CN208433494U - 一种同轴旋转关节 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种工作于宽带同轴旋转关节的设计。该旋转关节电气结构包括同轴波导扼流单元、两端带状线功分结构和两端同轴输出端口三部分。同轴波导和带状线波导基模均为TEM模，当给关节一端添加激励，同轴端口激励起的带状线波导内TEM模通过耦合口转变为同轴波导中的TEM模，然后经过扼流槽，将电磁能量再耦合到另一带状线波导内，最终从第二个同轴端口输出。该种基于带状线功分结构的同轴波导耦合设计不仅使关节在驻波比满足1.13：1的情况下，相对带宽达到28％，而且相对于传统波导类旋转关节大幅度缩小了关节体积，同轴度好，便于加工，在工程设计中有很高的应用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种天线馈电网络中无源微波器件即同轴旋转关节的设计，该旋转关节有着体积小、频带宽、电气指标优良、同轴度高、加工容易的优势，能够应用于大部分站型天线对C频段旋转关节的设计需求。
背景技术
日新月异的微波通信技术，要求天线设计随之不断进步，而微波无源器件宽带和小型化设计已经成为天线馈电网络发展的主流方向。旋转关节作为大部分天线不可或缺的核心部件，直接影响着天线的使用带宽和使用寿命。其主要功能是实现微波信号在传输线进行旋转时的无损传输。
对旋转关节的研究由来已久，传统窄带电气设计比较成熟，多应用在L、C、S、X、Ku、Ka频段。旋转关节的分类很多，按通道数分为单通道旋转关节、双通道旋转关节和多通道旋转关节；按传输线形式主要分为波导旋转关节和同轴旋转关节；按接触方式又分为接触式关节和非接触式关节等等。但大部分旋转关节为窄带设计，或者结构过于复杂，受国内加工工艺限制难以保证旋转关节动态电气指标和使用寿命。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种能够动态传输微波信号的无源器件—单通道同轴旋转关节，尤其是一种同轴旋转关节，本实用新型需要具有宽带、小型化、同轴度高、加工容易等诸多优点。
本实用新型的目的是这样实现的：
一种同轴旋转关节，其包括上旋转体a和下旋转体b，上旋转体的中央形成竖直延伸的轴向圆柱部a1，下旋转体与轴向圆柱部同轴，上旋转体和下旋转体形成可自由回转的活动连接结构，上旋转体顶部设有上环形空腔9，下旋转体底部设有下环形空腔10，在上环形空腔中配装上带状线2，在下环形空腔中配装下带状线11，每个上带状线的合成端都与配装在上旋转体上的SMA同轴端子1相连，每个下带状线的合成端都与配装在下旋转体上的SMA同轴端子1相连，轴向圆柱部的外壁与上旋转体和下旋转体之间形成环形中空夹层a2，所述的中空夹层形成同轴波导空气腔，所述的同轴波导空气腔分别与上环形空腔和下环形空腔连通形成可自由回转的波导空腔结构，该波导空腔结构为传输信号的主通道。
进一步的，所述的上旋转体包括上T型盖3、上旋转块4，所述的下旋转体包括下盖板6、下旋转块5，所述的轴向圆柱部以T型盖3的中心竖直向下延伸，位于轴向圆柱部的底部配装下盖板6，上旋转块4和下旋转块5设置在上T型盖3与下盖板6之间，上旋转块4和下旋转块5同轴配装在轴向圆柱部上，上旋转块4与下旋转块5形成可自由回转的活动连接结构，上旋转块上设有凹槽，上T型盖3与上旋转块所设有的凹槽形成上环形空腔9，下旋转块上设有凹槽，下盖板6与下旋转块所设有的凹槽形成下环形空腔10。
进一步的，所述的轴向圆柱部与上旋转块4和下旋转块5之间分别形成环形中空夹层，所述的环形中空夹层对接组成同轴波导空气腔a2。
进一步的，所述的上旋转块4和下旋转块5形成对向且重叠的第一折弯部分451，第一折弯部分留有缝隙形成扼流结构，所述的扼流结构与同轴波导空气腔相通。
进一步的，在上旋转块4和下旋转块5还形成有对向延伸且重叠的第二折弯部分452，第二折弯部分限位设有多个轴承，通过限位的轴承保证上旋转块4和下旋转块5自由回转且高度位置不变。
进一步的，所述的上环形空腔和下环形空腔都为环形腔体。
进一步的，上环形空腔与下环形空腔内都设有半圆形凹槽10，每个半圆形凹槽都位于SMA同轴端子1的下方。
进一步的，上带状线和下带状线结构相同，上带状线为为一分二再分四四端口带状线。
