專利名稱:用于s單頻和x單頻傳輸?shù)碾p頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種用于S單頻和X單頻傳輸?shù)碾p頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，包括X頻段關(guān)節(jié)和S頻段關(guān)節(jié)，X頻段關(guān)節(jié)組成主要包括圓波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)和短路筒，所述短路筒位于圓波導(dǎo)的兩端且相互連通，所述矩形波導(dǎo)設(shè)置于圓波導(dǎo)的兩端的側(cè)圓面上，矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)之間通過(guò)耦合孔相互連通；S頻段關(guān)節(jié)組成主要包括同軸波導(dǎo)、二功分器、魔T和波導(dǎo)彎頭，所述同軸波導(dǎo)與圓波導(dǎo)同軸設(shè)置，且位于圓波導(dǎo)外側(cè)，在同軸波導(dǎo)與圓波導(dǎo)之間形成傳輸通道，所述二功分器分別位于同軸波導(dǎo)的兩端兩側(cè)，并且與同軸波導(dǎo)與圓波導(dǎo)之間的傳輸通道相互連通，所述魔T的兩個(gè)水平信號(hào)端口通過(guò)波導(dǎo)彎頭與二功分器的兩個(gè)信號(hào)端口相連通。本實(shí)用新型能同時(shí)傳輸S、X兩個(gè)頻段大功率射頻信號(hào)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以解決S+X雙頻合建天線上行大功率信號(hào)動(dòng)態(tài)傳輸?shù)囊蟆?br>【專利說(shuō)明】
用于S單頻和X單頻傳輸?shù)碾p頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種微波元件，尤其涉及一種能實(shí)現(xiàn)S單頻和X單頻同時(shí)傳輸?shù)碾p 頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002] 射頻信號(hào)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是雷達(dá)饋線系統(tǒng)的核心部件，其主要工作就是:保證用于大功 率微波信號(hào)傳輸?shù)酿伨€系統(tǒng)裝置(旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))在機(jī)械位置上作相對(duì)旋轉(zhuǎn)（一般為360°無(wú)限 制)運(yùn)動(dòng)時(shí)所傳輸信號(hào)電氣上低損耗且平穩(wěn)傳輸。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)工作是十分復(fù)雜和繁瑣 的，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)師碰到的難題往往就是:給出旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的尺寸限制，然后進(jìn)行電氣方案設(shè) 計(jì)。這就要求設(shè)計(jì)師將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)理論和工作原理與實(shí)際工作場(chǎng)合相結(jié)合，創(chuàng)造性的 提出可行性方案。
[0003] S單頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，目前S頻段的單頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)技術(shù)相對(duì)成熟，能保證大型S頻段 測(cè)控天線上行大功率微波信號(hào)在關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所傳輸信號(hào)電氣上低損耗且平穩(wěn)傳輸。其 缺點(diǎn)：僅能傳輸S頻段大功率單頻段微波信號(hào)，無(wú)法滿足S+X雙頻合建天線兩個(gè)不同頻段的 大功率微波信號(hào)同時(shí)傳播的實(shí)際使用要求。
[0004] X單頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，目前X頻段的單頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)技術(shù)相對(duì)成熟，能保證大型X頻段 測(cè)控天線上行大功率微波信號(hào)在關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所傳輸信號(hào)電氣上低損耗且平穩(wěn)傳輸。其 缺點(diǎn)：僅能傳輸X頻段大功率單頻段微波信號(hào)，無(wú)法滿足S+X雙頻合建天線兩個(gè)不同頻段的 大功率微波信號(hào)同時(shí)傳播的實(shí)際使用要求。
