CN111934061B - 一种超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信及雷达天线系统组件技术领域，公开了一种超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用，采用同轴过渡结构，在同轴过渡的旋转部位通过表面内嵌滚珠的柱面周期性金属凸体阵列配合屏蔽腔，共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；在合理尺寸下实现超宽带电磁屏蔽，通过双端正交同轴‑波导转换实现波导间电磁传输，配合轴承构成U型波导旋转关节。本发明在旋转部位构建接触式、可旋转的电磁带隙结构，具有较高的功率容量和力学可靠性，可实现平稳旋转，电磁带隙结构的宽带特性保证了旋转关节的超宽带性能，工作带宽可覆盖相应波导的主模带宽，且在合理尺寸下，即使出现磨损，也不影响旋转关节电磁传输性能，具有较好抗磨损性能。

Description

一种超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用

技术领域

本发明属于通信及雷达天线系统组件技术领域，尤其涉及一种超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用。

背景技术

目前，旋转关节是通信及雷达天线系统中的重要组件。为实现对目标连续不断的搜索、跟踪及测量，通常需要天线的辐射机构可以实现360°连续旋转，同时需保证旋转过程中电磁信号不间断传输，因此在天线馈电系统中必须采用旋转关节，以保证天线在旋转过程中微波信号可以连续有效传输。

目前，旋转关节包括波导旋转关节和同轴旋转关节。波导传输线具有低损耗、高功率容量等优势，因此在大功率天线系统中，主要采用波导旋转关节。波导旋转关节包括矩形波导旋转关节和圆波导旋转关节。矩形波导旋转关节主要通过矩形-圆波导转换和波导-同轴转换两种结构实现。矩形-圆波导转换是通过设计转换结构，将矩形波导TE10模耦合至圆波导中，并激励起圆波导中的对称模式TM01模，然后通过圆波导旋转关节实现旋转，但是在激励TM01模的同时需要保证对TE11等高次模的足够抑制，需要增加额外的抑制结构，转换及抑制结构通常均为窄带结构，无法获得宽带性能。波导-同轴转换结构当前大多采用同轴探针配合扼流槽结构实现，其工作带宽较窄，通常不超过15％，无法满足宽带工作。

已有的旋转关节中，旋转部位采用的结构类型包括：普通无接触式、扼流槽非接触式和接触式结构。其中，普通无接触式结构由于存在间隙，会造成电磁泄露，导致旋转关节电磁传输性能较差。扼流槽非接触式结构为窄带结构，很大程度限制了旋转关节的工作带宽，且扼流槽需要根据不同的工作频段改变结构尺寸。现有的接触式结构主要集中于通过各种结构设计改进，实现类似弹片接触或电刷结构的接触式旋转，如专利“接触式无间隙的波导旋转关节”、“可快速调节间隙的波导旋转关节”、“一种可调间隙的波导旋转关节”等都属于此类，此类旋转关节在旋转过程中，在其旋转部位会存在额外的摩擦阻力，如果接触结构的制造或安装工艺不够精密，导致旋转部位的接触阻力不均匀，则会造成一定程度的旋转不平稳，且经过长时间旋转后，旋转的接触部位肯定会出现磨损，磨损后出现空气间隙，导致电磁泄露，进而影响旋转关节性能。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前的接触式旋转关节由于有接触面的摩擦，存在磨损及旋转不平稳的问题。

解决以上问题及缺陷的难度为：

旋转关节需要实现在旋转过程中的电磁信号连续传输，因此旋转部位无法采用物理硬连接，但如果旋转部位无法实现良好的电磁屏蔽性能，则会严重影响旋转关节的驻波及插损性能。因此，如何实现既可以旋转又能保证足够的电磁屏蔽性能，是旋转关节实现中的关键难点。现有的接触式结构，在保证旋转部位正常旋转的同时，可实现一定程度的电磁屏蔽，但工艺复杂，且一旦出现磨损，则会导致旋转关节性能恶化。

