CN111934065A - 一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节及设计方法，该圆波导旋转关节包括：第一圆波导、圆柱面金属凸体阵列、滚珠、轴承、第二圆波导、屏蔽腔和轴承固定腔；第一圆波导末端设置有金属凸体阵列，金属凸体阵列中每个金属凸体上内嵌一个滚珠；第二圆波导末端依次设置有屏蔽腔和轴承固定腔；第一圆波导的末端插入屏蔽腔内，第一圆波导与第二圆波导的波导端口面不接触；滚珠与屏蔽腔以间隙配合形式相接触，配合轴承构成圆波导旋转关节。本发明中，旋转部位通过构建滚珠支撑结构的宽带电磁带隙结构，在保证旋转关节宽带特性的同时具有一定的抗磨损性能，且提高了功率容量和力学结构可靠性，可广泛应用于各种通信、雷达及天线馈电系统中。

Description

一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节及设计方法

技术领域

本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节及设计方法。

背景技术

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，实现固定部分和旋转部分的连接，以保证天线在旋转过程中微波信号可以连续有效传输。

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。

在各类大功率波导旋转关节中，旋转部位大多采用圆波导结构，利用圆波导的中心对称TM01模或经过极化变换后的其他模式实现旋转过程中的电磁信号不间断传输。输入输出端口根据不同的需求设计相应的转换结构，以实现不同类型的波导旋转关节，例如，通过矩形-圆波导转换实现矩形波导旋转关节。因此，圆波导旋转关节结构是很多波导旋转关节中的核心机构。

当前已有的圆波导旋转关节，总结起来包括普通无接触式、扼流槽非接触式及接触式结构三类。普通无接触式结构由于存在间隙，造成电磁泄露，因此驻波及插损性能较差，为此通常会增加扼流槽结构以降低驻波比和插损，但扼流槽为窄带结构，很大程度上限制了旋转关节的工作带宽，一旦工作频率改变，电性能指标会下降，因此需要根据不同的工作频段设计改变结构尺寸，且扼流槽尺寸通常需要试验确定，会造成较高的设计制造成本。

现有的接触式波导旋转关节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，进而改善驻波及插损性能，如专利“接触式无间隙的波导旋转关节201710367048.X”、“可快速调节间隙的波导旋转关节201710368810.6”、“一种可调间隙的波导旋转关节201710367047.5”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。

综上，当前已有的圆波导旋转关节大多采用扼流槽结构，其工作带宽较窄，无法满足宽带范围内灵活的频率变化需求，采用接触式结构所实现的圆波导旋转关节存在磨损及旋转不平稳的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节及设计方法，在旋转部位通过构建滚珠支撑结构的宽带电磁带隙结构，在保证旋转关节宽带特性的同时具有一定的抗磨损性能，且提高了功率容量和力学结构可靠性，可广泛应用于各种通信、雷达及天线馈电系统中。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节，包括：第一圆波导、圆柱面金属凸体阵列、滚珠、轴承、第二圆波导、屏蔽腔和轴承固定腔；其中，第一圆波导和第二圆波导的中心轴线相重合；

第一圆波导靠近轴承一侧的末端设置有圆柱面金属凸体阵列，圆柱面金属凸体阵列中的每个金属凸体上内嵌一个滚珠；

第二圆波导靠近轴承一侧的末端依次设置有屏蔽腔和轴承固定腔；

轴承放置于轴承固定腔中，且轴承的外圈与轴承固定腔保持结构固定；

第一圆波导靠近轴承一侧的末端插入屏蔽腔内，且第一圆波导的波导端口面与第二圆波导的波导端口面不接触；圆柱面金属凸体阵列上内嵌的滚珠与屏蔽腔的内壁相接触，保持间隙配合，保证在旋转过程中滚珠处于滚动状态；

