CN205069817U - 一种微小型微波旋转关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微小型微波旋转关节，包括由作为信号输入端的左接头与定子部件尾甲组成的定子部件和作为信号输出端的右接头与转子部件尾甲组成的转子部件，二者通过轴承实现相对旋转。所述左接头和右接头均为同轴线结构。转子部件尾甲嵌在定子部件尾甲的空腔内。微型弹簧和插针依次装入右接头内导体左端的圆柱形空腔内，插针左端伸入左接头内导体右端的圆锥形空腔内，并保证旋转过程中插针左端始终与空腔内锥形底部相接触。内外圈锁紧盖安装在转子部件尾甲右端外侧和定子部件尾甲右端内侧。本实用新型具有结构紧凑、整体尺寸小、频带宽、传输功率损耗小、性能稳定可靠、接口通用性强的特点，尤其适用于狭小空间的安装布局要求。

Description

一种微小型微波旋转关节

技术领域

本实用新型专利涉及微波信号旋转传输技术领域，尤其是涉及一种微小型微波旋转关节。

背景技术

微波旋转关节是保证微波系统中两个相对旋转的设备间电磁波正常传输的必要元件，其结构主要由输入端、旋转部分和输出端组成。为了使微波旋转关节在转动过程中保持传输性能的对称性(即电性能不随转角而变)，其旋转部分大都采用圆对称的结构和波传输模式，如同轴线中的TEM波模式，圆波导中的TM01波模式等，输入端和输出端常用结构为波导和同轴接头。

随着雷达天线与通信等领域微波器件逐步向高频化和小型化方向发展，微波旋转关节作为该领域的一个微波器件，其小型化设计成为一项关键技术。微波旋转关节的体积主要受工作频率和结构形式的影响，常见的微波旋转关节小型化设计方法有：增大微波旋转关节工作频率，采用波导－同轴－波导相互转换的结构形式，采用波导腔体内加脊设计的波导结构形式，电磁波传输通道内填充介质等。对于工作在0～18GHz宽频范围内的微波信号旋转传输要求，若采用圆波导结构，其体积大，且以高次模TM01模作为主要传输模式，频带窄，结构尺寸和传输模式均不能满足要求。采用波导－同轴－波导的结构形式，其具有频带宽的优点，能一定程度上减小微波关节旋转部分结构的径向尺寸，但结构较为复杂。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对微波旋转关节的小型化应用需求，提出一种微小型微波旋转关节，它的整体结构为全同轴线型，具有体积小(最大外径尺寸为13mm)、传输功率损耗小、性能稳定可靠、频带宽、接口通用性强、适用于0～18GHz频率范围的优点，能够广泛应用于空间狭小、功率容量要求不高、需要旋转传输微波信号的场合中。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种微小型微波旋转关节，特征是：包括定子部件和转子部件，定子部件由左接头和定子部件尾甲组成，由左接头内导体、左接头外导体和左接头支撑介质组成的左接头为同轴线结构，左接头内导体与左接头外导体之间设置有左接头支撑介质，左接头内导体的长度大于左接头外导体和左接头支撑介质的长度，且左接头内导体的右端设有底部为锥形的左接头内导体圆柱空腔，定子部件尾甲套在左接头外导体的右端外部，定子部件尾甲的外壁和内壁形状均为阶梯状，且定子部件尾甲的左端内径小于定子部件尾甲的右端内径；转子部件由转子部件尾甲和右接头组成，由右接头内导体、右接头外导体和右接头支撑介质组成的右接头为同轴线结构，右接头内导体和右接头外导体之间设置有右接头支撑介质，右接头内导体的长度大于右接头外导体和右接头支撑介质的长度，且右接头内导体的左端设有右接头内导体圆柱空腔，转子部件尾甲套在右接头外导体的左端外部，转子部件尾甲的外壁为阶梯形，转子部件尾甲的左端外径小于转子部件尾甲的右端外径，转子部件尾甲的内径与定子部件尾甲的左端内径相等；在右接头内导体圆柱空腔内从右向左依次放置有微型弹簧和插针，将转子部件和微型弹簧、插针的整体结构向左轴向伸入到定子部件尾甲内部空腔内，确保插针的左端正好顶住左接头内导体右端的左接头内导体圆柱空腔的锥形底部，并使左接头内导体的右端面与右接头内导体的左端面不接触，转子部件尾甲左端的外壁与定子部件尾甲右端的内壁不接触，留有伸缩间隙，仅转子部件尾甲左阶梯的左端面与定子部件尾甲左阶梯的右端面面接触；微型球轴承套在转子部件尾甲的中间外壁上，且微型球轴承的外壁与定子部件尾甲的中间内壁接触，微型球轴承的左端抵住转子部件尾甲的第二级阶梯的右端面和定子部件尾甲的第三级阶梯的右端面，内圈锁紧盖通过螺纹旋在转子部件尾甲的右侧外壁上，且内圈锁紧盖的左端面抵住微型球轴承的右端面，外圈锁紧盖通过螺纹旋在定子部件尾甲的右侧内壁上，且外圈锁紧盖的左端面抵住微型球轴承的右端面，内圈锁紧盖的外壁与外圈锁紧盖的内壁之间不接触，内圈锁紧盖的右端面、外圈锁紧盖的右端面均与定子部件尾甲的右端面齐平。

