CN110661063A - 一种基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节，包括同轴线式旋转传输区块以及馈电区块，馈电区块包括两个结构相同的基片集成波导馈电结构。在端接圆弧短路面的矩形基片集成波导的表面构造孔接地圆形金属孤岛及非对称环形槽，并将其以垂直放置的方式对同轴旋转体部分进行耦合馈电，从而获得基片集成波导馈电的宽带旋转关节，相比于现有的基片集成波导馈电的旋转关节，本发明提高了一倍的工作带宽，同时馈电结构简单并且旋转体部分较细，损耗也有所减小。

Description

一种基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节
技术领域
本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种微波宽带同轴旋转关节。
背景技术
旋转关节是一种具备旋转功能，同时能稳定传输信号的微波部件，其广泛应用于雷达、卫星通信、动中通、微波暗室转台等微波系统中，提供方位角360°或俯仰上±90°旋转。通常旋转关节主体可以分为两大功能区块即馈电区块和旋转传输区块，其中旋转传输区块主要为同轴线式或圆波导式，而馈电区块由旋转关节的应用环境决定。目前基片集成波导由于兼容高集成性、体积小、重量轻以及高品质因数、低辐射损耗等特点，而被广泛应用于频段较高的微波系统中。因此基片集成波导馈电的旋转关节的研制符合目前频率上升的微波发展趋势。
目前已报道了三种基片集成波导馈电的旋转关节设计技术。第一种将单层基片集成波导及探针以插入的方式对圆波导旋转关节进行馈电，并且圆波导以TM01模式进行工作。此种方法带宽较窄为9％，且旋转体较粗。第二种是用单层矩形基片集成波导连接表面蚀刻有磁流环的圆形基片集成波导腔，并以垂直放置的方式对圆波导进行馈电，圆波导同样工作在TM01模式。此类方法较前一种方法改变了馈电结构的放置方式，但带宽依然较窄仅为6.1％，且旋转体部分依然较粗；同时由于圆形基片集成波导腔的尺寸对损耗较为敏感，不利于生产使用。第三种是在第二种的基础上用双层基片集成波导馈电结构实现，其信号通过底层矩形基片集成波导过渡到双环形槽加载的顶层圆形基片集成波导腔，再耦合进入圆波导旋转体部分。此方法降低了圆形基片集成波导腔对损耗的敏感度，但是带宽仍然仅为11.1％，且旋转体部分任然较粗，同时采用双层基片集成波导馈电增加了结构复杂度及成本。综上所述，有必要提出一种结构简洁的基片集成波导馈电的宽带旋转关节。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节，解决现有技术中带宽较窄且旋转体部分较粗的问题。
技术方案：一种基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节，包括同轴线式旋转传输区块以及馈电区块；所述馈电区块包括两个结构相同的基片集成波导馈电结构；所述基片集成波导馈电结构包括金属覆铜上层、介质层、金属覆铜下层、金属过孔、非对称环形槽、金属连接孔及圆形金属孤岛；所述金属过孔均匀间隔排列并与所述金属覆铜上层、介质层、金属覆铜下层一起构成端接圆弧短路面的矩形基片集成波导；所述非对称环形槽设置在所述金属覆铜上层，并在所述非对称环形槽内形成所述圆形金属孤岛；所述金属连接孔沿所述圆形金属孤岛的圆心与所述金属覆铜下层相连接；两个所述基片集成波导馈电结构分别设置在同轴线式旋转传输区块的两端，以垂直放置的方式对所述同轴线式旋转传输区块进行耦合馈电。
进一步的，所述非对称环形槽的外环的圆心到所述圆弧短路面顶端的距离约为四分之一波长，所述圆弧短路面的圆心，非对称环形槽的外环的圆心及圆形金属孤岛的圆心依次分布在同一直线上。
进一步的，所述同轴线式旋转传输区块包括同轴线外导体、同轴线的内导体、扼流槽、绝缘子；所述扼流槽将同轴线外导体不等分分割为上半部分和下半部分，所述绝缘子嵌入到同轴线内导体与同轴线外导体的下半部分之间。
进一步的，所述同轴线内导体两端分别与所述基片集成波导馈电结构保持间距。
有益效果：本发明在端接圆弧短路面的矩形基片集成波导的表面构造孔接地圆形金属孤岛及非对称环形槽，并将其以垂直放置的方式对同轴旋转体部分进行耦合馈电，从而获得基片集成波导馈电的宽带旋转关节，相比于现有的基片集成波导馈电的旋转关节，本发明提高了一倍的工作带宽，同时馈电结构简单并且旋转体部分较细，损耗也有所减小。
附图说明
图1为基片集成波导馈电的旋转关节剖面结构图；
图2为基片集成波导馈电结构图；
图3为实施例的旋转关节仿真响应图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节，包括同轴线式旋转传输区块以及馈电区块。同轴线式旋转传输区块包括同轴线外导体、同轴线的内导体4、扼流槽5、绝缘子6。扼流槽5将同轴线外导体不等分分割为上半部分31和下半部分32。绝缘子6嵌入到同轴线的内导体4与同轴线外导体的下半部分32之间，用于固定同轴线内导体4并使其与同轴线外导体31，32保持平行。