解决以上问题及缺陷的意义为：

针对此，本发明提出一种超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用，通过在同轴旋转部位采用内嵌滚珠的柱面周期性金属凸体配合屏蔽腔，构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构，既可以保证旋转关节的正常旋转，同时利用了电磁带隙结构的宽带电磁屏蔽特性，可以保证旋转关节的超宽带性能。且基于该滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构的特性，在合适的尺寸下，即使旋转部位出现磨损，仍然不影响其电磁屏蔽性能，因而具有抗磨损的优点。本发明解决了现有旋转关节的诸多缺陷，可以大幅提升现有旋转关节的性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用。

本发明是这样实现的，一种超宽带波导旋转关节的控制方法，所述超宽带波导旋转关节的控制方法包括：

第一步，在同轴过渡的旋转部位通过表面内嵌滚珠的柱面周期性金属凸体阵列配合屏蔽腔，共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；

第二步，在合理尺寸下实现旋转部位的超宽带电磁屏蔽，通过双端正交同轴-波导转换实现波导间电磁传输，配合轴承构成U型波导旋转关节。

进一步，所述柱面周期性金属凸体阵列由多个等半径的圆弧面金属凸体构成，圆弧面与空心金属圆柱呈同心圆关系，沿空心金属圆柱的外壁圆周方向及轴向以周期性规则排列，每个金属凸体上部嵌入球体或圆柱体滚珠，柱面周期性金属凸体阵列、滚珠与屏蔽腔共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构。

进一步，所述柱面周期性金属凸体阵列的结构及排列方式为：各金属凸体结构、尺寸相同，金属凸体上部每个滚珠的结构、尺寸及嵌入方式相同，每一圈金属凸体均位于同一轴向截面内，沿空心金属圆柱的外壁圆周以等间距方式排列，同时沿轴向以等间距方式排列。

进一步，所述滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构中，空心金属圆柱的外壁半径为r，沿空心金属圆柱的外壁圆周2π弧度范围内，等间距排列N个等半径弧面凸体单元，每个金属凸体单元弧面弧度为angle1，凸体单元间切向弧度为angle2，满足关系angle1+angle2＝2π/N，angle1和angle2可以相同也可以不同，构成周期性排列结构即可；每个金属凸体径向高度为h_p，即每个凸体外弧面半径为r+h_p；每个金属凸体上部镶嵌滚珠，滚珠半径为r_c，若选择圆柱体滚珠，则滚珠高度为h_c，嵌入至金属凸体后，滚珠的圆心截面距金属凸体的外弧面距离为d_off，称之为滚珠径向回退距离；屏蔽腔的直径设计值等于可旋转同轴过渡中柱面周期性金属凸体与圆柱滚珠组合后的外弧直径，即屏蔽腔的内腔半径为r+h_p+r_c-d_off，组装后滚珠与屏蔽腔的内壁相接触，实际装配过程中做间隙配合处理，在旋转过程中保证滚珠处于滚动状态。

本发明的另一目的在于提供一种实施上述任意一项所述超宽带波导旋转关节的控制方法的超宽带波导旋转关节的控制系统，其特征在于，所述超宽带波导旋转关节的控制系统包括：

滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构构建模块，用于在同轴过渡的旋转部位通过表面内嵌滚珠的柱面周期性金属凸体阵列配合屏蔽腔，共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；

U型波导旋转关节构成模块，用于在合理尺寸下实现旋转部位的超宽带电磁屏蔽，通过双端正交同轴-波导转换实现波导间电磁传输，配合轴承构成U型波导旋转关节。

本发明的另一目的在于提供一种搭载上述超宽带波导旋转关节的控制系统的超宽带波导旋转关节，所述超宽带波导旋转关节包括上波导部、可旋转同轴过渡、轴承、下波导部；

上波导部为标准矩形波导、非标波导、脊波导或其组合结构；

可旋转同轴过渡包括上同轴探针、同轴支撑介质、轴承固定结构、空心金属圆柱、柱面周期性金属凸体阵列、滚珠、下同轴探针；

轴承为任意类型的机械滚动轴承，根据需求选择；

下波导部包括普通波导、屏蔽腔、轴承固定腔；普通波导为标准矩形波导、非标波导、脊波导或其组合结构；

轴承放置于下波导部的轴承固定腔中，轴承的外圈与轴承固定腔保持固定，可旋转同轴过渡带有柱面周期性金属凸体阵列和滚珠的一端插入下波导部的屏蔽腔中，其轴承固定结构与轴承的内圈相互固定，可旋转同轴过渡通过上同轴探针实现到上波导部的同轴-波导转换，并与上波导部保持结构固定，通过下同轴探针实现到下波导部中普通波导的同轴-波导转换。