定子部件的左接头和转子部件的右接头均为特性阻抗为50欧的SMA母头，左接头支撑介质和右接头支撑介质的材料均为聚四氟乙烯材料。

为保证定子部件尾甲与左接头连接时阻抗匹配、转子部件尾甲与右接头连接时阻抗匹配，需分别根据理论公式计算定子部件尾甲左端口的内径以及转子部件尾甲右端口的内径，使端口阻抗均为50欧。

左接头内导体右端的左接头内导体圆柱空腔的壁厚以及右接头内导体左端的右接头内导体圆柱空腔的壁厚均不大于0.4mm。

微型弹簧放在右接头内导体左端的右接头内导体圆柱空腔内，需合理选择微型弹簧的长度、直径和弹性系数，保证旋转过程中，插针与左接头内导体圆柱空腔的底部锥形凹槽始终接触，从而实现定子部件和转子部件之间的电气连接。

插针为具有良好电气传输特性和耐磨损性能且左端为锥形的锡青铜棒，插针的直径略小于左接头内导体圆柱空腔和右接头内导体圆柱空腔的直径，以减小旋转过程中插针与左接头内导体圆柱空腔和右接头内导体圆柱空腔内壁的接触面积，从而减少摩擦。

为增强旋转传输寿命和传输效率，减小旋转传输损耗，左接头外导体、定子部件尾甲和右接头外导体、转子部件尾甲均为不锈钢材料，左接头内导体和右接头内导体为铍青铜材料。在左接头外导体与右接头外导体的内表面、左接头内导体与右接头内导体的外表面、左接头内导体圆柱空腔和右接头内导体圆柱空腔的内表面、定子部件尾甲和转子部件尾甲的内表面均镀覆有不大于4um厚的贵金属Au。

本实用新型以定子部件的左接头为信号输入端，以转子部件的右接头为信号输出端。定子部件与转子部件之间通过微型球轴承实现相互旋转。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：1、体积小，结构形式简单，加工方便，无需调试；2、损耗小，性能稳定可靠，在20％的相对带宽内驻波小于1.2，在20％的相对带宽内插损小于0.5dB；转动任意角度后，其驻波变化小于0.02，插损变化小于0.05dB，具有很好的一致性。3、频带宽，能适用于0～18GHz频率范围内。

总之，本实用新型具有结构紧凑、整体尺寸小、频带宽、传输功率损耗小、性能稳定可靠、接口通用性强的优点，可广泛应用在空间狭小场合中旋转设备与固定设备之间的电磁信号传输，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为定子部件示意图；