[0005] X+L旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)[1]是一種超大直徑的X、L雙頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案，該方法包括對(duì)零分 貝及同軸線刨開(kāi)圓環(huán)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)工作原理的分析，對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)組成、關(guān)鍵尺寸選擇、模 式匹配及通道間隔離設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是尺寸較大，在特殊安裝場(chǎng)合天線(如 船載天線）的狹小安裝空間無(wú)法安裝;X波段關(guān)節(jié)損耗偏大，不適合長(zhǎng)路徑傳輸高頻信號(hào);反 射系數(shù)大，駐波指標(biāo)偏高;實(shí)現(xiàn)了 X+L頻段的信號(hào)傳輸，不能完成S+X頻段信號(hào)傳輸，無(wú)法滿 足S+X雙頻合建天線兩個(gè)不同頻段的大功率微波信號(hào)同時(shí)傳播的實(shí)際使用要求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種插入損耗小、電壓 駐波比低、功率容量大，能同時(shí)傳輸S、X兩個(gè)頻段大功率射頻信號(hào)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以解決S+X雙 頻合建天線上行大功率信號(hào)動(dòng)態(tài)傳輸?shù)囊蟆?br>[0007] 本實(shí)用新型解決上述問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:一種用于S單頻和X單頻傳輸?shù)碾p 頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，包括X頻段關(guān)節(jié)和S頻段關(guān)節(jié)，X頻段關(guān)節(jié)組成主要包括圓波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)、短路 筒、及圓波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)之間的耦合孔，所述短路筒位于圓波導(dǎo)的兩端且相互連通，所述矩 形波導(dǎo)設(shè)置于圓波導(dǎo)的兩端的側(cè)圓面上，矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)之間通過(guò)耦合孔相互連通;S頻 段關(guān)節(jié)組成主要包括同軸波導(dǎo)、二功分器、魔T和波導(dǎo)彎頭，所述同軸波導(dǎo)與圓波導(dǎo)同軸設(shè) 置，且位于圓波導(dǎo)外側(cè)，在同軸波導(dǎo)與圓波導(dǎo)之間形成傳輸通道，所述二功分器是由兩個(gè)對(duì) 稱布置的小矩形波導(dǎo)組成，所述小矩形波導(dǎo)分別位于同軸波導(dǎo)的兩端兩側(cè)，并且與同軸波 導(dǎo)與圓波導(dǎo)之間的傳輸通道相互連通，所述魔T的兩個(gè)水平信號(hào)端口通過(guò)波導(dǎo)彎頭與二功 分器的兩個(gè)信號(hào)端口相連通。
[0008] 通過(guò)選取合適的矩形波導(dǎo)耦合孔徑位置及尺寸，將其傳輸模式(TE1Q模式)轉(zhuǎn)為同 軸波導(dǎo)傳輸模式(TEM);采用對(duì)稱激勵(lì)加魔T的方法來(lái)消除TEn模式，通過(guò)計(jì)算耦合孔的耦合 量以及魔T的功分性能，利用耦合處理的反相激勵(lì)，將TEn模式抵消，保證關(guān)節(jié)主體中只存在 TEM模式，從而完成了以TEM模式作為信號(hào)傳輸模式的S頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，其接口形式是 BJ22的矩形波導(dǎo)。通過(guò)選取矩形波導(dǎo)合適的耦合孔徑位置及尺寸，將其傳輸模式(TE1Q模式） 轉(zhuǎn)為圓波導(dǎo)傳輸模式(TM Q1模式）;在圓波導(dǎo)中選擇合適的激勵(lì)位置，使圓波導(dǎo)中的TMQ1模激 勵(lì)最大，同時(shí)基模激勵(lì)最小;通過(guò)選取合適的圓波導(dǎo)短路位置，再次對(duì)基模加以抑制，從而 完成以TM Q1模式作為信號(hào)傳輸模式的X頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，其接口采用BJ84矩形波導(dǎo)。將S/X 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以同軸嵌套形式結(jié)合在一起，根據(jù)關(guān)節(jié)通路的排布形式，選擇不同的扼流槽，包括 S型和改進(jìn)L型扼流槽，最終完成整個(gè)S/X雙頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。
