CN114583419A - 电容式同轴射频旋转关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种电容式同轴射频旋转关节，旨在解决现有电容式双通道旋转关节寿命短、时延传输性能稳定差和组装难的问题。本发明通过下述技术方案实现：转子组件内外双通道采用介质结构件隔离内外传输通道，定子组件内通道采用包覆圆柱形耦合导体芯轴的介质套筒和圆柱形耦合导体芯轴中空盲孔底部的介质限位块进行隔离，外通道采用包覆定子组件的筒体滑环介质套筒和外层隔离环的介质套筒对转子组件传输关节进行隔离，转子和定子组件直接复合同轴装配成双通道信号传输的电容式旋转关节，关节旋转过程中，转子内通道中空射频芯轴随外层隔离环可反作用于薄壁结构的耦合导体，自适应修复耦合导体圆度，转子组件和定子组件通过引出导线传输双通道信号。

Description

电容式同轴射频旋转关节

技术领域

本发明涉及微波通讯技术领域，一种主要应用于卫星、雷达、移动天线、动中通等设备的高频动中通移动雷达天线旋转关节的实现技术。

背景技术

随着现代科技的不断进步,雷达技术对固定部分与接受信号的传输频率要求越来越高,并且经常要求传输频率在几十兆赫或者上百兆赫的范围中的达到中、高频信号传输。在微波通讯技术领域中,旋转关节是一种十分重要的通讯器件,主要被应用在各种雷达设备上,包括飞行器的空中管制,领空防卫,移动通讯,卫星信号传输等。旋转关节与常规转接头的不同之处在于其能够在垂直于波传播的方向绕轴旋转。这类旋转关节可以在保持传输特性的同时，自由地旋转360度。对于要求具备旋转功能的所有应用场景，对旋转式雷达应用而言，这类关节部件必不可少。如缺少旋转关节，就无法将信号链的旋转部分与固定部分相连。与高精度转接头相比，旋转部分的插入会带来更多的不匹配问题。旋转关节是雷达不可或缺的一部分,是雷达天线中的关键部件,它一般属于天线馈电分系统的一部件，其作用是在旋转状态下能够实现能量传输的一种装置。它可以让雷达旋转部分与固定部分之间形成电能和接收，既使在传输线的结构非接触条件下，旋转是能够实现微波能量传输的一种部件。在雷达的工作过程中,旋转关节用以在动态的天线系统与静态的发射系统及接收系统之间实现微波信号的传递。目前市场上旋转关节种类较多，有微波旋转关节、微波同轴射频旋转关节、电容耦合式同轴关节、电容式旋转关节、绕柱式同轴关节。微波旋转关节是一种用于实现两个相对转动机构间射频信号传送的连接器件，主要用于连续旋转平台在360°无限连续旋转过程中保持射频信号连续不断的向固定平台传输。例如，在雷达天线系统中微波旋转关节是其中一个保证天线正常工作的关键部件，在天线360°不停旋转的情况下，可将微波信号从发射机传输到天线，或从天线传输给接收机，实现方位和俯仰的搜索。

