CN114069170B - 一种适用于火星探测的双频段旋转关节 - Google Patents

一种适用于火星探测的双频段旋转关节 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微波天线技术领域，公开了一种适用于火星探测的双频段旋转关节，包括外波导、内波导、动密封件和介质支撑件，所述外波导和内波导连接配合，两者之间设置介质支撑件和动密封件进行支撑密封，并能够传输双频段信号；所述外波导和内波导两者均包括依次连接的射频传输段、射频反射段和厄流槽段，并设置有波导接口、与所述波导接口连接的阻抗变换段；所述外波导和内波导两者的厄流槽段配合连接，并设置所述介质支撑件，两者配合的端部之间设置动密封件。本发明实现了双频段、轻量化、防尘等性能的同时，具有结构简单、刚度好、可靠性高等优点。

Description

一种适用于火星探测的双频段旋转关节
技术领域
本发明涉及微波天线技术领域，更具体的说，特别涉及一种适用于火星探测的双频段旋转关节。
背景技术
当前，我国正在进行火星探测的任务，其中，火星着陆探测的着陆巡视器的器上需要配备一副X频段高增益天线，用于同地球进行上行、下行的测控、通信以及同火星环绕人造卫星进行下行高速通信。器上配置的高增益天线是点波束天线，这种天线的波束覆盖区域小，为此需要驱动机构带动射频通道旋转，进而保证天线实时捕获、指向目标，而这其中的微波旋转关节是实现微波通道旋转的关键，也是实现射频信号实施跟踪目标的关键。
深空探测中的X频段一般上行频率在7.1GHz～7.2GHz频段范围内，下行频段一般在8.4GHz～8.5GHz频段范围内，如果考虑利用全带宽覆盖的话(即7.1GHz～8.5GHz)，这其中的相对带宽约为18％。
为此，一种实现方式是采用同轴形式的旋转关节来实现全带宽的覆盖，例如对火星着陆探测的任务选取同轴形式的微波旋转关节(详见Ana OLEA等人撰写的《X-Band HighGain Antenna Qualified for Mars Atmosphere》，2010Proceedings of the FourthEuropean Conference on Antennas and Propagation)，其在7.1GHz～8.5GHz全频段范围内，驻波比不大于1.25，插损不大于0.3dB，重量约160g。
另一种实现方式是采用波导同轴混合形式，如：李荣军等人申请的《一种新型微波旋转关节》发明专利(专利申请号：CN 101414699A)公开了一种新型宽带旋转关节，该新型旋转关节采用的是波导同轴混合型的旋转关节技术，该关节由于内外波导均采用了波导同轴转换形式，造成旋转关节的插损会偏大。同时，该关节采用了两幅轴承确保关节旋转的同轴度，这样会大幅增加旋转关节的重量。该技术实现的结果为：在11％带宽的范围内驻波能＜1.2，插损在11％带宽的范围内驻波能＜0.2dB，因为该专利技术无法实现双频段工作，如果用全宽带关节实现深空探测的要求，则需要满足18％的相对带宽，上述11％带宽的工作指标是无法满足需求的。
综上所述,目前微波旋转关节存在的问题主要是：
1、当前存在的微波旋转关节均配置轴承，这带来的代价是首先重量增多，再者，轴承内部涉及到润滑，且一般需要的温度环境较为温和，如果应用到火星探测场合，就需要额外配置主动温控措施，这对于本就资源紧张的火星探测卫星来说是不能接受的；
2、考虑到火星表面恶劣的空间环境，尤其伴随火星大风下的火星尘会进入旋转关节内部，造成微波特性的恶化，严重时候甚至导致驱动机构卡滞、堵转，对任务成败造成影响；
3、目前存在的波导类旋转关节一般为单频段工作，工作带宽约为5％，无法应用到火星着陆探测中；
4、当前存在的宽带全频段覆盖式的同轴式微波旋转关节、波导同轴混合型旋转关节在驻波、插损等仍存在性能欠佳的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种适用于火星探测的双频段旋转关节，实现了双频段、轻量化、防尘等性能的同时，具有结构简单、刚度好、可靠性高等优点。