[0009] 在通路的布局上使用兩通路同軸嵌套的形式，將X頻段的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)布置于軸心部 分，使用圓波導(dǎo)作為關(guān)節(jié)主體。
[0010] S頻段波導(dǎo)采用對(duì)稱激勵(lì)的形式，使用二功分器將同軸線基模激勵(lì)出來(lái)，同時(shí)抑制 第一個(gè)高次模。當(dāng)同軸線中的信號(hào)被耦合進(jìn)矩形波導(dǎo)后，利用魔T將耦合出的信號(hào)合成并輸 出。
[0011] X頻段波導(dǎo)選擇在圓波導(dǎo)的合適位置開(kāi)耦合孔以達(dá)到對(duì)TMQ1的激勵(lì)，同時(shí)選擇合適 的短路筒高度以對(duì)TEn模式進(jìn)行抑制。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0013] ⑴電氣性能指標(biāo)高，能夠同時(shí)傳輸S/X頻段射頻信號(hào)。
[0014] ⑵結(jié)構(gòu)緊湊，能夠安裝在天線中心體狹小空間內(nèi)。
[0015] ⑶承載能力強(qiáng)，能夠耐壓>l〇〇〇W。
[0016]⑷信號(hào)傳輸損耗小，插損<0.4dB。
[0017] (5)反射系數(shù)低，電壓駐波比< 1.15:1。
[0018] (6)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)易于加工制造。
【附圖說(shuō)明】

[0019] 圖1為S/X雙頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為X頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖3為同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)矩形波導(dǎo)的二功分器仿真圖；
[0022]圖4為魔T仿真圖；
[0023]圖5為波導(dǎo)彎頭過(guò)渡仿真圖；
[0024]圖6為S頻段關(guān)節(jié)部分組成仿真圖；
[0025]圖7為雙頻段關(guān)節(jié)整體軸向剖示圖；
[0026] 圖8為X頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)功率容量仿真結(jié)果；
[0027] 圖9為S頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)功率容量仿真結(jié)果。
[0028] 其中：
[0029] 圓波導(dǎo)1、矩形波導(dǎo)2、短路筒3、耦合孔4、同軸波導(dǎo)5、二功分器6、魔T7、波導(dǎo)彎頭8。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0031 ]本實(shí)施例中的一種用于S單頻和X單頻傳輸?shù)碾p頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在一個(gè)關(guān)節(jié)中同時(shí)傳 輸S與X頻段的射頻信號(hào)，關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)兩個(gè)通道，分別傳輸S頻段與X頻段的發(fā)射信號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)分 別對(duì)兩路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在各個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)完成后，將兩路關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，使旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 整體具有同時(shí)傳輸S與X頻段的能力。關(guān)節(jié)示意圖如圖1所示。
[0032] (1)Χ頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)與仿真