圆柱面金属凸体阵列、滚珠和屏蔽腔共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；

第一圆波导的外壁与轴承的内圈相互固定，构成圆波导旋转关节。

在上述宽带抗磨损的圆波导旋转关节中，

轴承为机械滚动轴承；

滚珠为球体或圆柱体结构，滚珠的材料为金属或表面电镀金属层的材料。

在上述宽带抗磨损的圆波导旋转关节中，

第一圆波导与第二圆波导的内径相同；

第一圆波导和第二圆波导的材料为金属或表面电镀金属层的材料。

在上述宽带抗磨损的圆波导旋转关节中，

圆柱面金属凸体阵列由多个金属凸体沿第一圆波导的末端外壁圆周及轴向以周期性规则排列；

各金属凸体为等半径的圆柱面凸体结构，金属凸体的圆弧面与第一圆波导呈同心圆关系。

在上述宽带抗磨损的圆波导旋转关节中，

多个金属凸体在第一圆波导的末端、沿第一圆波导的轴向以等间距方式排列M圈；其中，M≥1；

同一圈内的各金属凸体位于第一圆波导的同一轴向截面内，且沿第一圆波导的外壁圆周以等间距方式排列。

在上述宽带抗磨损的圆波导旋转关节中，

屏蔽腔为圆柱体空腔结构，与第二圆波导呈同心圆关系，并与第二圆波导的波导腔内部相连通；

屏蔽腔的直径设计值等于圆柱面金属凸体阵列与滚珠组合后的外圆弧直径；屏蔽腔的深度大于圆柱面金属凸体阵列沿波导轴向的长度。

在上述宽带抗磨损的圆波导旋转关节中，

轴承固定腔位于第二圆波导的最末端，与第二圆波导呈同心圆关系，并与屏蔽腔相连通；

轴承固定腔的高度及直径尺寸与轴承的高度及直径相匹配，用于固定轴承。

在上述宽带抗磨损的圆波导旋转关节中，

轴承固定腔与屏蔽腔之间预留有一结构间隙，使得装配后轴承的下表面与屏蔽腔的上表面不接触，保证轴承正常旋转。

相应的，本发明还公开了一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节的设计方法，包括：

在第一圆波导的末端设置圆柱面金属凸体阵列，并在圆柱面金属凸体阵列中的每个金属凸体上内嵌一个滚珠；

在第二圆波导末端依次设置屏蔽腔和轴承固定腔；

将轴承放置于轴承固定腔中，使轴承的外圈与轴承固定腔保持结构固定；

将第一圆波导的末端插入屏蔽腔内，使第一圆波导的波导端口面与第二圆波导的波导端口面不接触，以及，使圆柱面金属凸体阵列上内嵌的滚珠与屏蔽腔的内壁相接触，保持间隙配合，保证在旋转过程中滚珠处于滚动状态；其中，圆柱面金属凸体阵列、滚珠和屏蔽腔共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；

将第一圆波导的外壁与轴承的内圈相互固定，构成圆波导旋转关节。

在上述宽带抗磨损的圆波导旋转关节的设计方法中，还包括：

第一步，根据旋转关节工作频率，确定第一圆波导和第二圆波导的内壁半径r，并选定波导壁厚度为t；

第二步，建立滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构的仿真模型，设置各尺寸初值，其中，金属凸体径向高度h_p初值为旋转关节中心频率对应波长的四分之一，金属凸体轴向厚度w和轴向间距g初值和金属凸体高度相同，单圈内金属凸体数量N、金属凸体弧面弧度angle₁和凸体间切向弧度angle₂满足关系angle₁+angle₂＝2π/N，滚珠与屏蔽腔内壁间空气间隙h_a初值＝0；根据金属凸体的尺寸选择相应的滚珠半径r_c及高度h_c的尺寸初值；

第三步，通过电磁场本征求解，计算获得电磁禁带特性；

第四步，根据电磁禁带特性，对金属凸体径向高度h_p、金属凸体轴向厚度w、金属凸体轴向间距g、单圈内金属凸体的数量N、金属凸体弧面弧度angle₁、凸体间切向弧度angle₂、滚珠的半径r_c、滚珠的高度h_c、滚珠的径向回退距离d_off的取值进行调整；