为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
一种适用于火星探测的双频段旋转关节，包括外波导、内波导、动密封件和介质支撑件，所述外波导和内波导连接配合，两者之间设置介质支撑件和动密封件进行支撑密封，并能够传输双频段信号；
所述外波导和内波导两者均包括依次连接的射频传输段、射频反射段和厄流槽段，并设置有波导接口、与所述波导接口连接的阻抗变换段；所述外波导和内波导两者的厄流槽段配合连接，并设置所述介质支撑件，两者配合的端部之间设置动密封件。
进一步的，所述波导接口采用矩形接口，能够传输7.0GHz～7.3GHz和8.3GHz～8.6GHz双频段信号；所述波导接口的尺寸为：λ/2<a<λ，0<b<λ/2，其中λ为旋转关节工作频率对应的工作波长，a为矩形接口的长度，b为矩形接口的宽度。
进一步的，所述阻抗变换段采用三级阻抗变换，每一级都对应一个波导接口，所述波导接口的尺寸由旋转关节的内部向外部依次变大。
进一步的，所述内波导的厄流槽段上设置有介质支撑安装段，所述介质支撑安装段上并位于所述内波导的厄流槽段外表面设置有阶梯槽；所述外波导的厄流槽段设置在所述阶梯槽内，并位于所述内波导的厄流槽段的外表面。
进一步的，所述介质支撑件采用“工”字型的回转体结构，设置在所述阶梯槽的中部，并位于所述外波导的厄流槽段的外表面。
进一步的，所述外波导的外表面形成凸部，所述凸部上设置有凹槽；所述内波导的端部位于所述凸部的凹槽内，所述凸部的端面与所述内波导的外表面之间设置所述动密封件。
进一步的，所述动密封件包括金属挡圈、设置在所述金属挡圈上的介质密封圈；所述介质密封圈采用回转体结构，与外波导的凸部连接，并与内波导之间为小过盈配合连接。
进一步的，所述介质密封圈与所述内波导表面配合的端部形成第一凸部和第二凸部，所述第一凸部和第二凸部两者能够进行变形，两者之间形成容纳腔，所述第一凸部与外部环境接触。
进一步的，所述动密封件和介质支撑件均采用聚四氟乙烯材料。
进一步的，所述外波导的侧面设置与外部驱动机构连接的第一安装接口，并设置有与外部驱动机构同轴配合的安装凸台；所述内波导的侧面设置与外部驱动机构支架连接的第二安装接口，所述第二安装接口与所述第一安装接口位置相对应。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明中通过内波导和外波导的连接配合，实现了深空探测频率的双频段工作，由于去除了轴承及其安装结构，实现了旋转关节的轻量化，同时通过设置动密封件和介质支撑件，使旋转关节具备防尘密封措施，具备抗火星尘的能力。
因此，本发明提供的旋转关节实现了双频段、轻量化、防尘等性能的同时，具有结构简单、刚度好、可靠性高等优点，用于未来我国火星探测着陆任务中旋转关节应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。其中：
图1为本发明中适用于火星探测的双频段旋转关节的结构示意图。
图2为本发明中适用于火星探测的双频段旋转关节的主视图。
图3为本发明中外波导的主视图。
图4为本发明中外波导上安装接口的示意图。
图5为本发明中内波导的主视图。
图6为本发明中内波导上安装接口的示意图。
图7为本发明中介质支撑件的示意图。
图8为本发明中动密封件俯视图。
图9为本发明中动密封件的主视图。
附图标记说明如下：1-外波导、2-内波导、3-动密封件、4-介质支撑件、11-安装凸台、12-第一射频反射段、13-第一射频传输段、14-第一厄流槽段、15-第一波导接口、16-第一阻抗变换段、17-第一安装接口、18-凸部、21-第二射频反射段、22-第二射频传输段、23-第二厄流槽段、24-第二波导接口、25-第二阻抗变换段、26-介质支撑安装段、261-阶梯槽、27-第二安装接口、31-金属挡圈、32-介质密封圈。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。
