CN111934063B - 非接触式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，公开了一种非接触式超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用，在同轴过渡段外部设计圆弧面周期性金属凸体阵列，配合屏蔽腔构成可旋转的非接触电磁带隙结构，在合适尺寸下，实现宽带电磁屏蔽，构成非接触的可旋转同轴过渡；通过宽带端接式和正交式同轴‑波导转换实现到固定波导和旋转波导间的电磁信号传输，配合轴承实现L型波导旋转关节。本发明在旋转部位构建可旋转的宽带非接触电磁带隙结构保证了旋转关节良好的电磁传输性能，工作带宽可完全覆盖相应的波导主模带宽，且非接触式结构避免了旋转部位的结构磨损，使得旋转更加平稳，寿命更长；可广泛应用于各种通信、雷达及天线馈电系统。

Description

非接触式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，尤其涉及一种非接触式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。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，由于此类旋转关节的旋转部位都是接触式结构，因此在旋转关节旋转过程中，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，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，进而影响旋转关节性能。

过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前接触式旋转关节由于有接触面的摩擦，会存在磨损及旋转不平稳的问题，而已有的扼流槽非接触式旋转关节的工作带宽很窄，无法实现宽带旋转关节。

解决以上问题及缺陷的难度为：

接触式旋转关节存在磨损及旋转不平稳问题，而直接的非接触式结构会造成电磁泄露，进而严重影响旋转关节的驻波和插损性能，采用扼流槽结构的非接触式结构虽然避免了接触，但扼流槽依赖于四分之一波长变换结构，是一种窄带结构，无法实现宽带性能。如何实现旋转部位既不接触，同时又能保证宽带性能，是旋转关节实现中的关键难点。

解决以上问题及缺陷的意义为：

针对以上问题，本发明提出一种非接触式超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用。分别通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换结构实现到固定波导和旋转波导的电磁信号传输，在同轴过渡的旋转部位构建非接触的电磁带隙结构，既实现了接触部位的非接触，避免了旋转部位的磨损，又利用电磁带隙结构的宽带电磁屏蔽特性保证了旋转关节的超宽带性能，解决了现有旋转关节的诸多缺陷，大幅提升了波导旋转关节的性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种非接触式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，一种非接触式超宽带波导旋转关节的控制方法，所述非接触式超宽带波导旋转关节的控制方法包括：

第一步，在同轴过渡段外部设计圆弧面周期性金属凸体阵列，配合屏蔽腔构成可旋转的非接触电磁带隙结构，通过电磁仿真计算获得关键尺寸参数，实现非接触条件下的宽带电磁屏蔽，构成可旋转同轴过渡；

第二步，分别通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换实现到固定波导和旋转波导间的电磁信号传输，配合轴承实现L型波导旋转关节。

进一步，所述圆弧面周期性金属凸体阵列的若干个等半径圆弧面金属凸体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。

进一步，所述圆弧面周期性金属凸体阵列的结构及排列方式为：各金属凸体尺寸结构相同，每一圈金属凸体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，所述圆弧面周期性金属凸体阵列的排列方式下，构成的非接触可旋转电磁带隙结构关键尺寸参数，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个等半径的圆弧面金属凸体，每个金属凸体的弧面弧度为deg₁，凸体间的切向弧度为deg₂，满足deg₁+deg₂＝2π/N，deg₁和deg₂可以相同也可以不同，构成周期性排列结构；

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；圆弧面周期性金属凸体阵列的外弧面与屏蔽腔内壁间的间距为h_a，即屏蔽腔的内腔半径为r+h_p+h_a，其中h_a理论值小于四分之一工作波长，通常h_a取值小于金属凸体径向高度h_p的五分之一；每个金属凸体的轴向厚度为w，轴向周期性排列的间距为g。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述非接触式超宽带波导旋转关节的控制方法的非接触式超宽带波导旋转关节的控制系统，所述非接触式超宽带波导旋转关节的控制系统包括：

可旋转同轴过渡构建模块，用于在同轴过渡段外部设计圆弧面周期性金属凸体阵列，配合屏蔽腔构成可旋转的非接触电磁带隙结构，通过电磁仿真计算获得关键尺寸参数，实现非接触条件下的宽带电磁屏蔽，构成可旋转同轴过渡；