微波旋转关节按接触形式可分为接触式和非接触式两种，接触式主要以同轴式旋转关节为主，其具有传输频带宽、体型小、通用性强等诸多优点，缺点是一般寿命较短、环路较少。非接触式旋转关节主要包括有内导体刨开式圆环同轴关节、同轴线非接触式关节。非接触式旋转关节采用内外两层同轴耦合嵌套结构，内外导体机械加工精度不高及其装配同心度差，造成动环激励探针相对定环微波扼流耦合槽位置的变化，从而影响其时延的稳定性。耦合式旋转关节电信号的耦合是建立在交变基础上的，不能通过直流信号是这类旋转关节的一大特征。射频信号通过耦合机构进行传输时，其传输特性是频率的函数，这就决定了这种耦合式的旋转关节一定是一个频率受限的器件，其工作的频率带宽和接触式的相比要窄得多。另外，这种旋转关节中的耦合机构的尺寸通常和需要通过的射频信号频率有关，一般来说，需要通过的信号频率越低，相应耦合机构的物理尺寸就越大，导致最终旋转关节的尺寸也就越大，因此我们在市面上见到的工作频率较低的旋转关节通常都具有较大体积就是这个原因。目前非接触式主要以波导式旋转关节为主，其主要优点是寿命长、结构简单，缺点是一般体积较大、传输频带窄等。同轴旋转关节是将静态射频系统与转动式射频线路连接时必须使用的串联部件。此类旋转关节通常与转动式天线和雷达联用。具体而言，同轴旋转关节用于空中交通管制，图像传输，医疗/工业及电信控制，以及陆基、舰载和空基雷达。与其他同轴转换器或串联互连器件不同，同轴旋转关节还需要考虑其他的机械方面因素。这些因素包括以每分钟转数(RPM)表示的平均转速极限。这些极限值通常由转动式系统的轴承和机械总成决定。如果长时间以超出平均最大转速极限的转速运行时，有可能导致转动能力的早期失效，并可能降低射频性能。由于同轴旋转关节为连接转动式系统的串联同轴互连器件，因此其对输入功率和峰值功率的要求可能非常严苛。当达到功率限制或超出工作范围时，则可能会降低旋转关节的转动性能，并使得旋转关节更容易损坏。

微波同轴射频旋转关节也叫高频滑环和射频滑环，是专门针对雷达、卫星天线等设备一种高频滑环，这种高频滑环可用于任何需要传输高清信号、射频信号、微波信号等高速串行数字信号或模拟信号的装置。该系列装置可支持单路或多通路高频信号单独传输，也可支持高频信号与24V控制信号、通讯信号、动力电源、流体介质混合传输。高频信号采用的是50Ω特性阻抗射频同轴结构头。其它指定接插件可转接。射频旋转关节包括同轴旋转关节、波导旋转关节,也叫高频滑环,射频滑环。高频旋转关节一头固定，一头旋转，用于连续旋转传输高频信号。高频滑环可以传输高速串行数字信号和模拟信号，最高传输速率可以达到40GHz。支持单路或多通路高频信号单独传输，也可支持高频信号与24V控制信号、通讯信号、动力电源、流体介质混合传输。高频滑环在雷达中的作用在于将雷达的旋转部分与固定部分进行联接，并传输电和信号等。滑环工作正常与否对雷达影响巨大，如果滑环故障而多次出现仰角正常限位，死角限位等误报警故障，严重时会导致雷达无法正常工作。随着雷达技术进一步发展，对旋转部分传输数据的质量要求越来越高，数据传输的量越来越大，信号传输稳定性除了需要高精度内外导体制造外，最为重要的是有稳定的耦合间隙。而传统滑环的电刷易被磨损等问题已不适应于雷达的使用。旋转关节复杂的结构在于关节限制。有时候，一些特殊的情况可能需要控制关节角。关节限制(joint limit)会强制关节角度保持在一定范围内。来限制旋转关节上的物体自由旋转。在关节限制时，包含关节角的零数值，否则在开始模拟时物体间会有倾斜。

电容式旋转关节较多是应用最广泛的旋转关节，电容式旋转关节结构为定子组件和转子组件，采用两组件直接装配成整体。依据现阶段制造技术，市售电容式旋转关节一般为双通道旋转关节，由内外双通道组成，每一个通道由内外导体组成，传输性能稳定性、时延稳定性和一致性较差，性能较差原因为内外导体机械装配同心度差引起或因温度循环引起内外导体变形同心度差引起。这种市售电容式旋转关节采用通道分离装配设计，装配同轴误差较大。并且双通道信号传输导体较薄(0.5mm)，非接触电容隔离间隙小至0.2mm，制造和装配过程均难以保证旋转关节圆柱度和同轴度。因此现有电容式双通道旋转关节寿命短、时延传输性能稳定差和组装难。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的不足之处，提供一种传输性能稳定性，可以满足恶劣机械环境和气候环境使用要求的高精度电容式旋转关节,以解决现有电容式双通道旋转关节寿命短、时延传输性能稳定差和组装难的问题，电容式旋转关节内外导体装配同心度差的缺陷。