如图2所示，馈电区块包括两个结构相同的基片集成波导馈电结构1，2。基片集成波导馈电结构1，2包括金属覆铜上层11、介质层12、金属覆铜下层13、金属过孔14、非对称环形槽15、金属连接孔16及圆形金属孤岛17。金属过孔14按照一定间距均匀间隔排列并与金属覆铜上层11、介质层12、金属覆铜下层13一起构成端接圆弧短路面的矩形基片集成波导。非对称环形槽15设置在金属覆铜上层11，并在非对称环形槽15内形成所述圆形金属孤岛17。金属连接孔16沿圆形金属孤岛17的圆心与金属覆铜下层13相连接。非对称环形槽15的外环的圆心到圆弧短路面顶端的距离约为四分之一波长。圆弧短路面的圆心，非对称环形槽15的外环的圆心及圆形金属孤岛17的圆心依次分布在同一直线上。
两个基片集成波导馈电结构1，2分别垂直设置在同轴线式旋转传输区块的两端，以垂直放置的方式对同轴线式旋转传输区块进行耦合馈电，同轴线的内导体4两端分别与所述基片集成波导馈电结构1，2保持间距，间距约为0.2mm，用于耦合馈电，避免了像门钮等模式转换结构，节省了内导体上的扼流槽，简化了结构。
信号通过基片集成波导馈电结构1的端口馈入，激励起基片集成波导1中的TE10模，经过非对称环形槽15产生横向电场从而激励起同轴线31，32，4中的TEM模式，信号再经过一个反过程从同轴线31，32，4中传输至基片集成波导馈电结构2中输出，获得宽带性能。扼流槽5在同轴线外导体上半部分31与下半部分32相对旋转的过程中保持电连续防止了信号的泄露。
本发明的宽带同轴旋转关节中，矩形基片集成波导馈电结构端接圆弧短路面，并且在矩形基片集成波导金属表面构造孔接地圆形金属孤岛及非对称环形槽对同轴旋转体部分进行耦合馈电获得基片集成波导馈电的宽带旋转关节。非对称环形槽外环圆心距离圆弧短路面顶端约四分之一波长，同时圆弧短路面的圆心、非对称环形槽外环的圆心及圆形金属孤岛的圆心分布在同一直线上，保证整体设计获得宽带匹配。金属连接孔沿圆形金属孤岛圆心连接至基片集成波导宽边，该方式能够产生寄生电感及电容，使得基片集成波导内的TE10模信号在较宽的频率范围内转化为同轴旋转体结构中TEM模信号。基片集成波导以垂直放置方式将信号耦合到同轴旋转体中，该方式与其它同轴旋转关节相比避免了门钮等复杂结构的使用，简化了结构。
本实施例中，旋转关节中同轴部分的长度以及直径为52mm×9.2mm，对应的电尺寸为2.19λg×0.37λg，λg为中心频率所对应的导波波长。本实施例采用RO4003C基板，其介电常数为3.38，损耗角为0.0027，厚度为1.524mm。仿真结果如图3所示，可见其10-dB匹配带宽覆盖10.4GHz-13.5GHz，即相对带宽为25.9％，插入损耗优于0.8dB。旋转不同角度馈电时保持较高的稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节，其特征在于：包括同轴线式旋转传输区块以及馈电区块；所述馈电区块包括两个结构相同的基片集成波导馈电结构(1，2)；所述基片集成波导馈电结构(1，2)包括金属覆铜上层(11)、介质层(12)、金属覆铜下层(13)、金属过孔(14)、非对称环形槽(15)、金属连接孔(16)及圆形金属孤岛(17)；所述金属过孔(14)均匀间隔排列并与所述金属覆铜上层(11)、介质层(12)、金属覆铜下层(13)一起构成端接圆弧短路面的矩形基片集成波导；所述非对称环形槽(15)设置在所述金属覆铜上层(11)，并在所述非对称环形槽(15)内形成所述圆形金属孤岛(17)；所述金属连接孔(16)沿所述圆形金属孤岛(17)的圆心与所述金属覆铜下层(13)相连接；两个所述基片集成波导馈电结构(1，2)分别设置在同轴线式旋转传输区块的两端，以垂直放置的方式对所述同轴线式旋转传输区块进行耦合馈电。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节，其特征在于：所述非对称环形槽(15)的外环的圆心到所述圆弧短路面顶端的距离约为四分之一波长，所述圆弧短路面的圆心，非对称环形槽(15)的外环的圆心及圆形金属孤岛(17)的圆心依次分布在同一直线上。
3.根据权利要求1或2所述的基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节，其特征在于：所述同轴线式旋转传输区块包括同轴线外导体、同轴线的内导体(4)、扼流槽(5)、绝缘子(6)；所述扼流槽(5)将同轴线外导体不等分分割为上半部分(31)和下半部分(32)，所述绝缘子(6)嵌入到同轴线内导体(4)与同轴线外导体的下半部分(32)之间。
4.根据权利要求3所述的基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节，其特征在于：所述同轴线的内导体(4)两端分别与所述基片集成波导馈电结构(1，2)保持间距。
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