进一步，所述上波导部内部包括阻抗变换、匹配及调谐结构，波导下壁特定位置开孔，用于构成同轴-波导转换结构；

在可旋转同轴过渡中，主体结构为空心金属圆柱，在空心金属圆柱的上端外圈设置轴承固定结构，在空心金属圆柱的下端外壁设置柱面周期性金属凸体阵列，其中每个金属凸体表面设置相应的槽孔结构，槽孔中嵌入滚珠；滚珠为球体或圆柱体结构；柱面周期性金属凸体阵列由多个等半径的圆弧面金属凸体构成，沿空心金属圆柱的外壁圆周方向及轴向以周期性规则排列，金属凸体的圆弧面与空心金属圆柱呈同心圆关系。

在可旋转同轴过渡中，空心金属圆柱的内壁作为外导体，与同轴支撑介质及金属内导体共同构成同轴传输线结构；同轴传输线上下两端分别设置上同轴探针和下同轴探针，上同轴探针和下同轴探针为任意可实现的同轴-波导转换结构；

进一步，下波导部的普通波导内部包括阻抗变换、匹配及调谐结构；

在下波导部中，屏蔽腔为圆柱体空腔结构，与普通的上壁相连为一体，并与普通波导的波导腔内部相通，屏蔽腔的内腔直径设计值等于所述可旋转同轴过渡中柱面周期性金属凸体阵列与滚珠组合后的外圆弧直径，屏蔽腔的高度大于等于柱面周期性金属凸体阵列的轴向长度；

在下波导部中，轴承固定腔位于屏蔽腔上方，二者的轴向中心线相重合，轴承固定腔的高度及直径根据轴承的相应尺寸确定；轴承固定腔与屏蔽腔之间预留微小结构空隙；

可旋转同轴过渡、轴承、轴承固定腔及屏蔽腔的轴向中心线相重合，组装后柱面周期性金属凸体阵列中所嵌入的滚珠与屏蔽腔的内壁相接触。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述超宽带波导旋转关节的雷达。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述超宽带波导旋转关节的天线馈电系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明在旋转部位通过表面内嵌滚珠的柱面周期性金属凸体阵列配合屏蔽腔，共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构，在合理尺寸下实现超宽带电磁屏蔽，通过双端正交同轴-波导转换实现波导间电磁传输，配合轴承构成U型波导旋转关节。本发明在旋转部位构建可旋转电磁带隙结构，实现平稳旋转的同时，保证了旋转关节在超宽带范围内良好的电磁传输性能，工作带宽可覆盖相应的波导主模带宽，且在合理尺寸下，即使出现磨损，也不影响旋转关节的电磁传输性能，具有较好的抗磨损性能。同时，滚珠支撑结构提高了功率容量和力学承载能力，具有更高的可靠性，可广泛应用于各类通信、雷达及天线馈电系统中。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)相比已有的普通无接触式结构旋转关节，本发明中通过在旋转部位构建可旋转电磁带隙结构实现了宽带电磁屏蔽，进而保证了旋转关节良好的驻波及插损性能。

(2)相比已有扼流槽结构非接触式波导旋转关节，本发明中旋转部位通过构建滚珠支撑结构的宽带可旋转电磁带隙结构，实现了超宽带性能，工作带宽可实现对相应波导工作带宽的100％覆盖，解决了扼流槽结构工作带宽较窄的问题。且本发明所提结构相比非接触结构，具有更高的功率容量。