图3为转子部件示意图。

附图标记说明：

1－左接头；11－左接头内导体；111－左接头内导体圆柱空腔；12－左接头外导体；13－左接头支撑介质；2－定子部件尾甲；21－定子部件尾甲左阶梯；22-定子部件尾甲内部空腔；23－定子部件尾甲的第三级阶梯；3－转子部件尾甲；31－转子部件尾甲左阶梯；32－转子部件尾甲的第二级阶梯；4－右接头；41－右接头内导体；411－右接头内导体圆柱空腔；42－右接头外导体；43－右接头支撑介质；5－微型弹簧；6－插针；7－微型球轴承；8－内圈锁紧盖；9－外圈锁紧盖。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本实用新型作进一步详细说明。

一种微小型微波旋转关节，包括定子部件和转子部件，定子部件由左接头1和定子部件尾甲2组成，由左接头内导体11、左接头外导体12和左接头支撑介质13组成的左接头1为同轴线结构，左接头内导体11与左接头外导体12之间设置有左接头支撑介质13，左接头内导体11的长度大于左接头外导体12和左接头支撑介质13的长度，且左接头内导体11的右端设有底部为锥形的左接头内导体圆柱空腔111，定子部件尾甲2套在左接头外导体12的右端外部，定子部件尾甲2的外壁和内壁形状均为阶梯状，且定子部件尾甲2的左端内径小于定子部件尾甲2的右端内径；转子部件由转子部件尾甲3和右接头4组成，由右接头内导体41、右接头外导体42和右接头支撑介质43组成的右接头4为同轴线结构，右接头内导体41和右接头外导体42之间设置有右接头支撑介质43，右接头内导体41的长度大于右接头外导体42和右接头支撑介质43的长度，且右接头内导体41的左端设有右接头内导体圆柱空腔411，转子部件尾甲3套在右接头外导体42的左端外部，转子部件尾甲3的外壁为阶梯形，转子部件尾甲3的左端外径小于转子部件尾甲3的右端外径，转子部件尾甲3的内径与定子部件尾甲2的左端内径相等；在右接头内导体圆柱空腔411内从右向左依次放置有微型弹簧5和插针6，将转子部件和微型弹簧5、插针6的整体结构向左轴向伸入到定子部件尾甲内部空腔22内，确保插针6的左端正好顶住左接头内导体11右端的左接头内导体圆柱空腔111的锥形底部，并使左接头内导体11的右端面与右接头内导体41的左端面不接触，转子部件尾甲3左端的外壁与定子部件尾甲2右端的内壁不接触，留有伸缩间隙，仅转子部件尾甲左阶梯31的左端面与定子部件尾甲左阶梯21的右端面面接触；微型球轴承7套在转子部件尾甲3的中间外壁上，且微型球轴承7的外壁与定子部件尾甲2的中间内壁接触，微型球轴承7的左端抵住转子部件尾甲的第二级阶梯32的右端面和定子部件尾甲的第三级阶梯23的右端面，内圈锁紧盖8通过螺纹旋在转子部件尾甲3的右侧外壁上，且内圈锁紧盖8的左端面抵住微型球轴承7的右端面，外圈锁紧盖9通过螺纹旋在定子部件尾甲2的右侧内壁上，且外圈锁紧盖9的左端面抵住微型球轴承7的右端面，内圈锁紧盖8的外壁与外圈锁紧盖9的内壁之间不接触，内圈锁紧盖8的右端面、外圈锁紧盖9的右端面均与定子部件尾甲2的右端面齐平。

定子部件的左接头1和转子部件的右接头4均为以介电常数为2.08的聚四氟乙烯材料为支撑介质，特性阻抗为50欧，外导体内径为4mm左右的SMA母头。

为保证定子部件尾甲2与左接头1连接时阻抗匹配、转子部件尾甲3与右接头4连接时阻抗匹配，需分别根据理论公式计算定子部件尾甲2左端口的内径以及转子部件尾甲3右端口的内径，使端口阻抗均为50欧。