第五步，根据实际磨损情况，设定磨损范围，计算磨损范围内的电磁禁带特性；其中磨损范围指：经过一定的旋转磨损后，滚珠与屏蔽腔内壁间所形成空气间隙h_a的尺寸范围；

第六步，重复步骤三至步骤五，直至电磁禁带完全覆盖旋转关节的工作频率范围；

第七步，设定旋转关节传输功率，根据最大传输功率下的电磁场分布特性，选择沿轴向的金属凸体圈数M，以满足电磁屏蔽性能。

本发明具有以下优点：

1、相比现有的普通无接触式圆波导旋转关节，本发明中旋转部位通过可旋转电磁带隙结构实现了电磁屏蔽，保证了良好的驻波及插损性能。

2、相比采用扼流槽所实现的圆波导旋转关节，本发明中旋转部位为一种滚珠支撑式可旋转的宽带电磁带隙结构，通过其宽带电磁禁带实现宽带电磁屏蔽，解决了扼流槽结构工作带宽较窄、无法灵活配置频率的缺陷。

3、相比现有的接触式结构旋转关节，本发明在旋转部位采用滚珠支撑结构的可旋转电磁带隙结构，旋转更加平稳，且根据本发明设计方法，即使出现磨损，也不影响正常的电磁传输性能，具有抗磨损特性。

4、相比非接触式结构，本发明旋转关节的旋转部位为滚珠支撑的接触式结构，结构支撑及力学承载性能更好，且功率容量更大。

5、本发明为普适的圆波导旋转关节结构方案，适用于任何频段应用,可广泛应用于各种通信、雷达及天线馈电系统中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本实施例中所使用的附图做简单介绍。当然，下面所描述的附图仅是本发明的实施例附图，不是限定性的，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附图。

图1是本发明实施例中一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节的分解结构示意图；

图2是本发明实施例中一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节的截面结构示意图；

图3是本发明实施例中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；

图4是本发明实施例中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5是本发明实施例中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6是本发明实施例中基于宽带抗磨损的圆波导旋转关节所实现的Ku频段矩形波导旋转关节的实测S参数结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

本发明的核心思想之一在于：提出一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节，在第一圆波导的外壁以周期性规则排列若干等半径的圆柱面的金属凸体，构成金属凸体阵列结构，每个金属凸体上部嵌入滚珠。在第二圆波导的末端设置相应的屏蔽腔结构，保证两波导中心轴线重合的前提下，将第一圆波导的金属凸体阵列和滚珠部分插入第二圆波导的屏蔽腔中，滚珠与屏蔽腔内壁以间隙配合的形式相接触，此时金属凸体阵列、滚珠及屏蔽腔共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构，利用电磁带隙结构的宽电磁禁带实现旋转部位的宽带电磁屏蔽，保证两个圆波导在相互旋转过程中正常的电磁信号传输，配合轴承实现圆波导旋转关节。在本发明中，在旋转部位通过内嵌滚珠的圆柱面金属凸体阵列配合屏蔽腔，构成一种可旋转宽带电磁带隙结构，保证旋转关节宽带性能的同时也提高了旋转关节的功率容量和力学结构可靠性，且通过本发明的设计方法，选择合适的尺寸参数，即使经过长时间旋转后旋转部位出现磨损，旋转部位的电磁禁带仍然可以覆盖实际工作带宽，因而不影响旋转关节的正常电磁传输性能，相比普通的接触式旋转关节结构，本发明所述的宽带抗磨损的圆波导旋转关节具有较好的抗磨损性能，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1和图2所示，在本实施例中，该宽带抗磨损的圆波导旋转关节，包括：第一圆波导1、圆柱面金属凸体阵列11、滚珠12、轴承2、第二圆波导3、屏蔽腔31和轴承固定腔32。其中，第一圆波导1和第二圆波导3的中心轴线相重合，第一圆波导1靠近轴承2一侧的末端设置有圆柱面金属凸体阵列11，圆柱面金属凸体阵列11中的每个金属凸体上内嵌一个滚珠12；第二圆波导3靠近轴承2一侧的末端依次设置有屏蔽腔31和轴承固定腔32；轴承2放置于轴承固定腔32中，且轴承2的外圈与轴承固定腔32保持结构固定；第一圆波导1靠近轴承2一侧的末端插入屏蔽腔31内，且第一圆波导1的波导端口面与第二圆波导3的波导端口面不接触；圆柱面金属凸体阵列11上内嵌的滚珠12与屏蔽腔31的内壁相接触，保持间隙配合，保证在旋转过程中滚珠12处于滚动状态；圆柱面金属凸体阵列11、滚珠12和屏蔽腔31共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；第一圆波导1的外壁与轴承2的内圈相互固定，构成圆波导旋转关节。

