CN111934064A - 一种l型超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用 - Google Patents

一种l型超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111934064A
CN111934064A CN202010605846.3A CN202010605846A CN111934064A CN 111934064 A CN111934064 A CN 111934064A CN 202010605846 A CN202010605846 A CN 202010605846A CN 111934064 A CN111934064 A CN 111934064A
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
coaxial
rotary joint
electromagnetic
ball
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010605846.3A
Other languages
English (en)
Inventor
陈翔
孙冬全
李小军
崔万照
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN202010605846.3A priority Critical patent/CN111934064A/zh
Publication of CN111934064A publication Critical patent/CN111934064A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/06—Movable joints, e.g. rotating joints
    • H01P1/062—Movable joints, e.g. rotating joints the relative movement being a rotation
    • H01P1/066—Movable joints, e.g. rotating joints the relative movement being a rotation with an unlimited angle of rotation
    • H01P1/067—Movable joints, e.g. rotating joints the relative movement being a rotation with an unlimited angle of rotation the energy being transmitted in only one line located on the axis of rotation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors

Landscapes

  • Waveguide Connection Structure (AREA)

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L型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，在同轴过渡部分通过内嵌滚珠的圆弧面周期性金属凸体阵列配合圆柱体屏蔽腔，构成电磁带隙结构类型的可旋转同轴过渡；利用电磁带隙结构的电磁禁带特性实现电磁屏蔽，同时通过宽带端接式和正交式同轴‑波导转换分别实现至上下波导间的电磁信号传输，配合轴承构成L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，且在合适尺寸下可实现一定的抗磨损性能；同时，滚珠支撑的接触式结构提高了旋转关节的功率容量和力学结构可靠性。