[0033] X頻段關(guān)節(jié)組成主要包括圓波導(dǎo)1、矩形波導(dǎo)2、短路筒3、及圓波導(dǎo)1與矩形波導(dǎo)2之 間的耦合孔4,所述短路筒3位于圓波導(dǎo)1的兩端且與短路筒3連通，所述矩形波導(dǎo)2設(shè)置于圓 波導(dǎo)1的兩端的側(cè)圓面上，矩形波導(dǎo)2與圓波導(dǎo)1之間通過(guò)耦合孔4相互連通，X頻段信號(hào)由其 中一個(gè)矩形波導(dǎo)2通過(guò)耦合孔4進(jìn)入圓波導(dǎo)1，再經(jīng)過(guò)圓波導(dǎo)1由另一個(gè)耦合孔4傳送至另一 個(gè)矩形波導(dǎo)2出來(lái)，X頻段關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，其主要關(guān)鍵技術(shù)在于如何激勵(lì)ΤΜοι模式，同時(shí) 避免激勵(lì)TEn模式。選擇在圓波導(dǎo)1的合適位置開(kāi)耦合孔4以達(dá)到對(duì)TM Q1的激勵(lì)，同時(shí)選擇合 適的短路桶3高度以對(duì)TEn模式進(jìn)行抑制。如圖2所示，短路桶3的高度決定了對(duì)TEn模式的 抑制度以及對(duì)TM q1模式的激勵(lì)程度，設(shè)計(jì)時(shí)先對(duì)半個(gè)X頻段關(guān)節(jié)的組成進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真建 模，因關(guān)節(jié)屬于上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，計(jì)算好半個(gè)關(guān)節(jié)后，將關(guān)節(jié)整體組合起來(lái)后的電氣性能不會(huì) 改變，這樣，根據(jù)仿真模型，X波導(dǎo)式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)各部位的尺寸就可以初步選定。以選定的尺寸 通過(guò)使用高頻仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，調(diào)整選取適當(dāng)?shù)某叽缃?jīng)改變圓波導(dǎo)與標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo) 加入階梯式過(guò)渡段，調(diào)整耦合孔徑大小及位置，便可計(jì)算獲得滿足或高于工程所提技術(shù)指 標(biāo)要求，其駐波曲線計(jì)算結(jié)果低于_30dB。再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算，使整個(gè)關(guān)節(jié)的電氣性能 處于優(yōu)良狀態(tài)。
[0034] (2)S頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)與仿真
[0035] S頻段關(guān)節(jié)組成主要包括同軸波導(dǎo)5、二功分器6、魔T7和波導(dǎo)彎頭8。所述同軸波導(dǎo) 5與圓波導(dǎo)1同軸設(shè)置，且位于圓波導(dǎo)1外側(cè)，在同軸波導(dǎo)5與圓波導(dǎo)1之間形成頻率傳輸通 道，所述二功分器6是由兩個(gè)對(duì)稱布置的小矩形波導(dǎo)組成，所述小矩形波導(dǎo)分別位于同軸波 導(dǎo)5的兩端兩側(cè)，并且與同軸波導(dǎo)5與圓波導(dǎo)1之間的傳輸通道相互連通，由于二功分器6的 小矩形波導(dǎo)的高度小于魔T7的矩形波導(dǎo)高度，因此所述魔T7的兩個(gè)水平信號(hào)端口通過(guò)波導(dǎo) 彎頭8與二功分器6的兩個(gè)信號(hào)端口相連通，S旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，這是由于S頻段關(guān) 節(jié)除了要提供S頻段的信號(hào)通道以外，同時(shí)還要提供X頻段關(guān)節(jié)的工作空間。設(shè)計(jì)時(shí)同樣先 對(duì)半個(gè)S頻段關(guān)節(jié)的組成進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真建模，具體設(shè)計(jì)如下：
[0036]①二功分器設(shè)計(jì)
[0037] S頻段關(guān)節(jié)需要采用對(duì)稱激勵(lì)的形式，這里需要同軸波導(dǎo)5轉(zhuǎn)矩形波導(dǎo)的二功分器 6，使同軸線的基本模式（TEM模式）可以被激勵(lì)出來(lái)，同時(shí)使得同軸線中第一個(gè)高次模式 (TEn模式)被抑制。這種同軸波導(dǎo)5轉(zhuǎn)矩形波導(dǎo)的二功分器6如圖3所示，經(jīng)建模仿真，單個(gè)部 件反射損耗已降至_38dB以下。
[0038] ②魔T設(shè)計(jì)
[0039]當(dāng)同軸波導(dǎo)5中的信號(hào)被分別耦合進(jìn)二功分器6的矩形波導(dǎo)后，再利用魔T7將分別 耦合出來(lái)的信號(hào)合成并輸出，魔T7結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。當(dāng)同相的信號(hào)由A端口和B端口分別輸 入后，合成信號(hào)將從C端口輸出，D端口則是隔離端口，可以在這里安放大功率負(fù)載或者作為 氣冷設(shè)備的端口使用，經(jīng)建模仿真，單個(gè)部件反射損耗降至_27dB以下。
[0040] ③波導(dǎo)彎頭過(guò)渡段設(shè)計(jì)