优选的，在本实施例中，轴承2可以采用机械滚动轴承。滚珠12可以是球体或圆柱体结构，滚珠12的材料为金属或表面电镀金属层的任意其他材料。

优选的，在本实施例中，第一圆波导1与第二圆波导3的内径相同，具体可以根据旋转关节工作频率来确定。第一圆波导1和第二圆波导3的材料为金属或表面电镀金属层的任意其他材料。其中，需要说明的是，第一圆波导1和第二圆波导3的内部还包括必要的阻抗变换、匹配及调谐结构。

优选的，在本实施例中，圆柱面金属凸体阵列11可以由多个等半径的圆柱面的金属凸体沿第一圆波导1的末端外壁圆周及轴向以周期性规则排列。其中，金属凸体的圆弧面与第一圆波导1呈同心圆关系。

优选的，在本实施例中，金属凸体在第一圆波导1的末端的排序形式可以是多样的。例如，一种最优的结构及排列方式可以为：各金属凸体的结构、尺寸均相同；每个滚珠12的结构、尺寸及嵌入方式也均相同。排列时，多个金属凸体在第一圆波导1的末端、沿第一圆波导1的轴向以等间距方式排列M≥1圈；同一圈内的各金属凸体位于第一圆波导1的同一轴向截面内，且沿第一圆波导1的外壁圆周以等间距方式排列。需要说明的是，在本实施例中，也可采用结构、尺寸不完全相同/完全不同的金属凸体，可以采用结构、尺寸及嵌入方式不完全相同/完全不同的滚珠，金属凸体还可以采取周期性错位交叉的排列方式等，只要满足一定的周期性规则即可，本实施例对此不作限制。

优选的，在本实施例中，屏蔽腔31为圆柱体空腔结构，与第二圆波导3呈同心圆关系，并与第二圆波导3的波导腔内部相连通。其中，屏蔽腔31的直径设计值等于圆柱面金属凸体阵列11与滚珠12组合后的外圆弧直径；屏蔽腔31的深度大于圆柱面金属凸体阵列11沿波导轴向的长度。

优选的，在本实施例中，轴承固定腔32位于第二圆波导3的最末端，与第二圆波导呈同心圆关系，并与屏蔽腔31相连通。其中，轴承固定腔32的高度及直径尺寸与轴承2的高度及直径相匹配，用于固定轴承2。

优选的，在本实施例中，轴承固定腔32与屏蔽腔31之间预留有一结构间隙，使得装配后轴承2的下表面与屏蔽腔31的上表面不接触，保证轴承2可以正常旋转。

其中，需要说明的是，在本实施例中，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或表面处理工艺。除过所述的各必要结构外，还可根据实际需求增加额外的机械固定、支撑及润滑机构等，本实施例对此不作限制。

在上述实施例的基础上，下面结合该宽带抗磨损的圆波导旋转关节的设计流程进行说明。

在本实施例中，该宽带抗磨损的圆波导旋转关节的设计方法具体可以包括如下步骤：在第一圆波导1的末端设置圆柱面金属凸体阵列11，并在圆柱面金属凸体阵列11中的每个金属凸体上内嵌一个滚珠12；在第二圆波导3末端依次设置屏蔽腔31和轴承固定腔32；将轴承2放置于轴承固定腔32中，使轴承2的外圈与轴承固定腔32保持结构固定；将第一圆波导1的末端插入屏蔽腔31内，使第一圆波导1的波导端口面与第二圆波导3的波导端口面不接触，以及，使圆柱面金属凸体阵列11上内嵌的滚珠12与屏蔽腔31的内壁相接触，保持间隙配合，保证在旋转过程中滚珠12处于滚动状态；其中，圆柱面金属凸体阵列11、滚珠12和屏蔽腔31共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；将第一圆波导1的外壁与轴承2的内圈相互固定，构成圆波导旋转关节。