本发明的技术方案如下：一种电容式同轴射频旋转关节，包括：安装在旋转中心进行旋转运动的转子组件1，固定在转子组件1转接盘上的定子组件2，其特征在于：转子组件1设有剖面为工字型的外通道转子筒4，制有T形剖面阶梯筒的上工字臂筒，下工字臂筒制有连通内通道转子隔离筒11内通道转子介质套筒3，转子组件1内外双通道采用介质结构件隔离内外传输通道，内通道采用包覆圆柱形耦合导体芯轴的介质套筒3和圆柱形耦合导体芯轴中空盲孔底部的介质限位块6进行隔离，转子内通道中空射频芯轴12通过外层隔离环8悬空在内通道转子隔离筒11中；定子组件2内通道采用包覆圆柱形耦合导体芯轴的介质套筒3和圆柱形耦合导体芯轴中空盲孔底部的介质限位块6进行隔离，外通道采用包覆定子组件2的筒体滑环介质套筒5和外层隔离环的定子介质套筒7对转子组件1传输关节进行隔离，内外传输通道通过自适应同轴传输介质隔离耦合通道间隙，调整旋转筒间的间隙，高精度控制间隙，转子组件1和定子组件2两组件直接复合同轴装配成双通道信号传输的电容式旋转关节，内外通道转子组件1和定子组件2分别引出导线连接固定结构与旋转结构的接线端，构成传输双通道信号的旋转连通系统，关节旋转过程中，转子内通道中空射频芯轴12随之外层隔离环8可反作用于薄壁结构的耦合导体，自适应修复耦合导体圆度，转子组件1和定子组件2通过引出导线传输双通道信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明为改善现有技术电容式旋转关节同心度差和同心度稳定性差问题，采用转子组件1和定子组件2两组件直接装配成复合同轴装配整体的电容式旋转关节，转子组件1内外双通道采用介质结构件隔离内外传输通道，转子组件1内通道采用包覆圆柱形耦合导体芯轴的介质套筒3和圆柱形耦合导体芯轴中空盲孔底部的介质限位块6进行隔离，外通道采用包覆转子组件1筒体的滑环介质套筒5和作为外层屏蔽环的定子介质套筒7对传输关节进行隔离，内外传输通道通过自适应同轴传输介质隔离耦合通道间隙，调整旋转筒间的间隙，高精度控制间隙。这种采用介质隔离方式，保证关节旋转过程中，内外通道传输通道间隙均匀，介质材料具有耐磨性，自润滑性能，有合适的强度。克服了电容式旋转关节内外导体装配同心度差的缺陷。

本发明采用自适应同轴传输介质隔离及复合同轴装配，以由内外双通道内外传输通道采用介质结构件隔离方法，调整旋转博筒间的间隙，控制间隙的高精度。关节旋转过程中，内通道定子组件和内通道转子组件依靠介质套筒3和介质限位块6，始终保证运转间隙均匀，外通道采用介质套筒5和定子介质套筒7进行隔离。另外结构上采用复合同轴装配方法，保证转子组件和定子组件装配精度，大大提高了旋转关节的装配效率。

本发明关节旋转过程中，外通道定子组件和外通道转子组件依靠介质套筒5和定子介质套筒7，始终保证运转间隙均匀，实现信号耦合长期稳定性内外导体机械加工可以达到很高精度，保证内外导体同心度或同心度稳定性，其性能稳定，通道传输驻波和传输损耗下降，可以控制在3％以下。通过较高强度的隔离环可反作用于薄壁结构的耦合导体，使耦合导体圆度得到一定自适应修复，耦合间隙更为均匀；另外较高硬度的隔离环可保证耐磨性，即使长时间使用，磨损量极小，同时具备这两项功能的材料和特殊结构设计方式既保证了旋转关节的静态精度又保证动态精度，大大提高了旋转关节信号耦合长期稳定性，并且解决了现有电容式双通道旋转关节寿命短、时延传输性能稳定差的问题。

