CN112803127A - 一种宽频带非接触式同轴旋转关节及雷达天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达天线技术领域，提供一种宽频带非接触式同轴旋转关节及雷达天线，旋转关节包括定子外壳、转子外壳、定子内导体、转子内导体和过渡内导体，所述定子内导体和所述过渡内导体同轴安装在所述定子外壳内，所述转子内导体同轴安装在所述转子外壳内，所述转子外壳与定子外壳转动连接，所述过渡内导体的两端分别与所述定子内导体和转子内导体构成非接触式耦合电路。基于现有技术中非接触式与接触式的射频旋转关节的缺陷，本发明有效的解决了传统的非接触式旋转关节信号传输频段范围小的问题，可用于在传输信号不间断的情况下，实时适应宽频带天线的转动方向，提升了天线在转动过程中信号传输的电性能一致性，且可适应X~Ka各个频段。

Description

一种宽频带非接触式同轴旋转关节及雷达天线
技术领域
本发明属于天线通讯技术领域，具体涉及一种宽频带非接触式同轴旋转关节及雷达天线。
背景技术
旋转关节是机械扫描雷达系统中不可缺少的关键器件, 它的作用是在雷达天线转动过程中实现微波信号的正常传输，可对天线的辐射方向进行实时调整。随着雷达技术的发展, 对旋转关节的要求越来越高, 不仅要满足小损耗、低驻波、高功率的需求, 同时还要求旋转关节在转动过程中微波的幅度、相位和驻波的起伏足够小，以达到更佳的信号传输稳定状态。
国内射频旋转关节技术随着雷达通信技术的发展而不断进步，现如今已经覆盖到无线通信的各个领域，技术已十分成熟，主要包括接触式与非接触式两种射频旋转关节。
其中，非接触式旋转关节的优点为：旋转相对平稳、使用寿命较长、机械及电性能指标稳定，其缺点为：频率范围较窄（一般仅能达到15%左右），无法满足宽带天线或多频段天线的需求；接触式旋转关节的优点为：可以满足宽带天线或多频段天线的需求，但其缺点是使用寿命较短，且主要依靠簧片、弹簧针等弹性构件提供持续的接触压力，进而来保证旋转过程中的接触可靠性，此种机械结构的使用故障率也较高。
发明内容：
基于上述缺陷本发明提供了一种宽频带非接触式同轴旋转关节及雷达天线，有效的解决了传统的非接触式旋转关节信号传输频段范围小且信号传输不稳定的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
第一方面，一种宽频带非接触式同轴旋转关节，包括定子外壳、转子外壳、定子内导体、转子内导体和过渡内导体，其中，所述定子内导体和所述过渡内导体同轴安装在所述定子外壳内，所述转子内导体同轴安装在所述转子外壳内，所述转子外壳与定子外壳转动连接，所述过渡内导体的两端分别与所述定子内导体和转子内导体构成非接触式耦合电路。
进一步的，所述耦合电路为电容耦合电路。
进一步的，所述定子内导体与所述定子外壳之间设置有第一绝缘支撑，所述转子内导体与所述转子外壳之间设置有所述第一绝缘支撑，所述过渡内导体与所述定子外壳之间设置有第二绝缘支撑，所述第一绝缘支撑和所述第二绝缘支撑均用于支撑和固定所述转子内导体、定子内导体和过渡内导体。
进一步的，所述第二绝缘支撑将所述过渡内导体包裹在内部，所述第二绝缘支撑的纵向截面形状为双T型对称形结构。
进一步的，所述过渡内导体的纵向截面形状为双T型对称形结构。
进一步的，所述第一绝缘支撑和所述第二绝缘支撑外侧均包裹有金属外环，所述转子外壳和定子外壳的内部均开设有适应所述金属外环固定的卡槽，用于固定定子内导体、转子内导体和过渡内导体在径向上的位移，所述定子内导体和转子内导体分别穿过所述第一绝缘支撑，所述定子内导体和转子内导体与所述第一绝缘支撑的接触段直径小于非接触段直径，用于固定定子内导体和转子内导体在轴向上的位移。
进一步的，所述定子内导体、转子内导体和过渡内导体的轴线均在一条直线上。
进一步的，所述第一绝缘支撑和第二绝缘支撑的材质为：聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮和聚四氟乙烯四种材质的其中任意一种。
进一步的，所述转子外壳与所述定子外壳之间设置有滚珠轴承旋转机构。
进一步的，所述定子外壳上还设置有安装法兰。
第二方面，一种雷达天线，包括第一方面所述的一种宽频带非接触式同轴旋转关节，所述旋转关节至少一端安装有雷达天线。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
（1）本发明通过设置过渡内导体段，并分别与定子内导体和转子内导体形成两级电容式耦合电路，有效的实现了频段的拓宽，以此便解决了传统非接触式旋转关节的频段范围窄的问题。