(3)相比已有的接触式结构旋转关节，本发明中旋转部位采用滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构，具有更好的结构支撑和力学承载能力，旋转更加平稳可靠，且在合理尺寸设计下，具有较好的抗磨损性能。

(4)本发明所提旋转关节为普适的结构，适用于任何频段应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的U型超宽带波导旋转关节的控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的U型超宽带波导旋转关节的控制系统的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的U型超宽带波导旋转关节的分解结构示意图。

图4是本发明实施例提供的U型超宽带波导旋转关节的截面结构示意图。

图5是本发明实施例提供的U型超宽带波导旋转关节中，以圆柱体滚珠为例，旋转部位所构成的滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构的关键尺寸参数示意图；(a)截面图；(b)俯视图。

图6是本发明实施例提供的U型超宽带波导旋转关节在以实现Ku频段BJ120(WR75)标准矩形波导的旋转关节为例实施过程中，选择圆柱体滚珠，所构成的滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构在无磨损情况下的电磁禁带计算结果示意图。

图7是本发明实施例提供的超宽带波导旋转关节在以实现Ku频段BJ120(WR75)标准矩形波导的旋转关节为例实施过程中，选择圆柱体滚珠，所构成的滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构在最大磨损情况下的电磁禁带计算结果示意图。

图8是本发明实施例提供的U型超宽带波导旋转关节实施例的实测S参数结果示意图。

图中：1、上波导部；2、可旋转同轴过渡；21、上同轴探针；22、同轴支撑介质；23、轴承固定结构；24、空心金属圆柱；25、柱面周期性金属凸体阵列；26、滚珠；27、下同轴探针；3、轴承；4、下波导部；41、普通波导；42、屏蔽腔；43、轴承固定腔；5、滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构构建模块；6、U型波导旋转关节构成模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种U型超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的U型超宽带波导旋转关节的控制方法包括以下步骤：

S101：在同轴过渡的旋转部位通过表面内嵌滚珠的柱面周期性金属凸体阵列配合屏蔽腔，共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；

S102：在合理尺寸下实现旋转部位的超宽带电磁屏蔽，通过双端正交同轴-波导转换实现波导间电磁传输，配合轴承构成U型波导旋转关节。

如图2所示，本发明提供的U型超宽带波导旋转关节的控制系统包括：

滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构构建模块5，用于在旋转部位通过表面内嵌滚珠的柱面周期性金属凸体阵列配合屏蔽腔，共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构。

U型波导旋转关节构成模块6，用于在合理尺寸下实现超宽带电磁屏蔽，通过双端正交同轴-波导转换实现波导间电磁传输，配合轴承构成U型波导旋转关节。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明提出一种抗磨损的U型超宽带波导旋转关节。采用双端正交的同轴-波导转换结构，在同轴过渡部分通过柱面周期性金属凸体阵列及相应的内嵌滚珠，配合屏蔽腔共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构，在合理尺寸下实现超宽带电磁屏蔽，通过同轴-波导转换实现上下波导间的电磁信号传输，配合轴承构成U型波导旋转关节。本发明在旋转部位构建滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构，实现平稳旋转的同时，保证了旋转关节在超宽带范围内良好的电磁传输性能，工作带宽可覆盖相应的波导主模带宽。同时，本发明所提旋转关节具有较好的抗磨损性能，在合理的尺寸设计下，即使经过一定时间旋转后，旋转部位出现磨损，也不影响旋转关节的电磁传输性能。此外，滚珠支撑结构也提高了功率容量和力学承载能力，具有更高的可靠性，可广泛应用于各类通信、雷达及天线馈电系统中。