理论公式如下：

已知同轴线特性阻抗公式为：

$Z_0=\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\·\ln \left(\frac{D}{d}\right)---\left(1\right)$

为保证同轴线单模传输TEM波，需满足：

λ≥π(D+d)(2)

其中，ε_r为支撑介质的介电常数，D为外导体内径，d为内导体直径，λ为中心工作频率对应波长。

左接头1与右接头4的支撑介质为聚四氟乙烯材料介质，其介电常数ε_r＝2.08，由公式(1)(2)可计算出左接头与右接头的内导体直径和外导体内径值；定子部件尾甲2的左端口与左接头内导体右端之间为空气介质，ε_r空气＝1。可知定子部件尾甲2的左端口内径D′大于填充聚四氟乙烯材料介质的左接头1的外导体内径D，关系式为同理，转子部件尾甲3的右端口与右接头内导体左端之间也为空气介质，可知转子部件尾甲3的右端口内径D′大于填充聚四氟乙烯材料介质的右接头4的外导体内径D，关系式为

左接头内导体11右端的左接头内导体圆柱空腔111的壁厚以及右接头内导体41左端的右接头内导体圆柱空腔411的壁厚均不大于0.4mm。

所述定子部件尾甲2和转子部件尾甲3的各级阶梯长度根据传输线的特征规律，以长为初始设计值。

微型弹簧5放在右接头内导体41左端的右接头内导体圆柱空腔411内，需合理选择微型弹簧5的长度、直径和弹性系数，保证旋转过程中，插针6与左接头内导体圆柱形空腔111的底部锥形凹槽始终接触，从而实现定子部件和转子部件之间的电气连接。

插针6为具有良好电气传输特性和耐磨损性能且左端为锥形的锡青铜棒，插针6的直径略小于左接头内导体圆柱空腔111和右接头内导体圆柱空腔411的直径，以减小旋转过程中插针6与左接头内导体圆柱空腔111和右接头内导体圆柱空腔411内壁的接触面积，从而减少摩擦。插针6左端锥体相比左接头内导体圆柱空腔111底部的锥体锥角略小。这里锥体的设计是为增强电磁波传输效率，同时减小接触面的接触面积，减小摩擦。锥体的最佳锥角值借助电磁仿真软件CST优化得到。

为增强旋转传输寿命和传输效率，减小旋转传输损耗，左接头外导体13、定子部件尾甲2和右接头外导体42、转子部件尾甲3均为不锈钢材料，左接头内导体11和右接头内导体41为铍青铜材料。在左接头外导体12与右接头外导体42的内表面、左接头内导体11与右接头内导体41的外表面、左接头内导体圆柱空腔111和右接头内导体圆柱空腔411的内表面、定子部件尾甲2和转子部件尾甲3的内表面均镀覆有不大于4um厚的贵金属Au。

本实用新型以定子部件的左接头1为信号输入端，以插针6为信号中间过渡段，以转子部件的右接头4为信号输出端。定子部件与转子部件之间通过微型球轴承7实现相互旋转。

以上给出了该微小型微波旋转关节的结构组成和主要尺寸计算方法。运用电磁仿真软件CST建立该微波旋转关节的模型并进行仿真，便可以得到其性能参数值。一般情况下，该参数值是基本能满足要求的。为改善其性能，可以在上述尺寸基础上进一步微调和优化，以获得最佳结果。最后，在对经过上述设计所加工出来的微波旋转关节进行测试，在其输入端和输出端连接同轴转换器，得到微小型微波旋转关节的主要性能指标如下：