L型波导旋转关节构建模块，用于分别通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换实现到固定波导和旋转波导间的电磁信号传输，配合轴承实现L型波导旋转关节。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述非接触式超宽带波导旋转关节的控制方法的非接触式超宽带波导旋转关节，所述非接触式超宽带波导旋转关节包括上波导部、可旋转同轴过渡、轴承及下波导部；

上波导部为标准矩形波导、非标波导、脊波导或其组合结构，内部通过变换结构实现宽带的端接式波导-同轴转换；

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、圆弧面周期性金属凸体阵列、下同轴探针；

轴承为任意类型的机械滚动轴承，根据需求灵活选择；

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圆弧面周期性金属凸体阵列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端接式同轴-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正交式同轴-波导转换。

进一步，所述上波导部内部还包括阻抗变换、匹配及调谐结构，波导末端特定位置开孔，用于构成端接式同轴-波导转换结构；

可旋转同轴过渡中，空心金属圆柱的上端设置轴承固定结构，下端外壁设置圆弧面周期性金属凸体阵列，若干个等半径圆弧面金属凸体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；

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，所述下波导部的普通波导内部包括阻抗变换、匹配及调谐结构；

下波导部中，屏蔽腔为圆柱体空腔结构，与普通波导的上壁相连为一体，并与普通波导的波导腔内部相通，屏蔽腔的直径大于所述可旋转同轴过渡中圆弧面周期性金属凸体阵列的外圆弧直径，二者之差小于旋转关节工作频率所对应工作波长的二分之一，屏蔽腔的高度大于等于圆弧面周期性金属凸体阵列的轴向长度；

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，保证装配后轴承的下表面与屏蔽腔的上表面不接触；

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，组装后圆弧面周期性金属凸体阵列表面与屏蔽腔的内壁之间形成小于四分之一工作波长的等距结构间隙，不接触。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述非接触式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非接触式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：本发明在同轴过渡段外部设计圆弧面周期性金属凸体阵列，配合屏蔽腔构成可旋转的非接触电磁带隙结构，实现非接触条件下的宽带电磁屏蔽，构成可旋转同轴过渡，分别通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换实现到固定波导和旋转波导间的电磁信号传输，配合轴承实现L型波导旋转关节。本发明中在旋转部位构建可旋转的非接触电磁带隙结构实现了超宽带电磁屏蔽，保证了旋转关节良好的电磁传输性能，工作带宽可完全覆盖相应的波导主模带宽，且非接触式结构避免了旋转部位的结构磨损，使得旋转更加平稳，寿命更长，可广泛应用于各种通信、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)相比现有的普通无接触式结构旋转关节，本发明中旋转部位通过构建非接触的可旋转电磁带隙结构实现宽带电磁屏蔽，保证了良好的驻波及插损性能。

(2)相比现有的接触式结构旋转关节，本发明中旋转部位通过构建非接触电磁带隙结构，保证宽带电磁屏蔽的同时，旋转部位避免了磨损问题，可以实现更加平稳的旋转。

(3)相比现有的扼流槽结构波导旋转关节，本发明为超宽带旋转关节结构，工作带宽可以完全覆盖相应的波导工作带宽，解决了扼流槽结构工作带宽较窄的问题。

(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L型非接触式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L型非接触式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L型非接触式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L型非接触式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L型非接触式超宽带波导旋转关节中，旋转部位所构成的非接触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L型非接触式超宽带波导旋转关节在以实现Ku频段BJ120(WR75)标准矩形波导(工作带宽9.84GHz～15GHz)的旋转关节为例实施过程中，其中所构建的非接触电磁带隙结构的电磁禁带计算结果示意图。

图7是本发明实施例提供的L型非接触式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；11、变换结构；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、圆弧面周期性金属凸体阵列；26、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、可旋转同轴过渡构建模块；6、L型波导旋转关节构建模块。

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L型非接触式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L型非接触式超宽带波导旋转关节的控制方法包括以下步骤：

S101：在同轴过渡段外部设计圆弧面周期性金属凸体阵列，配合屏蔽腔构成可旋转的非接触电磁带隙结构，通过电磁仿真计算获得关键尺寸参数，实现非接触条件下的宽带电磁屏蔽，构成可旋转同轴过渡；

S102：分别通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换实现到固定波导和旋转波导间的电磁信号传输，配合轴承实现L型波导旋转关节。

如图2所示，本发明提供的L型非接触式超宽带波导旋转关节的控制系统包括：

可旋转同轴过渡构建模块5，用于在同轴过渡段外部设计圆弧面周期性金属凸体阵列，配合屏蔽腔构成可旋转的非接触电磁带隙结构，通过电磁仿真计算获得关键尺寸参数，实现非接触条件下的宽带电磁屏蔽，构成可旋转同轴过渡。