如图3、图4所示，本发明提供的抗磨损的U型超宽带波导旋转关节，包括上波导部1、可旋转同轴过渡2、轴承3及下波导部4，其中：上波导部1为标准矩形波导、非标波导、脊波导等各类波导结构或其组合结构。可旋转同轴过渡2包括上同轴探针21、同轴支撑介质22、轴承固定结构23、空心金属圆柱24、柱面周期性金属凸体阵列25、滚珠26和下同轴探针27。轴承3为任意类型的机械滚动轴承，根据需求灵活选择。下波导部4包括普通波导41、屏蔽腔42和轴承固定腔43。普通波导41为标准矩形波导、非标波导、脊波导等各类波导结构或其组合结构。轴承3放置于下波导部4的轴承固定腔43中，轴承3的外圈与轴承固定腔43保持固定。可旋转同轴过渡2带有柱面周期性金属凸体阵列25和滚珠26的一端插入下波导部4的屏蔽腔42中，其轴承固定结构23与轴承3的内圈相互固定。可旋转同轴过渡2通过上同轴探针21实现到上波导部1的同轴-波导转换，并与上波导部1保持结构固定。通过下同轴探针27实现到下波导部4中普通波导41的同轴-波导转换。

上波导部1内部包括必要的阻抗变换、匹配及调谐结构，波导下壁特定位置开孔，用于构成同轴-波导转换结构。

在可旋转同轴过渡2中，主体结构为空心金属圆柱24，在空心金属圆柱24的上端外圈设置轴承固定结构23，在空心金属圆柱24的下端外壁设置柱面周期性金属凸体阵列25，其中每个金属凸体表面设置相应的槽孔结构，槽孔中嵌入滚珠26。滚珠26为球体或圆柱体结构。柱面周期性金属凸体阵列25由多个等半径的圆弧面金属凸体构成，沿空心金属圆柱24的外壁圆周方向及轴向以周期性规则排列，金属凸体的圆弧面与空心金属圆柱24呈同心圆关系。其中一种最优选的结构及排列方式为：各金属凸体结构、尺寸相同，金属凸体上部每个滚珠26的结构、尺寸及嵌入方式相同，每一圈金属凸体均位于同一轴向截面内，沿空心金属圆柱24的外壁圆周以等间距方式排列，同时沿轴向以等间距方式排列。

在可旋转同轴过渡2中，空心金属圆柱24的内壁作为外导体，与同轴支撑介质22及金属内导体共同构成同轴传输线结构，需保证同轴传输线的截止频率大于相应的旋转关节最大工作频率，传输模式为TEM模式。同轴传输线上下两端分别设置上同轴探针21和下同轴探针27，上同轴探针21和下同轴探针27为任意可实现的同轴-波导转换结构。

在可旋转同轴过渡2中，同轴支撑介质22的材料及尺寸可根据实际需求选定或改变。

下波导部4的普通波导41内部包括必要的阻抗变换、匹配及调谐结构。

在下波导部4中，屏蔽腔42为圆柱体空腔结构，与普通波导41的上壁相连为一体，并与普通波导41的波导腔内部相通。屏蔽腔42的内腔直径设计值等于所述可旋转同轴过渡2中柱面周期性金属凸体阵列25与滚珠26组合后的外圆弧直径，屏蔽腔42的高度大于等于柱面周期性金属凸体阵列25的轴向长度。

在下波导部4中，轴承固定腔43位于屏蔽腔42上方，二者的轴向中心线相重合。轴承固定腔43的高度及直径根据轴承3的相应尺寸确定。轴承固定腔43与屏蔽腔42之间预留微小结构空隙，保证装配后轴承3的下表面与屏蔽腔42的上表面不接触，保证轴承3可以正常旋转。

各部分的装配顺序根据实际情况灵活选择，装配完成后，可旋转同轴过渡2、轴承3、轴承固定腔43及屏蔽腔42的轴向中心线相重合，组装后柱面周期性金属凸体阵列25中所嵌入的滚珠26与屏蔽腔42的内壁相接触，实际装配过程中做间隙配合处理，在旋转过程中保证滚珠26处于滚动状态。