进一步的，每个半圆形凹槽的一侧都连接有短路通道，短路通道与外部环境接通。
进一步的，所述的轴向圆柱部两端分别穿入至上环形空腔和下环形空腔中，轴向圆柱部的每个穿入部分都开设有四个均分的带状线端子，一一对应对应的每个带状线分支拐角处开有切角。
进一步的，所述的轴向同轴波导空气腔体与上、下带状线波导腔体连通处形成窄缝耦合口结构。
本实用新型与背景技术相比具有如下优点：
1、本实用新型摒弃以往矩形波导关节或同轴关节传输线设计形式，采用带状线波导向同轴波导耦合的过渡形式，使旋转关节设计相对带宽达到28％，且指标优良。
2、本实用新型继承了带状线波导的通带特性，使其相对波导关节在满足设计带宽的前提下，体积大幅度缩小。
3、本实用新型采用双轴承设计，保证了同轴度，且装配紧凑，可靠度高，工艺设计优良；
4、本实用新型轴向为空心设计，能够传输各类天线结构件或电缆。
5、本实用新型结构美观、成本低廉、设计简便、易于加工，适应各种站型天线的使用需求。
附图说明
图1是本实用新型的外形示意图；
图2是本实用新型的截面示意图；
图3是本实用新型的第二折弯部分的结构示意图；
图4是本实用新型的带状线的结构示意图；
图5是本实用新型的上旋转块的结构示意图；
图6是本实用新型的下旋转块的结构示意图；
图7是本实用新型的上旋转块搭配带状线的结构示意图；
图8是本实用新型的上旋转块搭配带状线的结构示意图；
图9是本实用新型的原理图；
附图标记说明：
上旋转体a、轴向圆柱部a1、环形中空夹层a2、下旋转体b、SMA同轴端子1上带状线2上T型盖3、上旋转块4、下旋转块5、下盖板6、上环形空腔9、下环形空腔10、下带状线11、半圆形凹槽12、第一折弯部分451、第二折弯部分452。
具体实施方式
实施例1，如图1-图2所示，提供了一种同轴旋转关节，包括上旋转体a和下旋转体b，上旋转体的中央形成竖直延伸的轴向圆柱部a1，下旋转体与轴向圆柱部同轴，上旋转体和下旋转体形成可自由回转的活动连接结构，上旋转体顶部设有上环形空腔9，下旋转体底部设有下环形空腔10，所述的上环形空腔和下环形空腔都为环形腔体，上环形空腔与下环形空腔内都设有半圆形凹槽12，每个半圆形凹槽都位于SMA同轴端子1的下方，所述的轴向同轴波导空气腔体与上、下带状线波导腔体连通处形成窄缝耦合口结构，所述的轴向圆柱部两端分别穿入至上环形空腔和下环形空腔中，轴向圆柱部的每个穿入部分都开设有四个均分的带状线端子，一一对应对应的每个带状线拐角形成的分支处开有切，带状线的分支与带状线端子一一对应的配装，在上环形空腔中配装上带状线2，在下环形空腔中配装下带状线11，每个上带状线的合成端都与配装在上旋转体上的SMA同轴端子1相连，每个下带状线的合成端都与配装在下旋转体上的SMA同轴端子1相连，轴向圆柱部的外壁与上旋转体和下旋转体之间形成环形中空夹层a2，所述的中空夹层形成同轴波导空气腔，所述的同轴波导空气腔分别与上环形空腔和下环形空腔连通形成可自由回转的波导空腔结构，该波导空腔结构为传输信号的主通道。
如图3-图8所示，所述的上旋转体包括上T型盖3、上旋转块4，所述的下旋转体包括下盖板6、下旋转块5，所述的轴向圆柱部以T型盖3的中心竖直向下延伸，位于轴向圆柱部的底部配装下盖板6，上旋转块4和下旋转块5设置在上T型盖3与下盖板6之间，上旋转块4和下旋转块5同轴配装在轴向圆柱部上，上旋转块4与下旋转块5形成可自由回转的活动连接结构，上旋转块上设有凹槽，上T型盖3与上旋转块所设有的凹槽形成上环形空腔9，下旋转块上设有凹槽，下盖板6与下旋转块所设有的凹槽形成下环形空腔10。
所述的轴向圆柱部与上旋转块4和下旋转块5之间分别形成环形中空夹层，所述的环形中空夹层对接组成同轴波导空气腔a2。
如图4所示，上带状线和下带状线结构相同，上带状线为为一分二再分四四端口带状线，每个半圆形凹槽的一侧都连接有短路通道，短路通道与外部环境接通。
如图2-图3所示，所述的上旋转块4和下旋转块5形成对向且重叠的第一折弯部分451，第一折弯部分留有缝隙形成扼流结构，所述的扼流结构与同轴波导空气腔相通，在上旋转块4和下旋转块5还形成有对向延伸且重叠的第二折弯部分452，第二折弯部分限位设有多个轴承，通过限位的轴承保证上旋转块4和下旋转块5自由回转且高度位置不变。