优选的，在宽带抗磨损的圆波导旋转关节的设计过程中，各结构件的关键尺寸参数的设置可以采用如下方式确定：

第一步，根据旋转关节工作频率，确定第一圆波导1和第二圆波导3的内壁半径r，并选定波导壁厚度为t。

第二步，建立滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构的仿真模型，设置各尺寸初值，其中，金属凸体径向高度h_p初值为旋转关节中心频率对应波长的四分之一，金属凸体轴向厚度w和轴向间距g初值和金属凸体高度相同，单圈内金属凸体数量N、金属凸体弧面弧度angle₁和凸体间切向弧度angle₂满足关系angle₁+angle₂＝2π/N，滚珠12与屏蔽腔31内壁间空气间隙h_a初值＝0。根据金属凸体的尺寸选择相应的滚珠半径r_c及高度h_c的尺寸初值。

第三步，通过电磁场本征求解，计算获得电磁禁带特性。

第四步，根据电磁禁带特性，对金属凸体径向高度h_p、金属凸体轴向厚度w、金属凸体轴向间距g、单圈内金属凸体的数量N、金属凸体弧面弧度angle₁、凸体间切向弧度angle₂、滚珠12的半径r_c、滚珠12的高度h_c、滚珠12的径向回退距离d_off的取值进行调整。其中，滚珠12的径向回退距离d_off是指，考虑实际安装情况，滚珠12嵌入至金属凸体后，滚珠12的圆心截面距金属凸体的外弧面距离。

第五步，根据实际磨损情况，设定磨损范围，计算磨损范围内的电磁禁带特性；其中磨损范围指：经过一定的旋转磨损后，滚珠与屏蔽腔内壁间所形成空气间隙h_a的尺寸范围。

第六步，重复步骤三至步骤五，直至电磁禁带完全覆盖旋转关节的工作频率范围。

第七步，设定旋转关节传输功率，根据最大传输功率下的电磁场分布特性，选择沿轴向的金属凸体圈数M，以满足电磁屏蔽性能。

在本书实施例中，可根据上述步骤获得的尺寸参数建立旋转关节整体模型，实际中再根据机械加工、装配的精度及误差选定第一圆波导1与第二圆波导3的波导端口面间距d的具体值，即可完成旋转关节的整体设计。

下面结合仿真及测试对本发明的技术效果作进一步详细描述。

以实现Ku频段，中心频率为15GHz的圆波导旋转关节为例，说明本发明的具体实施过程：

1)选择第一圆波导1和第二圆波导2的规格。

利用圆波导的TM₀₁模实现旋转，确定圆波导内壁半径r。为抑制高次TE₂₁模，需满足：

r＜c/2.06f₀且r＞c/2.62f₀

其中，c为真空光速，f₀为旋转关节中心频率。经计算选定r＝8.8mm。根据实际情况，选定波导壁厚t＝1mm。选择圆柱体滚珠结构。

2)在电磁仿真程序中建立如图3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，设置沿轴向的周期性边界条件，设置本征求解模式。

3)设置金属凸体径向高度h_p，圆柱体滚珠半径r_c和高度h_c，金属凸体的外弧面与屏蔽腔内壁间距h_a，金属凸体轴向厚度w，轴向周期性排列间距g，单圈金属凸体数量N，金属凸体的单元弧面弧度angle₁，凸体单元间切向弧度angle₂等尺寸参数初值。本实施例中选择angle₁＝angle₂。

初始情况下无磨损，因此设定h_a＝0。通过本征值求解获得电磁禁带结果，调整各尺寸参数，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4所示为无磨损情况下(h_a＝0)的电磁禁带范围；图5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。在所设定的磨损范围内，电磁禁带均完全覆盖所需的圆波导工作频带范围，说明尺寸参数合适。此时获得的各尺寸参数为：r＝8.8mm，h_p＝3mm，r_c＝1mm，h_c＝2mm，d_off＝0.6mm，w＝3mm，g＝3mm，N＝8。