L型波导旋转关节构建模块6，用于分别通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换实现到固定波导和旋转波导间的电磁信号传输，配合轴承实现L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L型非接触式超宽带波导旋转关节，通过在同轴过渡结构外部设计圆弧面周期性金属凸体阵列，配合屏蔽腔构成可旋转的非接触电磁带隙结构，实现非接触条件下的宽带电磁屏蔽，构成可旋转同轴过渡，分别通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换实现到固定波导和旋转波导间的电磁信号传输，配合轴承实现结构旋转。本发明中在旋转部位通过构建可旋转的非接触电磁带隙结构实现了超宽带电磁屏蔽，保证了旋转关节良好的电磁传输性能，工作带宽可完全覆盖相应的波导主模带宽，且非接触式结构避免了旋转部位的结构磨损，使得旋转更加平稳，寿命更长，可广泛应用于各种通信、雷达及天线馈电系统中。

如图3和图4所示，一种L型非接触式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，内部通过变换结构11实现宽带的端接式波导-同轴转换。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、圆弧面周期性金属凸体阵列25和下同轴探针26。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带有圆弧面周期性金属凸体阵列25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的端接式同轴-波导转换，并与上波导部1保持结构固定，通过下同轴探针26实现到下波导部4中普通波导41的正交式同轴-波导转换。

上波导部1内部还包括其他必要的阻抗变换、匹配及调谐结构，波导末端特定位置开孔，用于构成端接式同轴-波导转换结构。

可旋转同轴过渡2中，空心金属圆柱24的上端设置轴承固定结构23，下端外壁设置圆弧面周期性金属凸体阵列25。若干个等半径圆弧面金属凸体沿空心金属圆柱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：各金属凸体尺寸结构相同，每一圈金属凸体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。

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26，上同轴探针21和下同轴探针26为任意可实现的同轴-波导转换结构。

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。

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的直径大于所述可旋转同轴过渡2中圆弧面周期性金属凸体阵列25的外圆弧直径，二者之差小于旋转关节工作频率所对应工作波长的二分之一，屏蔽腔42的高度大于等于圆弧面周期性金属凸体阵列25的轴向长度。

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，进而保证轴承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，组装后圆弧面周期性金属凸体阵列25表面与屏蔽腔42的内壁之间形成小于四分之一工作波长的等距结构间隙，不接触。

装配完成后，可旋转同轴过渡2中的圆弧面周期性金属凸体阵列25与下波导部4中的屏蔽腔42共同构成非接触电磁带隙结构。在最优选的排列方式下，所构成的非接触可旋转电磁带隙结构关键尺寸参数如图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个等半径的圆弧面金属凸体，每个金属凸体的弧面弧度为deg₁，凸体间的切向弧度为deg₂，满足deg₁+deg₂＝2π/N，deg₁和deg₂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。圆弧面周期性金属凸体阵列25的外弧面与屏蔽腔42内壁间的间距为h_a，即屏蔽腔42的内腔半径为r+h_p+h_a，其中h_a理论值小于四分之一工作波长，通常h_a取值小于金属凸体径向高度h_p的五分之一。每个金属凸体的轴向厚度为w，轴向周期性排列的间距为g。以上各参数没有唯一值，通过电磁场仿真计算获得，需保证所构成的非接触电磁带隙结构的电磁禁带覆盖旋转关节的工作频率范围。圆弧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。

除过所述各必要部分外，可根据实际需求增加额外的机械固定或支撑结构。

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(工作频段10GHz～15GHz)的L型旋转关节为例，说明本发明的具体实施过程。

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，根据理论公式计算，选择金属内导体直径1mm，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+阶梯变换结构实现到上波导的端接式波导-同轴转换，选择探针+匹配柱结构实现到下波导的正交波导-同轴转换。仿真优化获得上、下同轴探针及相应转换结构的初始尺寸参数。

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所示非接触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deg₁＝deg₂。设置合适的周期性边界条件，通过本征求解模式计算，调整各尺寸参数值，获得合适的电磁禁带结果，如图6所示，电磁禁带完全覆盖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，h_a＝0.1mm，w＝3mm，g＝3mm，N＝6。

