濾波筒式圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

張佳龍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38 研究所 合肥 230031)

1 引言

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是雷達(dá)饋電傳輸線中的關(guān)鍵元器件之一，在各類機(jī)械掃描的雷達(dá)系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的作用是保持天線在連續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中饋電傳輸線中的雷達(dá)發(fā)射或接收信號(hào)連續(xù)不斷。

從場(chǎng)結(jié)構(gòu)上看，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)一般可以分為兩個(gè)部分:旋轉(zhuǎn)部分和模式變換部分。旋轉(zhuǎn)部分的物理結(jié)構(gòu)和場(chǎng)分布必須具有軸對(duì)稱分布的特征，這樣才能保證在連續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中獲得穩(wěn)定的輸出，例如同軸線中的TEM 模、圓波導(dǎo)中的TM01模等;模式變換部分則是將旋轉(zhuǎn)部分的傳輸線電磁場(chǎng)模式轉(zhuǎn)換為輸入輸出接口的傳輸線電磁場(chǎng)模式。為了實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)部分的傳輸線在物理上斷開(kāi)，分別命名為轉(zhuǎn)子和定子，同時(shí)在斷開(kāi)位置合理的設(shè)計(jì)四分之一波長(zhǎng)的扼流槽來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的連續(xù)傳輸。

本文討論的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其輸入輸出接口是矩形波導(dǎo)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的傳輸線是圓波導(dǎo)，圓波導(dǎo)直徑大于矩形波導(dǎo)的寬邊尺寸，矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)相互垂直，構(gòu)成了矩-圓波導(dǎo)垂直過(guò)渡，在垂直過(guò)渡的圓波導(dǎo)兩端各有一段圓波導(dǎo)濾波筒，此類旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)我們稱之為濾波筒式圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其外形結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 濾波筒式圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的外形結(jié)構(gòu)示意圖

這種濾波筒式圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)是低損耗、旋轉(zhuǎn)相位穩(wěn)定和耐高功率，特別是在平均功率很大的情況下，此類旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)因?yàn)閾p耗而產(chǎn)生的熱量，可以很容易的傳導(dǎo)到金屬外殼，并可通過(guò)風(fēng)冷將熱量帶走，從而保證旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)部不會(huì)因?yàn)闇囟鹊纳叨斐晒β嗜萘肯陆?。但是，此類旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的工作帶寬比較窄，一般不超過(guò)5%，使得其應(yīng)用受到很大限制。

2 理論分析與設(shè)計(jì)

濾波筒式圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的輸入輸出接口是矩形波導(dǎo)，其工作模式是TE10模;而通過(guò)如圖1 中所示的矩圓波導(dǎo)垂直過(guò)渡的模式變換之后，電磁場(chǎng)的模式變?yōu)榱藞A波導(dǎo)中的TM01模。TM01模的場(chǎng)分布具有軸對(duì)稱性，無(wú)極化簡(jiǎn)并且波導(dǎo)內(nèi)壁的面電流只有縱向分量，因此常將這種模式用作旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中的工作模式，其場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 圓波導(dǎo)TM01模的場(chǎng)分布

2.1 圓波導(dǎo)中的傳輸模式和截止波長(zhǎng)分布

圓波導(dǎo)是內(nèi)壁半徑為R的圓形金屬管，和矩形波導(dǎo)一樣，圓波導(dǎo)有兩類傳輸模式，即TM 模和TE 模。

圓波導(dǎo)中存在無(wú)窮多個(gè)TMmn模式，在這些模式中，m可以為零，而n不能為零，TM01模是TM 模中的最低次模，其截止波長(zhǎng)λc=2.613R。

同樣的，圓波導(dǎo)中存在無(wú)窮多個(gè)TEmn模式，在這些模式中，m可以為零，而n不能為零。TE11模是TE 模中的最低次模，其截止波長(zhǎng)λc=3.413R。TE21模是 TE 模中的次低次模，其截止波長(zhǎng) λc=2.057R［1］。

圖3 半徑為R 的圓波導(dǎo)中的常用模式截止波長(zhǎng)分布

圓波導(dǎo)中的三個(gè)常用模式即:主模TE11模，次主模TM01模，高次模TE21，其它模式的截止波長(zhǎng)均小于TE21模，也屬于高次模。它們的截止波長(zhǎng)分布情況如圖3所示。