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述的结构具有良好的抗磨损性能。

4)根据已获得尺寸，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32的结构及尺寸参数。

5)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本实施例圆波导旋转关节的整体仿真模型，根据实际加工个装配误差情况，选定第一圆波导1和第二圆波导3的波导端口间距d＝0.1mm。设置电磁场仿真条件，仿真获得波导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，获得满足的插入损耗及驻波性能。在本实施例中，设置旋转关节的传输功率为100W，选择轴向3圈柱面周期性金属凸体，仿真后获得了足够的电磁屏蔽性能。

6)为便于测试验证，依据该圆波导旋转关节，通过增加矩形波导TE₁₀模到圆波导TM₀₁模的转换结构，设计制作了Ku频段，中心频率15GHz的波导旋转关节，实测S参数性能如图6所示，在大于5％的工作带宽内，获得了良好的电磁传输性能。

需要特别说明的是，实施例中所制作实现的旋转关节实物的工作带宽受限于矩形波导TE₁₀模到圆波导TM₀₁模转换结构的工作带宽，但是其圆波导旋转部位为本发明的宽带结构，且实施例的实测结果受实际加工装配误差影响，实测结果不代表本发明所能获得的实际性能。实施例仅为方便实验测试所实现的一个特例，不作为对本发明内容的限定。

本发明所述的圆波导旋转关节相比现有的圆波导旋转关节，可以实现宽带范围内良好的电磁传输性能，同时具有较好的抗磨损特性，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。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节，其特征在于，包括：第一圆波导(1)、圆柱面金属凸体阵列(11)、滚珠(12)、轴承(2)、第二圆波导(3)、屏蔽腔(31)和轴承固定腔(32)；其中，第一圆波导(1)和第二圆波导(3)的中心轴线相重合；

第一圆波导(1)靠近轴承(2)一侧的末端设置有圆柱面金属凸体阵列(11)，圆柱面金属凸体阵列(11)中的每个金属凸体上内嵌一个滚珠(12)；

第二圆波导(3)靠近轴承(2)一侧的末端依次设置有屏蔽腔(31)和轴承固定腔(32)；

轴承(2)放置于轴承固定腔(32)中，且轴承(2)的外圈与轴承固定腔(32)保持结构固定；

第一圆波导(1)靠近轴承(2)一侧的末端插入屏蔽腔(31)内，且第一圆波导(1)的波导端口面与第二圆波导(3)的波导端口面不接触；圆柱面金属凸体阵列(11)上内嵌的滚珠(12)与屏蔽腔(31)的内壁相接触，保持间隙配合，保证在旋转过程中滚珠(12)处于滚动状态；

圆柱面金属凸体阵列(11)、滚珠(12)和屏蔽腔(31)共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；