此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参阅图1和图2所示，本发明提供一种适用于火星探测的双频段旋转关节，包括外波导1(转子)、内波导2(定子)、动密封件3和介质支撑件4，所述外波导1和内波导2连接配合，两者之间设置介质支撑件4和动密封件3进行支撑密封，并能够传输双频段信号。当旋转关节运动时，所述外波导1相对所述内波导2为摆动运动状态。
所述外波导1和内波导2两者均包括依次连接的射频传输段、射频反射段和厄流槽段，并设置有波导接口、与所述波导接口连接的阻抗变换段；所述外波导1和内波导2两者的厄流槽段配合连接，并设置所述介质支撑件4，两者配合的端部之间设置动密封件3。
本实施例中，通过外波导1和内波导2两者直接连接配合，实现了无轴承转子和定子的分体式设计，解决了轴承带来的重量问题、轴承润滑热控问题、轴承同关节本体的热匹配性问题，大幅度节省了能源以及减轻了关节的重量。
具体的，参阅图3和图4所示，所述外波导1为腔体结构，包括依次连接的第一射频反射段12、第一射频传输段13和第一厄流槽段14，并设置有第一波导接口15、与所述第一波导接口15连接的第一阻抗变换段16。
进一步的，所述外波导1的侧面设置与外部驱动机构配合的安装凸台11，并可保证两者的同轴精度。所述外波导1的侧面还设置有第一安装接口17，用来同外部驱动机构进行安装固定，从而保证外波导1同驱动机构同步转动。
具体的，参阅图5和图6所示，所述内波导2也为腔体结构，包括依次连接的第二射频反射段21、第二射频传输段22和第二厄流槽段23，并设置有第二波导接口24、与所述第二波导接口24连接的第二阻抗变换段25。所述内波导2的侧面也设置第二安装接口27，用来同外部驱动机构支架连接，来安装固定所述内波导2。所述第二安装接口27和第一安装接口17的位置相对应，两者都与外部驱动机构的输出轴同轴设置，这样才能实现旋转关节由外部驱动机构进行驱动实现旋转。
本实施例中，所述第一射频反射段12和第二射频反射段21主要用来使得对应的第一射频传输段13和第二射频传输段22传输的TM01模式相干加强、TE11模式相干相消。所述的第一射频传输段13和第二射频传输段22为保证圆波导内传输TM01模而TE21高次模截止，应满足0.971λH＞d＞0.764λL，λH为旋转关节在高频段的工作波长，λL为旋转关节在低频段的工作波长，d为传输段直径。
本实施例中，所述第一厄流槽段14和第二厄流槽段23主要用来衰减反射波导腔对应的第一射频传输段13和第二射频传输段22溢出的射频能量，并且配合对应的第一射频传输段13和第一射频反射段12、及第二射频传输段22和第二射频反射段21实现旋转关节双频段工作。
进一步的，所述波导接口即第一波导接口15和第二波导接口24分别采用矩形接口来连接外部射频输出端口，能够传输7.0GHz～7.3GHz和8.3GHz～8.6GHz频段信号，可以选择WR112(BJ84)标准接口，为了降低重量和尺寸也可以选择非标准专用接口，但尺寸的选取应符合:λ/2<a<λ，0<b<λ/2，其中λ为旋转关节工作频率对应的工作波长，a为矩形接口的长度，b为矩形接口的宽度。
进一步的，所述阻抗变换段即第一阻抗变换段16和第二阻抗变换段25分别采用三级阻抗变换，用于实现对应的第一射频传输段13传输的TM01模式同第一波导接口15传输的TE10模式、及第二射频传输段22传输的TM01模式同第二波导接口24传输的TE10模式匹配连接。具体的，为了方便加工制造，所述阻抗变换段采用的三级阻抗变换，每一级都对应一个矩形的波导接口，所述波导接口的尺寸由旋转关节的内部向外部依次变大，保证了旋转关节内部的圆波导腔和阻抗变换段的矩形波导腔两者阻抗特性的匹配。
具体的，所述第一射频反射段12和第二射频反射段21、第一射频传输段13和第二射频传输段22、第一厄流槽段14和第二厄流槽段23、及第一阻抗变换段16和第二阻抗变换段25的尺寸在考虑到整体结构可靠性的前提下，可以根据实际需要进行调整。
进一步的，所述内波导2的厄流槽段即第二厄流槽段23上设置有介质支撑安装段26，用于安装所述介质支撑件4，在保证内波导2和外波导1支撑的前提下，确保外波导1、内波导2的自由旋转，并减小介质支撑件4对旋转关节插损带来的影响。具体的，所述介质支撑安装段26上并位于所述第二厄流槽段23外表面设置有阶梯槽261。所述外波导1的第一厄流槽段14设置在所述阶梯槽261内，并位于所述第二厄流槽段23的外表面，实现外波导1和内波导2之间的连接。