装配完成后，可旋转同轴过渡2中的柱面周期性金属凸体阵列25、滚珠26与下波导部4中的屏蔽腔42共同构成可旋转式电磁带隙结构。在最优选的排列方式下，以圆柱体滚珠为例，所构成的滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构的关键尺寸参数如图5所示。其中，空心金属圆柱24的外壁半径为r，沿空心金属圆柱24的外壁圆周2π弧度范围内，等间距排列N个等半径弧面凸体单元，每个金属凸体单元弧面弧度为angle1，凸体单元间切向弧度为angle2，满足关系angle1+angle2＝2π/N，angle1和angle2可以相同也可以不同，构成周期性排列结构即可。每个金属凸体径向高度为h_p，即每个凸体外弧面半径为r+h_p。每个金属凸体上部镶嵌滚珠26，滚珠26半径为r_c，高度为h_c，嵌入至金属凸体后，滚珠26的圆心截面距金属凸体25的外弧面距离为d_off，称之为滚珠径向回退距离。屏蔽腔42的直径设计值等于可旋转同轴过渡2中柱面周期性金属凸体25与圆柱滚珠26组合后的外弧直径，即屏蔽腔42的内腔半径为r+h_p+r_c-d_off。组装后滚珠26与屏蔽腔42的内壁相接触，实际装配过程中做间隙配合处理，在旋转过程中保证滚珠26处于滚动状态。经过长时间旋转后，由于磨损原因，滚珠会与屏蔽腔内壁间形成的微小空气间隙为h_a，每个金属凸体轴向厚度为w,轴向周期性排列间距为g。以上各尺寸参数没有唯一值，通过电磁场仿真计算获得，需保证在实际磨损范围内，所构成的可旋转电磁带隙结构的电磁禁带覆盖旋转关节的工作频率范围。其中实际磨损范围指：在经过一定的旋转磨损后，滚珠26与屏蔽腔42内壁之间所形成的空气间隙h_a的尺寸范围。柱面周期性金属凸体阵列25中的金属凸体数量根据旋转关节在实际传输功率下的电磁屏蔽性能需求确定。

各部分的金属结构可根据具体需求(如强度、耐磨等要求)选择合适的金属材料，除过各必要部分外，可根据实际需求增加额外的机械固定、支撑或润滑结构。

下面结合仿真及测试对本发明的技术效果作详细的描述。

本发明以实现Ku频段BJ120(WR75)标准矩形波导(工作带宽9.84GHz～15GHz)的旋转关节为例，说明本专利的具体实施过程。

1、选择聚四氟乙烯(介电常数2.08)为同轴支撑介质材料，构建特性阻抗为50欧的同轴传输线，选择金属内导体直径1mm，根据理论公式计算，同轴支撑介质直径3.35mm，外导体直径理论上等于同轴支撑介质直径，即空心金属圆柱的内壁直径选定为3.35mm。经计算，该尺寸下同轴传输线截止频率约为30GHz，大于旋转关节的最大工作频率，符合要求。

2、选择探针加匹配柱结构作为上下同轴探针及其相应的波导-同轴转换结构。仿真优化获得上同轴探针和下同轴探针的初始结构及尺寸参数。

3、选定空心金属圆柱的外壁半径初值r＝2.5mm，此时空心金属圆柱的壁厚为0.825mm，机械加工可实现、机械强度符合需求。

4、在电磁仿真程序中建立图5所示滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构的最小周期单元仿真模型。在本实施例中，选择angle1＝angle2。设置合适的周期性边界条件，通过本征求解模式计算，获得色散特性结果，由色散特性结果获得电磁带隙结构的电磁禁带范围。调整尺寸参数，保证在实际磨损情况下的电磁禁带范围仍能覆盖波导的工作频段。如图6所示为无磨损情况下(h_a＝0)的电磁禁带范围，图7所示为根据实际情况设定的最大磨损情况下(h_a＝0.04mm)的电磁禁带范围。在最大磨损情况时，电磁禁带仍完全覆盖BJ120(WR75)波导的工作频带范围，此时获得的各尺寸参数为：r＝2.5mm，h_p＝3.5mm，r_c＝1.2mm，h_c＝2.4mm，d_off＝0.9mm，w＝3mm，g＝3mm，N＝6。根据禁带计算结果，当磨损造成的空气间隙h_a＝0.04mm时，电磁禁带仍然具有一定的余量空间，而0.04mm的磨损范围已足够大，充分显示了本发明所提结构良好的抗磨损性能。

