中，R和L_c的选取遵循以下的设计原则：

$\frac{c/f_1}{2.61}<R<\frac{c/f_2}{2.06},$

其中，f₁和f₂分别表示旋转关节的低频和高频截止频率；

$L_c=\frac{N}{2}{\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{gTM}}_{01}}$

${\mathrm{\&lambda;}}_{{\mathrm{gTM}}_{01}}=\frac{c/f}{\sqrt{1-{\left(\frac{c/f_l}{2.62R}\right)}^2}}$

其中，f_l表示低频谐振点，N取正整数，实际设计中，由于当N＝1时，基片集成波导馈电部分的耦合太强，以至于无法激励起TM₀₁模式，所以取N＝4。

本发明中的探针贴片相当于一个探针在工作，能够产生一个谐振点f_h，同时旋转关节内部的圆波导自身也可以产生一个谐振点f_l；能够根据设计指标中的中心频点以及工作带宽，来确定腔体长度L_c和探针贴片的长度L_p；调节L_p的大小和腔体长度，会使得谐振点有规律的变化。具体而言随着L_p增加，谐振点f_h会向低频偏移，同时由腔体谐振产生的谐振频率f_l基本不发生变化；随着腔体长度L_c的增加，谐振点f_l会向低频偏移，同时由探针贴片产生的谐振点f_h不会发生改变；通过调节梯形贴片312、332、112和132的尺寸，来改善和优化匹配效果。

本实施例中提供基于基片集成波导馈电的旋转关节的具体设计为：中心频率为12GHz，对其在HFSS中进行电磁全波仿真。选用的介质层2为TaconicTLY-5，介电常数为2.2，厚度1.52mm，损耗角正切为0.0009；选定探针贴片113和313的长度L_p为5mm，宽度为1.2mm；选定梯形贴片112和312的上底为1.2mm，下底L₂为4mm，高为3mm；选定梯形贴片132和332的上底为1.2mm，下底L₁为6mm，高为4mm；旋转关节内部的圆波导，长度L_c选定为80mm，半径R选定为14mm。HFSS仿真结果表明，11.6GHz-12.6GHz的范围内，旋转关节馈电时，反射系数S₁₁小于–11dB，插入损耗优于1.1dB。实测结果如图9—图11所示，在不同的旋转角度之下，旋转关节都能够保持较高的稳定性，且工作带宽和谐振频点和设计结果一致。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种基于基片集成波导馈电的旋转关节，包括圆柱波导、圆柱波导两端连接的输入结构和输出结构，其特征在于，所述输入结构和输出结构结构相同，包括从下往上依次层叠的金属覆铜下层、介质层、金属覆铜上层、以及连接金属覆铜上层和金属覆铜下层的两排金属化通孔；所述金属覆铜上层由依次相连的基片集成波导金属覆铜上层、梯形上层贴片和探针贴片构成，所述金属覆铜下层由依次相连的基片集成波导金属覆铜下层和梯形下层贴片构成；所述基片集成波导金属覆铜上层、基片集成波导金属覆铜下层、对应的介质层相应区域及金属化通孔构成基片集成波导；所述梯形上层贴片及探针贴片、梯形下层贴片、对应的介质层相应区域深入圆柱波导内部；所述圆柱波导侧壁上设置锯齿状的扼流结构。

2.按权利要求1所述基于基片集成波导馈电的旋转关节，其特征在于，所述梯形下层贴片尺寸大于所述梯形上层贴片尺寸。