参阅图7所示，为了保证内波导2和外波导1转动的可靠性、及介质支撑的有效性，所述介质支撑件4采用“工”字型的回转体结构，设置在所述阶梯槽261的中部，并位于所述第一厄流槽段14的外表面，从而对所述外波导1和内波导2两者的连接起到支撑作用。
进一步的，所述介质支撑件4采用聚四氟乙烯材料制作，其摩擦系数低、功能可靠。
本实施例中，所述介质支撑件4与内波导2之间通过过盈配合连接，与外波导1之间为间隙配合，以提供内波导2和外波导1之间同轴度的保持与支撑作用。同时所述介质支撑件4通过聚四氟乙烯材料的低摩擦系数、及其与外波导1之间较小的接触面面积，在内波导2与外波导1之间同轴度发生偏差时，可以降低介质支撑件4与外波导1之间的摩擦阻力矩。具体的，通过选用恰当的尺寸及公差，使得在高低温条件下，聚四氟乙烯材料的介质支撑件4与旋转关节内波导2、外波导1之间总是存在间隙，避免出现介质支撑件4与内波导2、外波导1同时压紧配合，而导致旋转关节卡滞。
进一步的，所述外波导1的外表面形成凸部18，所述凸部18上设置有凹槽。所述外波导1与内波导2配合时，所述内波导2的端部位于所述凸部18的凹槽内。所述凸部18的端面与所述内波导2的外表面之间设置动密封件3。
进一步的，参阅图8和图9所示，所述动密封件3包括金属挡圈31、设置在所述金属挡圈31上的介质密封圈32，所述金属挡圈31用来将介质密封圈32进行固定，所述介质密封圈32也为回转体结构。所述动密封件3与外波导1的凸部18之间通过螺钉连接，与内波导2之间通过小过盈配合连接，可以配合介质支撑件4起到辅助支撑作用，同时与内波导2的小过盈配合部位可以实现两道密封，起到对尘粒有效的密封作用。
进一步的，所述介质密封圈32与所述内波导2表面配合的端部形成第一凸部321和第二凸部322，即为两个舌片型结构，所述第一凸部321和第二凸部322两者之间形成容纳腔，所述第一凸部321与外部环境接触，这样可以实现两道密封。
本实施例中，所述第一凸部321与外部环境接触，能够将绝大多数火星尘进行阻挡，与所述第二凸部322之间的容纳腔，一方面可以容纳极少量通过了第一凸部321的火星尘，另一方面通过自身形状的突变，缓和了进入该容纳腔的火星气体压力，并降低了已进入的火星尘密度，使得第二凸部322对进入该容纳腔的火星尘起到密封作用；即使偶有侥幸通过了第二凸部322的微量火星尘，也将随着气流压力的降低，在起第三道密封作用的支撑介撑件4和第二凸部322之间，会沉降在对应的内波导2和外波导1两者具有较长尺寸的曲折形状的内腔里，从而进一步降低火星尘进入旋转关节内部的概率。
具体的，所述介质密封圈32采用聚四氟乙烯材料制作，通过采用聚四氟乙烯材料，可以降低动密封件3与内波导2之间的摩擦阻力矩。
本实施例中，考虑到工作环境温差较大，旋转关节的外波导1、内波导2与聚四氟乙烯材料的介质密封圈32之间的配合，会因温度的变化而发生变化。通过使得外波导1与介质密封圈32之间的间隙，在工作温度变化范围内一直处于接触状态，并通过舌片型结构的第一凸部321和第二凸部322避免其造成旋转关节转动摩擦力矩过大。由于介质支撑件4和介质密封圈32均采用聚四氟乙烯材料，并通过与外波导1、内波导2之间的可靠配合，旋转关节能够实现防火星尘，并使得旋转关节无需配置主动温控措施，即可适应极端温度环境，具备火星表面恶劣温度环境工作的能力，避免轴承润滑需要合适的温度环境的问题。
本发明提供的适用于火星探测的双频段旋转关节，工作原理如下：
旋转关节的外波导1随着驱动机构的输出轴实现转动，旋转关节的内波导2同驱动机构的安装支架连接，这一部分为静止固定状态，在驱动机构加电转动的时候，实现了内外波导的相对旋转。
电磁波传输的7.0GHz～7.3GHz和8.3GHz～8.6GHz的TE10主模信号从第一波导接口15进入，通过第一阻抗变换段16进行变换后，实现了TE10模信号转换到TM01模、TE11模信号的转换，通过内波导2与外波导1两者对应的射频传输段和射频反射段，将非轴对称模的TE11模实现抵消、TM01模式实现加强，并从第二波导接口24输出。为了确保内波导2与外波导1断开处，电磁波信号能量顺利传输，利用第一厄流槽段14与第二厄流槽段23连接配合，实现了微波信号不衰减，不泄露，从而实现旋转关节的工作。