(1)频率范围：0～18GHz；

(2)驻波：在20％的相对带宽内小于1.2；

(3)插损：在20％的相对带宽内小于0.5；

(4)稳定性：该微波旋转关节转动任意角度，驻波变化小于0.02，插损变化小于0.05；

(5)结构尺寸：最大外径小于13mm，长度小于29mm。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种微小型微波旋转关节，其特征在于：包括定子部件和转子部件，定子部件由左接头和定子部件尾甲组成，由左接头内导体、左接头外导体和左接头支撑介质组成的左接头为同轴线结构，左接头内导体与左接头外导体之间设置有左接头支撑介质，左接头内导体的长度大于左接头外导体和左接头支撑介质的长度，且左接头内导体的右端设有底部为锥形的左接头内导体圆柱空腔，定子部件尾甲套在左接头外导体的右端外部，定子部件尾甲的外壁和内壁形状均为阶梯状，且定子部件尾甲的左端内径小于定子部件尾甲的右端内径；转子部件由转子部件尾甲和右接头组成，由右接头内导体、右接头外导体和右接头支撑介质组成的右接头为同轴线结构，右接头内导体和右接头外导体之间设置有右接头支撑介质，右接头内导体的长度大于右接头外导体和右接头支撑介质的长度，且右接头内导体的左端设有右接头内导体圆柱空腔，转子部件尾甲套在右接头外导体的左端外部，转子部件尾甲的外壁为阶梯形，转子部件尾甲的左端外径小于转子部件尾甲的右端外径，转子部件尾甲的内径与定子部件尾甲的左端内径相等；在右接头内导体圆柱空腔内从右向左依次放置有微型弹簧和插针，将转子部件和微型弹簧、插针的整体结构向左轴向伸入到定子部件尾甲内部空腔内，确保插针的左端正好顶住左接头内导体右端的左接头内导体圆柱空腔的锥形底部，并使左接头内导体的右端面与右接头内导体的左端面不接触，转子部件尾甲左端的外壁与定子部件尾甲右端的内壁不接触，留有伸缩间隙，仅转子部件尾甲左阶梯的左端面与定子部件尾甲左阶梯的右端面面接触；微型球轴承套在转子部件尾甲的中间外壁上，且微型球轴承的外壁与定子部件尾甲的中间内壁接触，微型球轴承的左端抵住转子部件尾甲的第二级阶梯的右端面和定子部件尾甲的第三级阶梯的右端面，内圈锁紧盖通过螺纹旋在转子部件尾甲的右侧外壁上，且内圈锁紧盖的左端面抵住微型球轴承的右端面，外圈锁紧盖通过螺纹旋在定子部件尾甲的右侧内壁上，且外圈锁紧盖的左端面抵住微型球轴承的右端面，内圈锁紧盖的外壁与外圈锁紧盖的内壁之间不接触，内圈锁紧盖的右端面、外圈锁紧盖的右端面均与定子部件尾甲的右端面齐平。

2.根据权利要求书1所述的微小型微波旋转关节，其特征在于：左接头内导体右端的左接头内导体圆柱空腔的壁厚以及右接头内导体左端的右接头内导体圆柱空腔的壁厚均不大于0.4mm。

3.根据权利要求书1所述的微小型微波旋转关节，其特征在于：微型弹簧放在右接头内导体左端的右接头内导体圆柱空腔内，插针与左接头内导体圆柱空腔的底部锥形凹槽始终接触，从而实现定子部件和转子部件之间的电气连接。

4.根据权利要求书1所述的微小型微波旋转关节，其特征在于：插针的直径略小于左接头内导体圆柱空腔和右接头内导体圆柱空腔的直径。

5.根据权利要求书1所述的微小型微波旋转关节，其特征在于：定子部件的左接头和转子部件的右接头均为特性阻抗为50欧的SMA母头。

6.根据权利要求书1所述的微小型微波旋转关节，其特征在于：在左接头外导体与右接头外导体的内表面、左接头内导体与右接头内导体的外表面、左接头内导体圆柱空腔和右接头内导体圆柱空腔的内表面、定子部件尾甲和转子部件尾甲的内表面均镀覆有不大于4um厚的贵金属Au。