Description

一种L型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L型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，但此类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。
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：
针对上述问题，本发明提出一种L型超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用。通过在同轴过渡的旋转部位构建滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构，既保证了平稳的旋转，同时利用电磁带隙结构的宽带电磁屏蔽实现了L型旋转关节的超宽带性能，且基于该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，也不会影响电磁传输性能，因此具有抗磨损的优点。本发明解决了现有波导旋转关节的诸多技术缺陷，可以大幅提升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L型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L型超宽带波导旋转关节的控制方法，所述L型超宽带波导旋转关节的控制方法包括：
第一步，采用同轴过渡结构，在同轴过渡部分通过内嵌滚珠的圆弧面周期性金属凸体阵列配合圆柱体屏蔽腔，构成电磁带隙结构类型的可旋转同轴过渡；
第二步，通过电磁计算获得合适的尺寸参数，利用电磁带隙结构的电磁禁带特性实现电磁屏蔽，同时通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换结构分别实现上下波导间的电磁信号传输，配合轴承构成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等半径的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，每个金属凸体上部嵌入球体或圆柱体滚珠。
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：各金属凸体结构、尺寸相同，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，所述电磁带隙结构的参数为，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个等半径弧面凸体单元，每个金属凸体单元弧面弧度为deg1，凸体单元间切向弧度为deg2，满足关系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hp，即每个凸体外弧面半径为r+hp；每个金属凸体上部镶嵌滚珠的半径为rc，若选择圆柱体滚珠，则滚珠高度为hc，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doff，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+hp+rc-doff，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所述L型超宽带波导旋转关节的控制方法的L型超宽带波导旋转关节的控制系统，所述L型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，用于采用同轴过渡结构，在同轴过渡部分通过内嵌滚珠的圆弧面周期性金属凸体阵列配合圆柱体屏蔽腔，构成一种电磁带隙结构类型的可旋转同轴过渡；
波导旋转关节构建模块，用于通过电磁计算获得合适的尺寸参数，利用电磁带隙结构的电磁禁带特性实现电磁屏蔽，同时通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换结构实现上下波导间的电磁信号传输，配合轴承构成L型波导旋转关节。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述L型超宽带波导旋转关节的控制系统的L型超宽带波导旋转关节，所述L型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；
所述上波导部为标准矩形波导、非标波导、脊波导或其组合结构，内部包含变换结构，用于实现宽带的端接式波导-同轴转换；
所述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、滚珠和下同轴探针；
所述下波导部包括普通波导、屏蔽腔和轴承固定腔。所述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；
所述可旋转同轴过渡中，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，若干等半径的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，每个金属凸体上部嵌入球体或圆柱体滚珠；
所述可旋转同轴过渡中，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；
所述下波导部中，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，屏蔽腔的内腔直径设计值等于所述可旋转同轴过渡中圆弧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圆弧面周期性金属凸体阵列的轴向长度；
所述下波导部中，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；
装配完成后，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中所嵌入的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；
所述可旋转同轴过渡中的圆弧面周期性金属凸体阵列、滚珠与下波导部中的屏蔽腔共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述L型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L型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：本发明采用同轴过渡结构，在同轴过渡部分通过内嵌滚珠的圆弧面周期性金属凸体阵列配合圆柱体屏蔽腔，构成一种电磁带隙结构类型的可旋转同轴过渡，利用电磁带隙结构的电磁禁带特性实现电磁屏蔽，同时通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换结构实现上下波导间的电磁信号传输，配合轴承构成L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，且在合适尺寸下可实现一定的抗磨损性能，同时，滚珠支撑的接触式结构也提高了旋转关节的功率容量和力学结构可靠性，可应用于各种通信、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，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场屏蔽，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式可旋转电磁带隙结构，实现了超宽带性能，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了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L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L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L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L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L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)径向截面图；(b)轴向俯视图。
图6是本发明实施例提供的L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L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L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；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、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、可旋转同轴过渡构建模块；6、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型超宽带波导旋转关节的控制方法包括以下步骤：
S101：采用同轴过渡结构，在同轴过渡部分通过内嵌滚珠的圆弧面周期性金属凸体阵列配合圆柱体屏蔽腔，构成一种电磁带隙结构类型的可旋转同轴过渡；
S102：通过电磁计算获得合适的尺寸参数，利用电磁带隙结构的电磁禁带特性实现电磁屏蔽，同时通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换结构分别实现至上下波导间的电磁信号传输，配合轴承构成L型波导旋转关节。
如图2所示，本发明提供的L型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，用于采用同轴过渡结构，在同轴过渡部分通过内嵌滚珠的圆弧面周期性金属凸体阵列配合圆柱体屏蔽腔，构成一种电磁带隙结构类型的可旋转同轴过渡。
波导旋转关节构建模块6，用于通过电磁计算获得合适的尺寸参数，利用电磁带隙结构的电磁禁带特性实现电磁屏蔽，同时通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换结构分别实现至上下波导间的电磁信号传输，配合轴承构成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型超宽带波导旋转关节。采用同轴过渡结构，在同轴过渡部分通过内嵌滚珠的圆弧面周期性金属凸体阵列配合圆柱体屏蔽腔，构成一种电磁带隙结构类型的可旋转同轴过渡，利用电磁带隙结构的电磁禁带特性实现电磁屏蔽，同时通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换结构实现上下波导间的电磁信号传输，配合轴承构成L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，且在合适尺寸下可实现一定的抗磨损性能，同时，滚珠支撑的接触式结构也提高了旋转关节的功率容量和力学结构可靠性，可应用各种通信、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，内部包含变换结构11，用于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、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带有圆弧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27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，若干等半径的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，每个金属凸体上部嵌入球体或圆柱体滚珠26。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，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。
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。
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的内腔直径设计值等于可旋转同轴过渡2中圆弧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中的圆弧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共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构。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deg1，凸体单元间切向弧度为deg2，满足关系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hp，即每个凸体外弧面半径为r+hp。每个金属凸体上部镶嵌滚珠26的半径为rc，高度为hc，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doff，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+hp+rc-doff。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ha，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尺寸范围。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。
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必要的机械固定、支撑及润滑机构。
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10GHz～15GHz)的L型波导旋转关节为例，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，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+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deg1＝deg2。设置合适的周期性边界条件，通过本征求解模式计算获得电磁禁带范围。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。图6所示为无磨损情况下(ha＝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(ha＝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所需的工作频带范围，此时获得的各尺寸参数为：r＝2.5mm，hp＝3.5mm，rc＝1.2mm，hc＝2.4mm，doff＝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ha＝0.04mm时，电磁禁带仍然具有一定的余量空间，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(工作带宽10GHz～15GHz)的L型波导旋转关节实现了验证，实测S参数如图8所示，在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L型波导旋转关节相比已有的旋转关节，具有良好的电磁传输性能，可实现超宽带性能，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 (10)