本发明针对自适应同轴传输介质隔离，采用复合同轴装配设计方法，将双通道信号传输关节分为转子组件1和定子组件2，转子组件1和定子组件2均采用统一基准工装一次组装完成，保证了转子组件1和定子组件2本身高精度的同轴度，两组件直接装配成整体，减少装配环节，提高装配精度和装配效率。复合同轴装配设计创新设计将需同轴7个柱面设计转子组件1中，将需同轴的有6柱面设计在定子组件1中。再通过定位面将两组件组装成整体旋转关节，这样整体旋转关节的装配可保证多项高精度间隙和同轴度，同时复合同轴装配方法也大大提高旋转关节的组装效率。

本发明为保证耦合通道的高精度长期稳定性，采用自适应同轴传输介质隔离方法和特定强度和硬度介质材料作为隔离和稳定耦合通道间隙。内通道采用介质套筒3和介质限位块6进行隔离，关节旋转过程中，内通道定子组件和内通道转子组件始终保证运转间隙均匀，外通道采用介质套筒5和定子介质套筒7进行隔离，同样关节旋转过程中，外通道定子组件和外通道转子组件始终保证运转间隙均匀。实现复合同轴装配高精度，提高装配效率。由于具有特定强度、硬度和自润滑的传输介质材料为石墨增强氟碳复合材料，可抵抗内外通道转子和定子高速旋转对隔离介质材料的撕裂损坏，适应强度可变形的石墨增强氟碳复合材料制备的隔离环反作用于薄壁结构圆柱形耦合导体，旋转中耦合导体圆柱度自适应修正，耦合隔离间隙趋向均匀一致，保证时延传输性能的稳定性；适度硬度自润滑的石墨增强氟碳复合材料制备的隔离环耐磨性优良，即使长时间使用，磨损量极小，旋转关节的静态精度和动态精度长期得到保证，大大提高了旋转关节信号耦合传输的长期稳定性。

本发明不仅可以360度旋转传输DC～18GHz同轴高频信号，还可以混合电流或其它信号一起传输。特别适合应用于无限制的连续旋转，同时又需要从固定位置到旋转位置传送功率或数据的场所。包括:高速滑环_高速导电滑环_高转速滑环大口径滑环_大型滑环_大孔径滑环_大尺寸滑环大电流滑环_大电流集电环_风电滑环热电偶滑环_热电偶集电环_热电偶导电环。

附图说明

图1是本发明高精度电容式旋转关节主体结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是图1转子组件构造示意图；

图4是图1定子组件构造示意图。

图中：1转子组件，2定子组件，3内通道转子介质套筒，4外通道转子筒，5筒体滑环介质套筒，6内通道介质限位块，7定子介质套筒，8外层隔离环，9上下工字臂，10转子内环筒，11内通道转子隔离筒，12转子内通道中空射频芯轴，13定子凸台筒，14定转子内环筒，15波导耦合筒，16定子内环隔离筒。

为了使本发明的目的和技术方案更加清楚明白，以下结合实施实例示意图对本发明进行进一步详细说明，应该理解，此处所描述的具体实施实例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式