5、根据以上获得尺寸，选择特定的机械滚动轴承规格，根据轴承规格确定轴承固定腔的高度及直径等尺寸参数。

6、根据以上获得的各初始结构及尺寸参数，在电磁仿真程序中建立波导旋转关节的整体仿真模型，设置电磁场仿真条件，仿真获得旋转关节的插入损耗及驻波性能，根据需求，微调或优化相应的尺寸参数，获得满足性能要求的插入损耗及驻波性能。设置旋转关节传输功率，仿真获得电场分布结果。在本实施例中，设置旋转关节的传输功率为100W，选定3圈柱面周期性金属凸体构成柱面周期性金属凸体阵列，仿真后获得了足够的电磁屏蔽性能。

7、根据实际需求增加设计额外的电调谐、机械连接、固定、支撑及散热结构，完成旋转关节整体设计，加工实物验证。

本发明通过设计实现Ku频段BJ120(WR75)标准矩形波导(工作带宽9.84GHz～15GHz)的旋转关节实现了验证，实测S参数如图8所示，在整个BJ120(WR75)波导的工作频带范围内，获得了良好的插入损耗及驻波性能，且旋转过程中S参数特性保持非常稳定。

本发明所提旋转关节相比已有的旋转关节，具有良好的电磁传输性能，工作带宽可完全覆盖相应的波导工作带宽，同时具有较好的抗磨损性能，此外还具有较高的功率容量和较好的力学结构可靠性，且本发明所提结构为普适结构，适用于任何频段应用。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超宽带波导旋转关节的控制方法，其特征在于，所述超宽带波导旋转关节的控制方法包括：

第一步，在同轴过渡的旋转部位通过表面内嵌滚珠的柱面周期性金属凸体阵列配合屏蔽腔，共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；

第二步，在合理尺寸下实现旋转部位的超宽带电磁屏蔽，通过双端正交同轴-波导转换实现波导间电磁传输，配合轴承构成U型波导旋转关节；

可旋转同轴过渡包括上同轴探针、同轴支撑介质、轴承固定结构、空心金属圆柱、柱面周期性金属凸体阵列、滚珠、下同轴探针；屏蔽腔为圆柱体空腔结构；

所述柱面周期性金属凸体阵列由多个等半径的圆弧面金属凸体构成，圆弧面与空心金属圆柱呈同心圆关系，沿空心金属圆柱的外壁圆周方向及轴向以周期性规则排列，每个金属凸体上部嵌入球体或圆柱体滚珠，柱面周期性金属凸体阵列、滚珠与屏蔽腔共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；

所述柱面周期性金属凸体阵列的结构及排列方式为：各金属凸体结构、尺寸相同，金属凸体上部每个滚珠的结构、尺寸及嵌入方式相同，每一圈金属凸体均位于同一轴向截面内，沿空心金属圆柱的外壁圆周以等间距方式排列，同时沿轴向以等间距方式排列；

所述滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构中，空心金属圆柱的外壁半径为r，沿空心金属圆柱的外壁圆周2π弧度范围内，等间距排列N个等半径弧面凸体单元，每个金属凸体单元弧面弧度为angle1，凸体单元间切向弧度为angle2，满足关系angle1+angle2=2π/N，构成周期性排列结构即可；每个金属凸体径向高度为h _p ，即每个凸体外弧面半径为r+h _p ；每个金属凸体上部镶嵌滚珠，滚珠半径为r _c ，若选择圆柱体滚珠，则滚珠高度为h _c ，嵌入至金属凸体后，滚珠的圆心截面距金属凸体的外弧面距离为d _off ，称之为滚珠径向回退距离；屏蔽腔的直径设计值等于可旋转同轴过渡中柱面周期性金属凸体与圆柱滚珠组合后的外弧直径，即屏蔽腔的内腔半径为r+h _p +r _c -d _off ，组装后滚珠与屏蔽腔的内壁相接触，实际装配过程中做间隙配合处理，在旋转过程中保证滚珠处于滚动状态；