1.一种L型超宽带波导旋转关节，其特征在于，所述L型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；
所述上波导部为标准矩形波导、非标波导、脊波导或其组合结构，内部包含变换结构，用于实现宽带的端接式波导-同轴转换；
所述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、滚珠和下同轴探针；
所述下波导部包括普通波导、屏蔽腔和轴承固定腔，所述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。
2.如权利要求1所述的L型超宽带波导旋转关节，其特征在于，所述上波导部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；
所述可旋转同轴过渡中，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，若干等半径的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，每个金属凸体上部嵌入球体或圆柱体滚珠；
所述可旋转同轴过渡中，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。
3.如权利要求1所述的L型超宽带波导旋转关节，其特征在于，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；
所述下波导部中，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，屏蔽腔的内腔直径设计值等于所述可旋转同轴过渡中圆弧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圆弧面周期性金属凸体阵列的轴向长度；
所述下波导部中，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；
装配完成后，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中所嵌入的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；
所述可旋转同轴过渡中的圆弧面周期性金属凸体阵列、滚珠与下波导部中的屏蔽腔共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构。
4.一种如权利要求1所述的L型超宽带波导旋转关节的控制方法，其特征在于，所述L型超宽带波导旋转关节的控制方法包括：
第一步，采用同轴过渡结构，在同轴过渡部分通过内嵌滚珠的圆弧面周期性金属凸体阵列配合圆柱体屏蔽腔，构成电磁带隙结构类型的可旋转同轴过渡；
第二步，通过电磁计算获得合适的尺寸参数，利用电磁带隙结构的电磁禁带特性实现电磁屏蔽，同时通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换结构分别实现至上下波导间的电磁信号传输，配合轴承构成L型波导旋转关节。
5.如权利要求4所述的L型超宽带波导旋转关节的控制方法，其特征在于，所述圆弧面周期性金属凸体阵列的若干等半径的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，每个金属凸体上部嵌入球体或圆柱体滚珠。
6.如权利要求4所述的L型超宽带波导旋转关节的控制方法，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：各金属凸体结构、尺寸相同，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。
7.如权利要求4所述的L型超宽带波导旋转关节的控制方法，其特征在于，所述电磁带隙结构的参数为，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个等半径弧面凸体单元，每个金属凸体单元弧面弧度为deg1，凸体单元间切向弧度为deg2，满足关系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hp，即每个凸体外弧面半径为r+hp；每个金属凸体上部镶嵌滚珠的半径为rc，若选择圆柱体滚珠，则滚珠高度为hc，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doff，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+hp+rc-doff，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。
8.一种实施权利要求4～7任意一项所述L型超宽带波导旋转关节的控制方法的L型超宽带波导旋转关节的控制系统，其特征在于，所述L型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，用于采用同轴过渡结构，在同轴过渡部分通过内嵌滚珠的圆弧面周期性金属凸体阵列配合圆柱体屏蔽腔，构成一种电磁带隙结构类型的可旋转同轴过渡；
波导旋转关节构建模块，用于通过电磁计算获得合适的尺寸参数，利用电磁带隙结构的电磁禁带特性实现电磁屏蔽，同时通过宽带端接式和正交式同轴-波导转换结构分别实现至上下波导间的电磁信号传输，配合轴承构成L型波导旋转关节。
9.一种安装有权利要求1～3任意一项所述L型超宽带波导旋转关节的雷达。
10.一种安装有权利要求1～3任意一项所述L型超宽带波导旋转关节的天线馈电系统。
CN202010605846.3A 2020-06-29 2020-06-29 一种l型超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用 Pending CN111934064A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010605846.3A CN111934064A (zh) 2020-06-29 2020-06-29 一种l型超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010605846.3A CN111934064A (zh) 2020-06-29 2020-06-29 一种l型超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111934064A true CN111934064A (zh) 2020-11-13