[0041] 同軸波導(dǎo)5轉(zhuǎn)矩形波導(dǎo)的二功分器7的小矩形波導(dǎo)6.1端口尺寸與魔T8的矩形波導(dǎo) 端口尺寸是不同的，因此需要矩形波導(dǎo)過(guò)渡將兩者連接起來(lái)，同時(shí)也需要使用到波導(dǎo)彎頭 8。為了使關(guān)節(jié)的尺寸更小一些，將波導(dǎo)彎頭8與波導(dǎo)過(guò)渡設(shè)計(jì)成一個(gè)部件，可以使其同時(shí)擁 有上述兩個(gè)功能。這種波導(dǎo)彎頭過(guò)渡如圖5所示，經(jīng)建模仿真，單個(gè)部件反射損耗降至_34dB 以下。
[0042] 當(dāng)S頻段關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)完單個(gè)部件后，將它們組合在一起，如圖6所示。先計(jì)算半個(gè)關(guān)節(jié) 的電氣性能，S頻段半個(gè)關(guān)節(jié)的反射損耗已降至-28dB以下。將整體關(guān)節(jié)系統(tǒng)組合起來(lái)，電 氣性能就接近于良好狀態(tài)，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，使S頻段關(guān)節(jié)的整體電氣性能達(dá)到所期望的 狀態(tài)。
[0043] (3)雙頻關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)
[0044]當(dāng)單個(gè)頻段的關(guān)節(jié)分別設(shè)計(jì)完成后，將兩通道結(jié)合起來(lái)，這樣整體關(guān)節(jié)就具有S/X 頻段同時(shí)傳輸?shù)墓δ?。S/X雙頻段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)剖視圖如圖7所示。
[0045] (4)主要指標(biāo)仿真結(jié)果：
[0046] 采用本發(fā)明通過(guò)HFSS軟件進(jìn)行了仿真分析，雙頻關(guān)節(jié)在S/X頻段電氣性能的計(jì)算 仿真結(jié)果均能滿足指標(biāo)要求，雙頻段關(guān)節(jié)功率容量仿真結(jié)果如圖圖9所示。各計(jì)算結(jié)果 如下表1所列：
[0047] 表1雙頻段關(guān)節(jié)電氣性能計(jì)算結(jié)果
[0049] 采用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的S/X雙頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)已成功應(yīng)用于某大型船載測(cè)控天線上。
[0050] 本發(fā)明也適用于單通道旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)。
[0051] 除上述實(shí)施例外，本實(shí)用新型還包括有其他實(shí)施方式，凡采用等同變換或者等效 替換方式形成的技術(shù)方案，均應(yīng)落入本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于S單頻和X單頻傳輸?shù)碾p頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其特征在于：它包括X頻段關(guān)節(jié)和S頻 段關(guān)節(jié)，X頻段關(guān)節(jié)組成主要包括圓波導(dǎo)（1)、矩形波導(dǎo)(2)、短路筒(3)、及圓波導(dǎo)（1)與矩形 波導(dǎo)（2)之間的耦合孔(4)，所述短路筒(3)位于圓波導(dǎo)（1)的兩端且相互連通，所述矩形波 導(dǎo)（2)設(shè)置于圓波導(dǎo)（1)的兩端的側(cè)圓面上，矩形波導(dǎo)（2)與圓波導(dǎo)（1)之間通過(guò)耦合孔(4) 相互連通;S頻段關(guān)節(jié)組成主要包括同軸波導(dǎo)（5)、二功分器(6)、魔T(7)和波導(dǎo)彎頭(8)，所 述同軸波導(dǎo)(5)與圓波導(dǎo)（1)同軸設(shè)置，且位于圓波導(dǎo)（1)外側(cè)，在同軸波導(dǎo)(5)與圓波導(dǎo)（1) 之間形成傳輸通道，所述二功分器(6)是由兩個(gè)對(duì)稱布置的小矩形波導(dǎo)組成，所述小矩形波 導(dǎo)分別位于同軸波導(dǎo)（5)的兩端兩側(cè)，并且與同軸波導(dǎo)（5)與圓波導(dǎo)（1)之間的傳輸通道相 互連通，所述魔Τ(7)的兩個(gè)水平信號(hào)端口通過(guò)波導(dǎo)彎頭(8)與二功分器(6)的兩個(gè)信號(hào)端口 相連通。
【文檔編號(hào)】H01P1/06GK205723878SQ201620394158
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年5月5日
【發(fā)明人】毛南平, 房新兵, 何劍偉, 瞿元新, 潘高峰, 李紅艷, 劉為民, 劉洋, 劉四方, 徐光明, 夏利利, 薛軍, 王萍
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍63680部隊(duì)