（2）本发明将定子内导体、转子内导体、定子外壳和转子外壳均采用同轴线理论进行结构设计，以此可有效的实现通讯信号传输频段的拓宽，以及稳定性的提高。
（3）本发明通过在转子外壳与定子外壳之间设置一组滚珠轴承，减小了转子外壳在转动时所承受的机械摩擦力，有效的保证了转子外壳转动的顺滑性，进一步提高了旋转关节的灵活性和使用寿命。
（4）本发明通过在第一绝缘支撑和第二绝缘支撑的外侧周向上包裹金属外环，且在转子外壳与定子外壳上分别开设用于固定金属外环的卡槽，保证了内导体在径向上的稳定性，通过将定子内导体和转子内导体与第一绝缘支撑的接触段直径设置为小于非接触段的直径，保证了定子内导体和转子内导体在轴向上的稳定性，通过第二绝缘体将过渡内导体包裹起来，保证了过渡内导体在轴向上的稳定性，在旋转工作过程中定子内导体和过渡内导体无轴向及径向位移变化，进一步保证了信号传输的稳定性。
附图说明：
图1为本发明一实施例下半部分纵向剖面结构示意图；
图2为本发明一实施例纵向剖面结构示意图；
图3为本发明一实施例立体纵向剖面结构示意图。
附图标记说明：
1-定子外壳、101-定子内导体、102-定子绝缘支撑、2-转子外壳、201-转子内导体、202-第一转子绝缘支撑、203-第二转子绝缘支撑、301-过渡内导体、302-过渡绝缘支撑、4-安装法兰、501-轴承、502-连接螺母、503-衬套螺母、504-垫片、6-密封圈。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图2为本发明纵向剖面结构示意图；图3为本发明立体纵向剖面结构示意图，如图2和3所示，该宽频带非接触式同轴旋转关节，包括定子外壳1、转子外壳2、定子内导体101、转子内导体201和过渡内导体301，其中，所述定子内导体和所述过渡内导体同轴安装在所述定子外壳内，所述转子内导体同轴安装在所述转子外壳内，所述转子外壳与定子外壳转动连接，所述过渡内导体的两端分别与所述定子内导体和转子内导体构成非接触式电容耦合电路。
本实施例通过设置过渡内导体段，并分别与定子内导体和转子内导体形成两级电容式耦合电路，有效的实现了频段的拓宽，以此便解决了传统非接触式旋转关节的频段范围窄的问题；本实施例还将定子内导体、转子内导体、定子外壳和转子外壳均采用同轴线理论进行结构设计，以此可有效的实现通讯信号传输频段的拓宽，以及旋转过程中电性能稳定性的提高。
在一种可实现的方式中，基于上述实施例的技术方案，还可以对上述实施例作进一步优化，具体表现为：参考图2和3，图中示出了定子内导体101成圆柱形结构，其外侧端为插接端，内侧端为耦合端，故耦合端开设有适应过渡内导体伸入的耦合腔体，且定子内导体101穿过定子绝缘支撑102并被其固定，其固定方式为：定子内导体与定子绝缘支撑的接触段直径小于非接触段直径；用于固定定子内导体在轴向上的位移；所述定子绝缘支撑102的外侧周向包裹有金属外环，且定子外壳的内部开设有适应所述金属外环固定的卡槽，用于固定定子内导体在径向上的位移；
所述过渡内导体301的中部设置有凸起的台阶，其纵向截面形状为双T型对称形结构，与之相对应的过渡绝缘支撑302亦为双T型对称形结构，并把整个过渡内导体301包裹在其中；其效果有二：其一，可以显著提升产品的耐介质电压，进而提高产品的信号传输功率；其二，可以固定过渡内导体在轴向上的位移；同理，过渡绝缘支撑302亦设置在过渡内导体301与定子外壳1之间；其外侧周向上亦包裹有金属外环，且定子外壳的内部开设有适应所述金属外环固定的卡槽，用于固定过渡内导体在径向上的位移；
过渡内导体与定子内导体均被固定在定子外壳中，可在工作过程中保持静止，可以有效保证旋转过程中的机械稳定性，从而实现电信号传输的一致性，通过对过渡内导体301的台阶设计，可有效的对其在过渡绝缘支撑302中进行快速准确定位。
所述转子内导体201同轴设置在转子外壳2内，其固定机构包括：第一转子绝缘支撑202和第二转子绝缘支撑203，其设置方式同定子绝缘支撑102一样，均设置在转子内导体201与转子外壳2之间，中部留有可供转子内导体穿过的圆孔；且转子内导体与转子绝缘支撑的接触段直径小于非接触段直径；用于固定定子内导体在轴向上的位移；所述第一转子绝缘支撑202和第二转子绝缘支撑203分别设置在转子内导体的两端，起到固定转子内导体的作用；其外侧也均包裹有金属外环，且转子外壳的内部亦开设有适应所述金属外环固定的卡槽，用于固定转子内导体在径向上的位移；所述转子内导体的内侧端同定子内导体101一样，亦开设有适应过渡内导体伸入的耦合腔体，并与定子内导体耦合端对称；