实施例2，如图1所示，本实用新型中，两个SMA同轴端子1、两个带状线、一个带空心圆柱的上T型盖3、上旋转体a、下旋转体b和下盖板6共同形成了旋转关节的射频信号传输腔体，各零部件通过高精度止口和螺孔定位安装结合双轴承保证旋转关节动态设计同轴度。旋转关节SMA同轴端子1为50Ω标准阻抗SMA接口。
如图1、3、4、5所示，所述的上T型盖3的轴向金属空心圆柱、上旋转体a和下旋转体b形成的同轴波导特性阻抗可由下式求出：内壁半径和外壁半径分别记为a和b
a：内壁半径；
b：内壁半径；
为保证同轴波导内只传输主模TEM模，需要满足下述公式：
λmin＞π(a+b)
λmin：工作带宽内最小波长；
而所述的上T型盖3的下端面和上旋转体a装配后与中间的带状线2形成一个带状线波导腔体；所述的下盖板6的上端面和下旋转体b装配后与中间的另外一个带状线2形成一个带状线波导腔体。这两个带状线波导腔体尺寸完全相同，且传输的主模也为TEM模，空气填充的带状线特性阻抗经验公式为：
b1：带状线波导腔体高度；
Wε：带状线波导中心铜材带状线的有效宽度；
如图2所示，所述的上带状线2功分结构采用wilkinson功分器一分二再分四的形式，各对称位置尺寸相同。由图可见，该功分结构有5个电气端口，合成端口特性阻抗Z0，各分支端口负载阻抗为Zii＝1～4，对应端口命名为port1～4。带状线第一级分支长度均为λg/2λg—波导波长，特性阻抗均为Z01，第二级分支长度均为λg/4，特性阻抗均为Z02。由关节同轴波导圆对称性可知，处于耦合口处带圆孔的4个带状线分支负载阻抗Z1＝Z2＝Z3＝Z4＝Z。因此由微波传输线理论可知，Zii＝1～4映射到第一级分支的并联导纳均为因此第一级分支负载导纳为而由半波长传输线特性可知，该负载导纳映射到合成端口的并联导纳不变，考虑带状线对称性，因此具有下述公式结论：
可得结合带状线阻抗公式便可合理设置带状线宽度和腔体尺寸参数，为了阻抗匹配良好，带状线拐角处均设有切角。
如图1、4、5所示，所述的上旋转体a和下旋转体b之间的缝隙形成对应频段的扼流结构，扼流结构是非接触式关节必须设计的电气结构，从而满足了同轴波导内电气信号的无损传输。
如图1、2、4、7所示，针对微波元器件对工艺的高精度要求，本实用新型特殊设计了铜材带状线的安装方式，为了降低传输损耗，所述的带状线波导腔为空气填充，在同轴波导上下两头耦合口外均设有4个间隔90°夹角的矩形小凸台，这4个小凸台和对应的铜材带状线通过铆钉连接在一起，且为了保证带状线强度，厚度选择需大于0.5mm，固定后铜材带状线距离带状线波导腔体上端面和下端面尺寸相同。另外，所述的上下两个带状线波导腔体临近SMA同轴端子1的位置各有一个半圆形的凸台，凸台关于上带状线2对称，用于对SMA同轴端子1的阻抗匹配调节。
当旋转关节用于C频段f＝5.65GHz～7.5GHz时，同轴波导需满足(a+b)＜12.73mm，所述的上T型盖3的轴向金属圆柱为空心设计内壁直径要求为10mm，因此从电气上讲给同轴波导尺寸选择余地很小了，最后选择a＝5.75mm,b＝6.8mm，结合上述理论，铜材带状线宽度定为w＝3.38mm，厚度t＝1mm，带状线波导腔体高度T＝1.89mm，直径R＝18mm。最后得到旋转关节的驻波比HFSS仿真结果如图8所示，可见旋转关节的设计结果优良，满足常规站型天线使用需求。
本实用新型简要的工作原理如下：
该旋转关节电气结构包括同轴波导扼流单元、两端带状线波导功分结构和两端同轴输出端口三部分。同轴波导和带状线波导基模均为TEM模，当给关节一个SMA同轴端子1添加激励，这个SMA同轴端子1激励起的带状线波导内TEM模通过耦合口转变为同轴波导中的TEM模，然后经过扼流槽，将电磁能量再耦合到另一带状线波导内，最终从第二个SMA同轴端子1输出。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本实用新型创造，但并非限制本实用新型创造的保护范围。任何没有脱离本实用新型创造实质内容的各种变形、缩放、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均应落入本实用新型创造的保护范围。
Claims (10)