2.2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸的理論設(shè)計(jì)

假設(shè)已知旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的中心工作頻率為f0，對(duì)應(yīng)中心工作波長(zhǎng)為λ0，矩形波導(dǎo)寬邊和窄邊尺寸分別為a和b。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)需要設(shè)計(jì)確定的結(jié)構(gòu)尺寸有:圓波導(dǎo)半徑R1、圓波導(dǎo)濾波筒半徑R2、圓波導(dǎo)腔體長(zhǎng)度L1、圓波導(dǎo)濾波筒長(zhǎng)度L2、匹配銷與圓波導(dǎo)中心間距L3，如圖4所示。

2.2.1 圓波導(dǎo)半徑R1與濾波筒半徑R2

矩形波導(dǎo)中的TE10模經(jīng)過(guò)矩圓波導(dǎo)垂直過(guò)渡可以激勵(lì)起圓波導(dǎo)中的TM01模，同時(shí)由于不連續(xù)性，圓波導(dǎo)中還會(huì)激勵(lì)起主模TE11模和其它高次模。

圓波導(dǎo)中高次模的抑制可以通過(guò)適當(dāng)選擇圓波導(dǎo)的半徑R1來(lái)實(shí)現(xiàn)［2］，使它滿足:

2.057R1=λc(TE21)＜λ0＜λc(TM01)=2.613R1

即:

圖4 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

一般的，在初始設(shè)計(jì)時(shí)可選擇R1=R2，當(dāng)仿真結(jié)果不能滿足要求時(shí)，可以稍微縮小濾波筒的半徑R2來(lái)調(diào)配旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的性能。

TM01模不是圓波導(dǎo)中的最低次模，當(dāng)R1的大小滿足上式的取值范圍時(shí)，圓波導(dǎo)中還可以傳輸TE11模。由于TE11模的場(chǎng)分布不是軸對(duì)稱的，因此在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中TE11模的存在會(huì)使旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的輸出信號(hào)幅相變化很大，應(yīng)想辦法濾除TE11模。這一任務(wù)就由兩端的圓波導(dǎo)短路圓筒(濾波筒)來(lái)完成［3］。

濾波筒工作于駐波狀態(tài)，它串接于矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)構(gòu)成的主傳輸線上。根據(jù)TE11模和TM01模在圓波導(dǎo)中的波導(dǎo)波長(zhǎng)不同，可以適當(dāng)?shù)倪x擇濾波筒的長(zhǎng)度，使得:

(式中:m=0，1，2，3…，n=1，2，3…)

根據(jù)式(2)和已知的波導(dǎo)波長(zhǎng)計(jì)算公式:λg0=，選擇m和n的不同取值，可以得到濾波筒的半徑R2與中心波長(zhǎng)λ0的比值關(guān)系，如表1所示。

表1 濾波筒的半徑R2 與中心波長(zhǎng)λ0 的比值關(guān)系

根據(jù)式(1)可知x的取值范圍是:2.057≤x≤2.613，為了更好的抑制TE11模，應(yīng)選擇x 的值盡量接近2.057，因此可以確定x=2.26484，相應(yīng)的可以得到:

2.2.2 圓波導(dǎo)濾波筒長(zhǎng)度L2

根據(jù)上面的分析可知，選擇X=2.26484 時(shí)，m和n的取值分別為1 和0，因此從式(2)可以得到:

TM01模的截止波長(zhǎng)λc=2.613R，因此可得:

2.2.3 圓波導(dǎo)腔體長(zhǎng)度L1

圓波導(dǎo)腔體的長(zhǎng)度L1(兩個(gè)矩形波導(dǎo)窄邊的中心線間距)主要影響旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的工作帶寬和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，理論上L1應(yīng)選擇為圓波導(dǎo)TM01模波導(dǎo)波長(zhǎng)的一半的整數(shù)倍，即:

為了使旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的工作帶寬盡可能的寬，L1越短越好，但是當(dāng)圓波導(dǎo)腔體長(zhǎng)度太短時(shí)，在矩-圓波導(dǎo)垂直過(guò)渡處因?yàn)椴贿B續(xù)性激勵(lì)起的高次模不能得到足夠的抑制，這些非軸對(duì)稱性場(chǎng)結(jié)構(gòu)的高次模的傳輸，會(huì)降低旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的功率容量，并影響旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性;另外，矩形波導(dǎo)的法蘭寬度、旋轉(zhuǎn)扼流結(jié)構(gòu)和軸承厚度等也決定了圓波導(dǎo)腔體的長(zhǎng)度不能太短，這一限制在C波段以上更為明顯。因此，L1理論上的最短長(zhǎng)度應(yīng)該為λg0(TM01)。