当然，所述定子内导体、转子内导体和过渡内导体的轴线均在一条直线上，所述绝缘支撑的材质为：聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮和聚四氟乙烯四种材质的其中任意一种。通过上述的机电结构设计，便稳定的实现了两级电容式耦合电路的宽频带信号传输。
图1为本发明下半部分纵向剖面结构示意图；如图1所示，该旋转关节还包括安装法兰4，所述安装法兰4固定设置在定子外壳1上，用于与外接设备固定，其中，所述转子外壳与定子外壳的转动连接方式具体表现为：在转子外壳与定子外壳之间设置轴承旋转机构，该机构包括：轴承501、连接螺母502、衬套螺母503和垫片504，所述轴承501有左右一对设置，保证了转子外壳转动的稳定性，两轴承之间通过连接螺母502、衬套螺母503和垫片504固定连接；使得旋转机构稳定牢固。在定子外壳1上还安装有密封圈6，保证定子外壳1被组装后的密封性。
本实施例通过在转子外壳与定子外壳之间设置一组滚珠轴承，减小了转子外壳在转动时所承受的机械摩擦力，有效的保证了转子外壳转动的顺滑性，进一步提高了旋转关节的灵活性和使用寿命。
上述实施例所用尺寸大小，本领域技术人员可根据实际的信号频段需求进行灵活设置，不同的尺寸匹配适应不同频段的信号，本发明设计的机电结构可适用于X~Ka各个频段（X波段 8~12GHz；Ku波段 12~18GHz；K波段 18~27GHz；Ka波段 27~40GHz；），且通过精密的加工和装配，大大降低了旋转时电性能波动，性能稳定。
本发明主要应用在机械扫描雷达中，具体为雷达天线的旋转关节，天线通过转动实现辐射方向改变，从而完成扫描，旋转关节是天线在正常工作下转动的关键部件，保证了天线顺利完成辐射方向的改变；且本发明是同轴接口，不属于空心金属管的波导器件；综上，本发明属于天线领域，不属于波导领域。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽频带非接触式同轴旋转关节，其特征在于，包括定子外壳、转子外壳、定子内导体、转子内导体和过渡内导体，其中，所述定子内导体和所述过渡内导体同轴安装在所述定子外壳内，所述转子内导体同轴安装在所述转子外壳内，所述转子外壳与定子外壳转动连接，所述过渡内导体的两端分别与所述定子内导体和转子内导体构成非接触式耦合电路。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带非接触式同轴旋转关节，其特征在于，所述耦合电路为电容耦合电路。
3.根据权利要求1所述的一种宽频带非接触式同轴旋转关节，其特征在于，所述定子内导体与所述定子外壳之间设置有第一绝缘支撑，所述转子内导体与所述转子外壳之间设置有所述第一绝缘支撑，所述过渡内导体与所述定子外壳之间设置有第二绝缘支撑，所述第一绝缘支撑和所述第二绝缘支撑均用于支撑和固定所述转子内导体、定子内导体和过渡内导体。
4.根据权利要求3所述的一种宽频带非接触式同轴旋转关节，其特征在于，所述第二绝缘支撑将所述过渡内导体包裹在内部，所述第二绝缘支撑的纵向截面形状为双T型对称形结构。
5.根据权利要求4所述的一种宽频带非接触式同轴旋转关节，其特征在于，所述过渡内导体的纵向截面形状为双T型对称形结构。
6.根据权利要求5所述的一种宽频带非接触式同轴旋转关节，其特征在于，所述第一绝缘支撑和所述第二绝缘支撑外侧均包裹有金属外环，所述转子外壳和定子外壳的内部均开设有适应所述金属外环固定的卡槽，用于固定定子内导体、转子内导体和过渡内导体在径向上的位移，所述定子内导体和转子内导体分别穿过所述第一绝缘支撑，所述定子内导体和转子内导体与所述第一绝缘支撑的接触段直径小于非接触段直径，用于固定定子内导体和转子内导体在轴向上的位移。
7.根据权利要求1所述的一种宽频带非接触式同轴旋转关节，其特征在于，所述定子内导体、转子内导体和过渡内导体的轴线均在一条直线上。
8.根据权利要求4所述的一种宽频带非接触式同轴旋转关节，其特征在于，所述第一绝缘支撑和第二绝缘支撑的材质为：聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚醚酮和聚四氟乙烯四种材质的其中任意一种。
9.根据权利要求1所述的一种宽频带非接触式同轴旋转关节，其特征在于，所述转子外壳与所述定子外壳之间设置有滚珠轴承旋转机构，所述定子外壳上还设置有安装法兰。
10.一种雷达天线，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的一种宽频带非接触式同轴旋转关节，所述旋转关节至少一端安装有雷达天线。
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