1.一种同轴旋转关节，其特征在于：包括上旋转体(a)和下旋转体(b)，上旋转体的中央形成竖直延伸的轴向圆柱部(a1)，下旋转体与轴向圆柱部同轴，上旋转体和下旋转体形成可自由回转的活动连接结构，上旋转体顶部设有上环形空腔(9)，下旋转体底部设有下环形空腔(10)，在上环形空腔中配装上带状线(2)，在下环形空腔中配装下带状线(11)，每个上带状线的合成端都与配装在上旋转体上的SMA同轴端子(1)相连，每个下带状线的合成端都与配装在下旋转体上的SMA同轴端子(1)相连，轴向圆柱部的外壁与上旋转体和下旋转体之间形成环形中空夹层(a2)，所述的中空夹层形成同轴波导空气腔，所述的同轴波导空气腔分别与上环形空腔和下环形空腔连通形成可自由回转的波导空腔结构，该波导空腔结构为传输信号的主通道。
2.根据权利要求1所述的一种同轴旋转关节，其特征在于：所述的上旋转体包括上T型盖(3)、上旋转块(4)，所述的下旋转体包括下盖板(6)、下旋转块(5)，所述的轴向圆柱部以上T型盖(3)的中心竖直向下延伸，位于轴向圆柱部的底部配装下盖板(6)，上旋转块(4)和下旋转块(5)设置在上T型盖(3)与下盖板(6)之间，上旋转块(4)和下旋转块(5)同轴配装在轴向圆柱部上，上旋转块(4)与下旋转块(5)形成可自由回转的活动连接结构，上旋转块上设有凹槽，上T型盖(3)与上旋转块所设有的凹槽形成上环形空腔(9)，下旋转块上设有凹槽，下盖板(6)与下旋转块所设有的凹槽形成下环形空腔(10)。
3.根据权利要求2所述的一种同轴旋转关节，其特征在于：所述的轴向圆柱部与上旋转块(4)和下旋转块(5)之间分别形成环形中空夹层，所述的环形中空夹层对接组成同轴波导空气腔(a2)。
4.根据权利要求1所述的一种同轴旋转关节，其特征在于：所述的上旋转块(4)和下旋转块(5)形成对向且重叠的第一折弯部分(451)，第一折弯部分留有缝隙形成扼流结构，所述的扼流结构与同轴波导空气腔相通。
5.根据权利要求4所述的一种同轴旋转关节，其特征在于：在上旋转块(4)和下旋转块(5)还形成有对向延伸且重叠的第二折弯部分(452)，第二折弯部分限位设有多个轴承，通过限位的轴承保证上旋转块(4)和下旋转块(5)自由回转且高度位置不变。
6.根据权利要求2所述的一种同轴旋转关节，其特征在于：所述的上环形空腔和下环形空腔都为环形腔体。
7.根据权利要求6所述的一种同轴旋转关节，其特征在于：上环形空腔与下环形空腔内都设有半圆形凹槽(12)，每个半圆形凹槽都位于对应SMA同轴端子(1)的下方。
8.根据权利要求7所述的一种同轴旋转关节，其特征在于：上带状线和下带状线结构相同，上带状线为为一分二再分四四端口带状线。
9.根据权利要求8所述的一种同轴旋转关节，其特征在于：每个半圆形凹槽的一侧都连接有短路通道，短路通道与外部环境接通。
10.根据权利要求6所述的一种同轴旋转关节，其特征在于：所述的轴向圆柱部两端分别穿入至上环形空腔和下环形空腔中，轴向圆柱部的每个穿入部分都开设有四个均分的带状线端子，一一对应对应的每个带状线分支拐角处开有切角。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108923103A (zh) * | 2018-08-23 | 2018-11-30 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种同轴旋转关节 |
| CN110661063A (zh) * | 2019-09-23 | 2020-01-07 | 嘉兴恩碧技电气有限公司 | 一种基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节 |
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2018
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| CN108923103B (zh) * | 2018-08-23 | 2024-03-26 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种同轴旋转关节 |
| CN110661063A (zh) * | 2019-09-23 | 2020-01-07 | 嘉兴恩碧技电气有限公司 | 一种基片集成波导馈电的宽带同轴旋转关节 |
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