第一圆波导(1)的外壁与轴承(2)的内圈相互固定，构成圆波导旋转关节。

2.根据权利要求1所述的宽带抗磨损的圆波导旋转关节，其特征在于，

轴承(2)为机械滚动轴承；

滚珠(12)为球体或圆柱体结构，滚珠(12)的材料为金属或表面电镀金属层的材料。

3.根据权利要求1所述的宽带抗磨损的圆波导旋转关节，其特征在于，

第一圆波导(1)与第二圆波导(3)的内径相同；

第一圆波导(1)和第二圆波导(3)的材料为金属或表面电镀金属层的材料。

4.根据权利要求1所述的宽带抗磨损的圆波导旋转关节，其特征在于，

圆柱面金属凸体阵列(11)由多个金属凸体沿第一圆波导(1)的末端外壁圆周及轴向以周期性规则排列；

各金属凸体为等半径的圆柱面凸体结构，金属凸体的圆弧面与第一圆波导(1)呈同心圆关系。

5.根据权利要求1或4所述的宽带抗磨损的圆波导旋转关节，其特征在于，

多个金属凸体在第一圆波导(1)的末端、沿第一圆波导(1)的轴向以等间距方式排列M圈；其中，M≥1；

同一圈内的各金属凸体位于第一圆波导(1)的同一轴向截面内，且沿第一圆波导(1)的外壁圆周以等间距方式排列。

6.根据权利要求1所述的宽带抗磨损的圆波导旋转关节，其特征在于，

屏蔽腔(31)为圆柱体空腔结构，与第二圆波导(3)呈同心圆关系，并与第二圆波导(3)的波导腔内部相连通；

屏蔽腔(31)的直径设计值等于圆柱面金属凸体阵列(11)与滚珠(12)组合后的外圆弧直径；屏蔽腔(31)的深度大于圆柱面金属凸体阵列(11)沿波导轴向的长度。

7.根据权利要求1所述的宽带抗磨损的圆波导旋转关节，其特征在于，

轴承固定腔(32)位于第二圆波导(3)的最末端，与第二圆波导呈同心圆关系，并与屏蔽腔(31)相连通；

轴承固定腔(32)的高度及直径尺寸与轴承(2)的高度及直径相匹配，用于固定轴承(2)。

8.根据权利要求1所述的宽带抗磨损的圆波导旋转关节，其特征在于，

轴承固定腔(32)与屏蔽腔(31)之间预留有一结构间隙，使得装配后轴承(2)的下表面与屏蔽腔(31)的上表面不接触，保证轴承(2)正常旋转。

9.一种宽带抗磨损的圆波导旋转关节的设计方法，其特征在于，包括：

在第一圆波导(1)的末端设置圆柱面金属凸体阵列(11)，并在圆柱面金属凸体阵列(11)中的每个金属凸体上内嵌一个滚珠(12)；

在第二圆波导(3)末端依次设置屏蔽腔(31)和轴承固定腔(32)；

将轴承(2)放置于轴承固定腔(32)中，使轴承(2)的外圈与轴承固定腔(32)保持结构固定；

将第一圆波导(1)的末端插入屏蔽腔(31)内，使第一圆波导(1)的波导端口面与第二圆波导(3)的波导端口面不接触，以及，使圆柱面金属凸体阵列(11)上内嵌的滚珠(12)与屏蔽腔(31)的内壁相接触，保持间隙配合，保证在旋转过程中滚珠(12)处于滚动状态；其中，圆柱面金属凸体阵列(11)、滚珠(12)和屏蔽腔(31)共同构成滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构；

将第一圆波导(1)的外壁与轴承(2)的内圈相互固定，构成圆波导旋转关节。

10.根据权利要求9所述的宽带抗磨损的圆波导旋转关节的设计方法，其特征在于，还包括：

第一步，根据旋转关节工作频率，确定第一圆波导(1)和第二圆波导(3)的内壁半径r，并选定波导壁厚度为t；

第二步，建立滚珠支撑式可旋转电磁带隙结构的仿真模型，设置各尺寸初值，其中，金属凸体径向高度h_p初值为旋转关节中心频率对应波长的四分之一，金属凸体轴向厚度w和轴向间距g初值和金属凸体高度相同，单圈内金属凸体数量N、金属凸体弧面弧度angle₁和凸体间切向弧度angle₂满足关系angle₁+angle₂＝2π/N，滚珠(12)与屏蔽腔(31)内壁间空气间隙h_a初值＝0；根据金属凸体的尺寸选择相应的滚珠半径r_c及高度h_c的尺寸初值；

第三步，通过电磁场本征求解，计算获得电磁禁带特性；

第四步，根据电磁禁带特性，对金属凸体径向高度h_p、金属凸体轴向厚度w、金属凸体轴向间距g、单圈内金属凸体的数量N、金属凸体弧面弧度angle₁、凸体间切向弧度angle₂、滚珠(12)的半径r_c、滚珠(12)的高度h_c、滚珠(12)的径向回退距离d_off的取值进行调整；

第五步，根据实际磨损情况，设定磨损范围，计算磨损范围内的电磁禁带特性；其中磨损范围指：经过一定的旋转磨损后，滚珠与屏蔽腔内壁间所形成空气间隙h_a的尺寸范围；

第六步，重复步骤三至步骤五，直至电磁禁带完全覆盖旋转关节的工作频率范围；

第七步，设定旋转关节传输功率，根据最大传输功率下的电磁场分布特性，选择沿轴向的金属凸体圈数M，以满足电磁屏蔽性能。

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