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80W，选定3圈圆弧面金属凸体构成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某Ku频段BJ120(WR75)标准矩形波导(工作频段10GHz～15GHz)的L型旋转关节实现了验证，实测S参数如图7所示，在整个所需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，实现非接触结构的同时，具有良好的电磁传输性能，可实现超宽带旋转关节性能，且旋转平稳，不存在磨损问题。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)

1.一种非接触式超宽带波导旋转关节，其特征在于，所述非接触式超宽带波导旋转关节包括上波导部、可旋转同轴过渡、轴承及下波导部；

上波导部为标准矩形波导、非标波导、脊波导或其组合结构，内部通过变换结构实现宽带的端接式波导-同轴转换；

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、圆弧面周期性金属凸体阵列、下同轴探针；

轴承为任意类型的机械滚动轴承，根据需求灵活选择；

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圆弧面周期性金属凸体阵列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端接式同轴-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正交式同轴-波导转换；

所述上波导部内部还包括阻抗变换、匹配及调谐结构，波导末端开孔，用于构成端接式同轴-波导转换结构；

可旋转同轴过渡中，空心金属圆柱的上端设置轴承固定结构，下端外壁设置圆弧面周期性金属凸体阵列，若干个等半径圆弧面金属凸体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；

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；

所述下波导部的普通波导内部包括阻抗变换、匹配及调谐结构；

下波导部中，屏蔽腔为圆柱体空腔结构，与普通波导的上壁相连为一体，并与普通波导的波导腔内部相通，屏蔽腔的直径大于所述可旋转同轴过渡中圆弧面周期性金属凸体阵列的外圆弧直径，二者之差小于旋转关节工作频率所对应工作波长的二分之一，屏蔽腔的高度大于等于圆弧面周期性金属凸体阵列的轴向长度；

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，保证装配后轴承的下表面与屏蔽腔的上表面不接触；

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，组装后圆弧面周期性金属凸体阵列表面与屏蔽腔的内壁之间形成小于四分之一工作波长的等距结构间隙，不接触；

所述非接触式超宽带波导旋转关节的控制方法包括：

第一步，在同轴过渡段外部设计圆弧面周期性金属凸体阵列，配合屏蔽腔构成可旋转的非接触电磁带隙结构，通过电磁仿真计算获得关键尺寸参数，实现非接触条件下的宽带电磁屏蔽，构成可旋转同轴过渡；

第二步，分别通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换实现到固定波导和旋转波导间的电磁信号传输，配合轴承实现L型波导旋转关节；

所述圆弧面周期性金属凸体阵列的若干个等半径圆弧面金属凸体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。

2.如权利要求1所述的非接触式超宽带波导旋转关节，其特征在于，所述圆弧面周期性金属凸体阵列的结构及排列方式为：各金属凸体尺寸结构相同，每一圈金属凸体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。

3.如权利要求1所述的非接触式超宽带波导旋转关节，其特征在于，所述圆弧面周期性金属凸体阵列的排列方式下，构成的非接触可旋转电磁带隙结构关键尺寸参数为：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个等半径的圆弧面金属凸体，每个金属凸体的弧面弧度为deg ₁ ，凸体间的切向弧度为deg ₂ ，满足deg ₁ + deg ₂ =2π/N，构成周期性排列结构；

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 ；圆弧面周期性金属凸体阵列的外弧面与屏蔽腔内壁间的间距为h _a ，即屏蔽腔的内腔半径为r+h _p +h _a ，其中h _a 理论值小于四分之一工作波长，h _a 取值小于金属凸体径向高度h _p 的五分之一；每个金属凸体的轴向厚度为w，轴向周期性排列的间距为g。

4.一种实施权利要求1~3任意一项所述非接触式超宽带波导旋转关节的控制系统，其特征在于，所述非接触式超宽带波导旋转关节的控制系统包括：

可旋转同轴过渡构建模块，用于在同轴过渡段外部设计圆弧面周期性金属凸体阵列，配合屏蔽腔构成可旋转的非接触电磁带隙结构，通过电磁仿真计算获得关键尺寸参数，实现非接触条件下的宽带电磁屏蔽，构成可旋转同轴过渡；

L型波导旋转关节构建模块，用于分别通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换实现到固定波导和旋转波导间的电磁信号传输，配合轴承实现L型波导旋转关节。

5.一种安装有权利要求1所述非接触式超宽带波导旋转关节的雷达。

6.一种安装有权利要求1所述非接触式超宽带波导旋转关节的天线馈电系统。

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