实施所述超宽带波导旋转关节的控制方法的超宽带波导旋转关节的控制系统，包括：

滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构构建模块，用于在同轴过渡的旋转部位通过表面内嵌滚珠的柱面周期性金属凸体阵列配合屏蔽腔，共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；

U型波导旋转关节构成模块，用于在合理尺寸下实现旋转部位的超宽带电磁屏蔽，通过双端正交同轴-波导转换实现波导间电磁传输，配合轴承构成U型波导旋转关节。

2.一种搭载权利要求1所述超宽带波导旋转关节的控制方法的超宽带波导旋转关节，其特征在于，所述超宽带波导旋转关节包括上波导部、可旋转同轴过渡、轴承、下波导部；

上波导部为标准矩形波导、非标波导、脊波导或其组合结构；

可旋转同轴过渡包括上同轴探针、同轴支撑介质、轴承固定结构、空心金属圆柱、柱面周期性金属凸体阵列、滚珠、下同轴探针；

轴承为任意类型的机械滚动轴承，根据需求选择；

下波导部包括普通波导、屏蔽腔、轴承固定腔；普通波导为标准矩形波导、非标波导、脊波导或其组合结构；

轴承放置于下波导部的轴承固定腔中，轴承的外圈与轴承固定腔保持固定，可旋转同轴过渡带有柱面周期性金属凸体阵列和滚珠的一端插入下波导部的屏蔽腔中，其轴承固定结构与轴承的内圈相互固定，可旋转同轴过渡通过上同轴探针实现到上波导部的同轴-波导转换，并与上波导部保持结构固定，通过下同轴探针实现到下波导部中普通波导的同轴-波导转换。

3.如权利要求2所述的超宽带波导旋转关节，其特征在于，所述上波导部内部包括阻抗变换、匹配及调谐结构，波导下壁开孔，用于构成同轴-波导转换结构；

在可旋转同轴过渡中，主体结构为空心金属圆柱，在空心金属圆柱的上端外圈设置轴承固定结构，在空心金属圆柱的下端外壁设置柱面周期性金属凸体阵列，其中每个金属凸体表面设置相应的槽孔结构，槽孔中嵌入滚珠；滚珠为球体或圆柱体结构；柱面周期性金属凸体阵列由多个等半径的圆弧面金属凸体构成，沿空心金属圆柱的外壁圆周方向及轴向以周期性规则排列，金属凸体的圆弧面与空心金属圆柱呈同心圆关系；

在可旋转同轴过渡中，空心金属圆柱的内壁作为外导体，与同轴支撑介质及金属内导体共同构成同轴传输线结构；同轴传输线上下两端分别设置上同轴探针和下同轴探针，上同轴探针和下同轴探针为任意可实现的同轴-波导转换结构。

4.如权利要求3所述的超宽带波导旋转关节，其特征在于，下波导部的普通波导内部包括阻抗变换、匹配及调谐结构；

在下波导部中，屏蔽腔为圆柱体空腔结构，与普通的上壁相连为一体，并与普通波导的波导腔内部相通，屏蔽腔的内腔直径设计值等于所述可旋转同轴过渡中柱面周期性金属凸体阵列与滚珠组合后的外圆弧直径，屏蔽腔的高度大于等于柱面周期性金属凸体阵列的轴向长度；

在下波导部中，轴承固定腔位于屏蔽腔上方，二者的轴向中心线相重合，轴承固定腔的高度及直径根据轴承的相应尺寸确定；轴承固定腔与屏蔽腔之间预留微小结构空隙；

可旋转同轴过渡、轴承、轴承固定腔及屏蔽腔的轴向中心线相重合，组装后柱面周期性金属凸体阵列中所嵌入的滚珠与屏蔽腔的内壁相接触。

5.一种安装有权利要求2~4任意一项所述超宽带波导旋转关节的雷达。

6.一种安装有权利要求2~4任意一项所述超宽带波导旋转关节的天线馈电系统。

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