實(shí)際上，圓波導(dǎo)腔體的長(zhǎng)度往往小于理論值，這是因?yàn)樵诰?圓波導(dǎo)垂直過(guò)渡處，由于矩形波導(dǎo)的存在，圓波導(dǎo)的直徑實(shí)際上是增大了，相應(yīng)的λg0(TM01)就變小了。矩形波導(dǎo)的口徑越大，垂直過(guò)渡處的圓波導(dǎo)等效直徑越大，圓波導(dǎo)腔體長(zhǎng)度縮短的就越多［5］。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，圓波導(dǎo)腔體的長(zhǎng)度L1應(yīng)滿足:

式中，n=1，2，3…;b是矩形波導(dǎo)的窄邊尺寸。

7.2 信息公開(kāi)透明的特殊要求。公示承包經(jīng)營(yíng)者的營(yíng)業(yè)執(zhí)照、食品經(jīng)營(yíng)許可證等資質(zhì)證明以及食品原料供應(yīng)渠道及品牌、主要食品原料的成本。

2.2.4 匹配銷與圓波導(dǎo)中心間距L3

為了減小電壓駐波比，需要在矩形波導(dǎo)內(nèi)采用對(duì)稱感性匹配銷進(jìn)行匹配。匹配銷可以用矩形膜片，也可以用圓柱銷釘。

匹配銷與圓波導(dǎo)中心間距L3理論上應(yīng)該選擇為矩形波導(dǎo)TE10模波導(dǎo)波長(zhǎng)的一半，即:

實(shí)際上L3一般比要大，其具體數(shù)值由需要借助仿真軟件修正。另外，匹配銷的尺寸也需要借助仿真軟件來(lái)確定。假設(shè)采用圓柱匹配銷，那么仿真計(jì)算還需要確定銷釘?shù)闹睆紻和銷釘與矩形波導(dǎo)寬邊中心線的距離L4。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)指標(biāo)要求，先確定旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)尺寸的初始設(shè)計(jì)參數(shù)，然后借助微波電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，修正理論設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

某C 波段高功率旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的指標(biāo)要求是:頻率范圍4.25 ～4.35GHz，駐波≤1.2，系統(tǒng)要求選用BJ48 的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)作為傳輸線。

已知條件為:中心頻率f0=4.3GHz，矩形波導(dǎo)尺寸a=47.55mm，b=22.15mm。根據(jù)上述式(3)～式(6)可以確定初各個(gè)初始結(jié)構(gòu)尺寸，借助HFSS仿真軟件，可以得到修正值。如下表2所示。

表2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)初始結(jié)構(gòu)尺寸和修正值

根據(jù)修正后的結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)建旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)仿真模型，其駐波仿真結(jié)果見(jiàn)圖5，圖中四根曲線分別是兩個(gè)矩形波導(dǎo)相對(duì)偏轉(zhuǎn)0°、45°、90°和180°時(shí)的駐波。

圖5 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)駐波仿真結(jié)果

實(shí)際加工出來(lái)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的駐波實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6，圖中四根曲線分別是兩個(gè)矩形波導(dǎo)相對(duì)偏轉(zhuǎn)0°、45°、90°和180°的實(shí)測(cè)值。

圖6 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)駐波實(shí)測(cè)結(jié)果

可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與圖5所示的仿真數(shù)據(jù)比較吻合，而且實(shí)測(cè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的插損小于0.1dB，插損旋轉(zhuǎn)起伏小于0.05dB，相位旋轉(zhuǎn)起伏小于1°。此旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)經(jīng)過(guò)平均功率達(dá)20kW 的開(kāi)機(jī)驗(yàn)證，未出現(xiàn)過(guò)打火現(xiàn)象，工作穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

在設(shè)計(jì)此類帶有濾波筒的圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)，按照本文所述的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)公式，可以快速得到基本滿足指標(biāo)要求的各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)應(yīng)用微波電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，就可以省去大量的調(diào)試工作并保證一次設(shè)計(jì)成功，繼而獲得性能優(yōu)良的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)物。

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