本发明提供的双频段旋转关节可以达到以下性能：
1、驻波：在7.0GHz～7.3GHz和8.3GHz～8.6GHz的工作频段范围内驻波小于1.18。
2、插损：在7.0GHz～7.3GHz和8.3GHz～8.6GHz的工作频段范围内插损小于0.15dB。
此外，在通过的高低温环境热试验、力学试验、火星尘试验前后，双频段旋转关节的性能前后一致。
本发明能够保证双频段旋转关节在7.0GHz～7.3GHz和8.3GHz～8.6GHz的工作频段范围内工作，即实现了波导窄带关节下的双频段工作，实现了轻量化、防尘等性能的同时，具有结构简单、刚度好、可靠性高等优点，可用于我国火星探测着陆任务中旋转关节应用，解决了火星探测需要上下行共用的问题。
本发明具有双频段、小型化、轻量化的特点，同时具备抗火星尘又能适应火星表面的严苛的温度环境的，确保在天线射频通道在火面工作的可靠性，通过驱动机构驱动旋转关节，实现射频通道的旋转，从而实现同地球测控站的收发共用测控、数传以及同环绕器的高速通信的要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于火星探测的双频段旋转关节，其特征在于：包括外波导、内波导、动密封件和介质支撑件，所述外波导和内波导连接配合，两者之间设置介质支撑件和动密封件进行支撑密封，并能够传输双频段信号；
所述外波导和内波导两者均包括依次连接的射频反射段、射频传输段和厄流槽段，并设置有波导接口、与所述波导接口连接的阻抗变换段；所述外波导和内波导两者的厄流槽段配合连接，并设置所述介质支撑件，两者配合的端部之间设置动密封件；
所述内波导的厄流槽段上设置有介质支撑安装段，所述介质支撑安装段上并位于所述内波导的厄流槽段外表面设置有阶梯槽；所述外波导的厄流槽段设置在所述阶梯槽内，并位于所述内波导的厄流槽段的外表面；
所述外波导的外表面形成凸部，所述凸部上设置有凹槽；所述内波导的端部位于所述凸部的凹槽内，所述凸部的端面与所述内波导的外表面之间设置所述动密封件。
2.根据权利要求1所述的适用于火星探测的双频段旋转关节，其特征在于：所述波导接口采用矩形接口，能够传输7.0GHz～7.3GHz和8.3GHz～8.6GHz双频段信号；所述波导接口的尺寸为：λ/2<a<λ，0<b<λ/2，其中λ为旋转关节工作频率对应的工作波长，a为矩形接口的长度，b为矩形接口的宽度。
3.根据权利要求1所述的适用于火星探测的双频段旋转关节，其特征在于：所述阻抗变换段采用三级阻抗变换，每一级都对应一个波导接口，所述波导接口的尺寸由旋转关节的内部向外部依次变大。
4.根据权利要求1所述的适用于火星探测的双频段旋转关节，其特征在于：所述介质支撑件采用“工”字型的回转体结构，设置在所述阶梯槽的中部，并位于所述外波导的厄流槽段的外表面。
5.根据权利要求1所述的适用于火星探测的双频段旋转关节，其特征在于：所述动密封件包括金属挡圈、设置在所述金属挡圈上的介质密封圈；所述介质密封圈采用回转体结构，与外波导的凸部连接，并与内波导之间为小过盈配合连接。
6.根据权利要求1所述的适用于火星探测的双频段旋转关节，其特征在于：所述介质密封圈与所述内波导表面配合的端部形成第一凸部和第二凸部，所述第一凸部和第二凸部两者能够进行变形，两者之间形成容纳腔，所述第一凸部与外部环境接触。
7.根据权利要求1所述的适用于火星探测的双频段旋转关节，其特征在于：所述动密封件和介质支撑件均采用聚四氟乙烯材料。
8.根据权利要求1所述的适用于火星探测的双频段旋转关节，其特征在于：所述外波导的侧面设置与外部驱动机构连接的第一安装接口，并设置有与外部驱动机构同轴配合的安装凸台；所述内波导的侧面设置与外部驱动机构支架连接的第二安装接口，所述第二安装接口与所述第一安装接口位置相对应。
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