Family

ID=73317704

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010605846.3A Pending CN111934064A (zh) 2020-06-29 2020-06-29 一种l型超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111934064A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114839448A (zh) * 2022-04-15 2022-08-02 电子科技大学 一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5442329A (en) * 1992-12-04 1995-08-15 Sg Microwaves Inc. Waveguide rotary joint and mode transducer structure therefor
CN101414699A (zh) * 2008-12-01 2009-04-22 中国航天科技集团公司第五研究院第五〇四研究所 一种新型微波旋转关节
US9276302B2 (en) * 2013-11-13 2016-03-01 Thinkom Solutions, Inc. Waveguide rotary joint including half-height waveguide portions
CN108666717A (zh) * 2018-03-28 2018-10-16 西安空间无线电技术研究所 一种非接触型低无源互调波导连接结构及设计方法
CN208820033U (zh) * 2018-10-29 2019-05-03 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 一种用于低剖面波束扫描天线的波导旋转关节
CN209929452U (zh) * 2019-06-28 2020-01-10 中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所 一种双通道微波旋转关节

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5442329A (en) * 1992-12-04 1995-08-15 Sg Microwaves Inc. Waveguide rotary joint and mode transducer structure therefor
CN101414699A (zh) * 2008-12-01 2009-04-22 中国航天科技集团公司第五研究院第五〇四研究所 一种新型微波旋转关节
US9276302B2 (en) * 2013-11-13 2016-03-01 Thinkom Solutions, Inc. Waveguide rotary joint including half-height waveguide portions
CN108666717A (zh) * 2018-03-28 2018-10-16 西安空间无线电技术研究所 一种非接触型低无源互调波导连接结构及设计方法
CN208820033U (zh) * 2018-10-29 2019-05-03 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 一种用于低剖面波束扫描天线的波导旋转关节
CN209929452U (zh) * 2019-06-28 2020-01-10 中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所 一种双通道微波旋转关节

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DONGQUAN SUN ET AL.: "Flexible rectangular waveguide based on cylindrical contactless flange", 《ELECTRONICS LETTERS》 *
WANZHAO CUI ET AL.: "A Compact Waveguide Connection for Space Applications Using", 《2019 13TH EUROPEAN CONFERENCE ON ANTENNAS AND PROPAGATION (EUCAP)》 *
陈翔 等: "悬置非接触式低无源互调波导法兰转换方法", 《西安交通大学学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114839448A (zh) * 2022-04-15 2022-08-02 电子科技大学 一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置
CN114839448B (zh) * 2022-04-15 2023-05-02 电子科技大学 一种基于扼流耦合结构的高功率微波在线测量装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111934063B (zh) 非接触式超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用
CN209929452U (zh) 一种双通道微波旋转关节
CN201532999U (zh) 直通式射频同轴旋转关节
CN111934066B (zh) 一种宽带非接触式圆波导旋转关节及设计方法
CN102394323B (zh) 一种毫米波宽带te01模旋转关节
US9276302B2 (en) Waveguide rotary joint including half-height waveguide portions
CN208820033U (zh) 一种用于低剖面波束扫描天线的波导旋转关节
CN112909450B (zh) 一种星载双频段四通道旋转关节
CN111934065B (zh) 一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节及设计方法
CN111934064A (zh) 一种l型超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用
CN112803127A (zh) 一种宽频带非接触式同轴旋转关节及雷达天线
CN111934062A (zh) U型超宽带非接触式波导旋转关节、控制系统、方法及应用
CN111934061B (zh) 一种超宽带波导旋转关节、控制系统、方法及应用
CN111954452B (zh) 一种抗磨损可旋转宽带电磁屏蔽结构、设计方法及应用
CN104466306B (zh) 一种三通道微波旋转关节
CN110112525B (zh) 一种内导体可沿轴向前后位移调节的连接器
CN210136991U (zh) 一种低损耗、宽频带的高可靠性旋转关节
CN217848312U (zh) 一种毫米波超宽带天线
CN114256568B (zh) 一种大功率多模宽带旋转关节
CN114709582B (zh) 带减高过渡的Ka波段正交型波导同轴转换器及装配方法
CN115799777A (zh) 一种双通道同轴天线旋转关节
CN111954453B (zh) 一种非接触式可旋转宽带电磁屏蔽结构、设计方法及应用
CN111180836A (zh) 一种Ku波段双路同轴旋转关节
JP2002232201A (ja) 非接触ロータリージョイント
CN209804866U (zh) 一种内导体可沿轴向前后位移调节的连接器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201113