参阅图1-图2。在以下描述实施例中，一种电容式同轴射频旋转关节，包括：安装在旋转中心进行旋转运动的转子组件1，固定在转子组件1转接盘上的定子组件2，其中：转子组件1设有剖面为工字型的外通道转子筒4，制有T形剖面阶梯筒的上工字臂筒，下工字臂筒制有连通内通道转子隔离筒11的内通道转子介质套筒3，转子组件1内外双通道采用介质结构件隔离内外传输通道，内通道采用包覆圆柱形耦合导体芯轴的介质套筒3和圆柱形耦合导体芯轴中空盲孔底部的介质限位块6进行隔离，转子内通道中空射频芯轴12通过外层隔离环8悬空在内通道转子隔离筒11中；定子组件2内通道采用包覆圆柱形耦合导体芯轴的介质套筒3和圆柱形耦合导体芯轴中空盲孔底部的介质限位块6进行隔离，外通道采用包覆定子组件2筒体滑环的介质套筒5和外层隔离环的定子介质套筒7对转子组件1传输关节进行隔离，内外传输通道通过自适应同轴传输介质隔离耦合通道间隙，调整旋转筒间的间隙，高精度控制间隙，转子组件1和定子组件2两组件直接复合同轴装配成双通道信号传输的电容式旋转关节，内外通道转子组件1和定子组件2分别引出导线连接固定结构与旋转结构的接线端，构成传输双通道信号的旋转连通系统，关节旋转过程中，转子内通道中空射频芯轴12随之外层隔离环8可反作用于薄壁结构的耦合导体，自适应修复耦合导体圆度，转子组件1和定子组件2通过引出导线传输双通道信号。

介质套筒5和定子介质套筒7可选介质材料有用增强聚四氟乙烯和增强尼龙材料，经优化比较，采用特定强度、低介电常数增强聚四氟乙烯材料可使关节可靠性大幅增加，最佳优先的增强聚四氟乙烯强度指标45Mpa，邵氏硬度62。并且可以采用强度和硬度增强聚四氟乙烯材料，特定强度可防止内外通道转子和定子在高速旋转中防止撕裂损坏。

参阅图3。转子组件1包括：制有工字形剖面法兰筒体的外通道转子筒4，螺接在上工字臂筒体└┘形内筒体上的E形端盖，一体相连E形端盖E芯凸耳孔筒的内通道转子隔离筒11和装配在内通道转子隔离筒11轴肩筒体中的外层隔离环8，通过外层隔离环8，悬空在内通道转子隔离筒11中的转子内通道中空射频芯轴12，装配在上下工字臂9法兰筒体之间的转子内环筒10，该转子内环筒10同轴装配在上工字臂筒体向下延伸的薄壁筒上。E形端盖通过装配在E芯凸耳孔筒上垫圈端密封上工字臂筒体法兰内筒E芯T形凸耳筒。外通道转子筒4、转子内环筒10、转子内通道中空射频芯轴12三柱面采用转子组件1同轴工装装配方式，一次性将外通道转子筒4、转子内环筒10、转子内通道中空射频芯轴12三柱面通过转子装配工装8同轴装配完成。

参阅图4。定子组件2包括：丄形定子凸台筒13，同心穿过定子凸台筒13底部┏┐形腔，向上延伸的定子内环隔离筒16，同轴装配在定子内环隔离筒16柱面上的定转子内环筒14同心通过定子内环隔离筒16筒腔台阶孔的外波导耦合筒15。定子凸台筒13，定转子内环筒14外波导耦合筒15，定子内环隔离筒16设计在同一组合零件上。定转子内环筒14外波导耦合筒15两柱面采用转子组件同轴工装装配方式，一次性将定转子内环筒14外波导耦合筒15两柱面通过定子装配工装同轴装配在转子组件1对应转子内环筒10，内通道转子隔离筒11和转子内通道中空射频芯轴12中。

本说明书，包括任何附加权利要求、摘要和附图中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的替代特征加以替换。

Claims (8)

1.一种电容式同轴射频旋转关节，包括：安装在旋转中心进行旋转运动的转子组件(1)，固定在转子组件(1)转接盘上的定子组件(2)，其特征在于：转子组件(1)设有剖面为工字型的外通道转子筒(4)，制有T形剖面阶梯筒的上工字臂筒，下工字臂筒制有连通内通道转子隔离筒(11)内通道转子介质套筒(3)，转子组件(1)内外双通道采用介质结构件隔离内外传输通道，内通道采用包覆圆柱形耦合导体芯轴的介质套筒(3)和圆柱形耦合导体芯轴中空盲孔底部的介质限位块(6)进行隔离，转子内通道中空射频芯轴(12)通过外层隔离环(8)悬空在内通道转子隔离筒(11)中；定子组件(2)内通道采用包覆圆柱形耦合导体芯轴的介质套筒(3)和圆柱形耦合导体芯轴中空盲孔底部的介质限位块(6)进行隔离，外通道采用包覆定子组件(2)的筒体滑环介质套筒(5)和外层隔离环的介质套筒(7)对转子组件(1)传输关节进行隔离，内外传输通道通过自适应同轴传输介质隔离耦合通道间隙，调整旋转筒间的间隙，高精度控制间隙，转子组件(1)和定子组件(2)两组件直接复合同轴装配成双通道信号传输的电容式旋转关节，内外通道转子组件(1)和定子组件(2)分别引出导线连接固定结构与旋转结构的接线端，构成传输双通道信号的旋转连通系统，关节旋转过程中，转子内通道中空射频芯轴(12)随之外层隔离环(8)可反作用于薄壁结构的耦合导体，自适应修复耦合导体圆度，转子组件(1)和定子组件(2)通过引出导线传输双通道信号。

2.如权利要求1所述的电容式同轴射频旋转关节，其特征在于：筒体滑环介质套筒(5)和介质套筒(7)介质材料采用强聚四氟乙烯或增强尼龙材料。

3.如权利要求1所述的电容式同轴射频旋转关节，其特征在于：转子组件(1)包括：制有工字形剖面法兰筒体的外通道转子筒(4)，螺接在上工字臂筒体剖面└┘形内筒体上的E形端盖，一体相连E形端盖E芯凸耳孔筒的内通道转子隔离筒(11)和装配在内通道转子隔离筒(11)轴肩筒体中的外层隔离环(8)，通过外层隔离环(8)悬空在内通道转子隔离筒(11)中的转子内通道中空射频芯轴(12)，装配在上下工字臂(9)法兰筒体之间的转子内环筒(10)，该转子内环筒(10)同轴装配在上工字臂筒体向下延伸的薄壁筒上。

4.如权利要求3所述的电容式同轴射频旋转关节，其特征在于：E形端盖通过装配在E芯凸耳孔筒上垫圈端密封上工字臂筒体法兰内筒E芯T形凸耳筒。

5.如权利要求3所述的电容式同轴射频旋转关节，其特征在于：外通道转子筒(4)、转子内环筒(10)、转子内通道中空射频芯轴(12)三柱面采用转子组件(1)同轴工装装配方式，一次性将外通道转子筒(4)、转子内环筒(10)、转子内通道中空射频芯轴(12)三柱面通过转子装配工装同轴装配完成。

6.如权利要求1所述的电容式同轴射频旋转关节，其特征在于：定子组件(2)包括：丄形定子凸台筒(13)，同心穿过定子凸台筒(13)底部┏┐形腔，向上延伸的定子内环隔离筒(16)，同轴装配在定子内环隔离筒(16)柱面上的定转子内环筒(14)同心通过定子内环隔离筒(16)筒腔台阶孔的外波导耦合筒(15)。

7.如权利要求1所述的电容式同轴射频旋转关节，其特征在于：定子凸台筒(13)，定转子内环筒(14)外波导耦合筒(15)，定子内环隔离筒(16)设计在同一组合零件上。

8.如权利要求1所述的电容式同轴射频旋转关节，其特征在于：定转子内环筒(14)外波导耦合筒(15)两柱面采用转子组件同轴工装装配方式，一次性将定转子内环筒(14)外波导耦合筒(15)两柱面通过定子装配工装同轴装配在转子组件(1)对应转子内环筒(10)，内通道转子隔离筒(11)和转子内通道中空射频芯轴(12)中。

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