一種緊湊型Ku波段波導旋轉(zhuǎn)關節(jié)的設計

零八一電子集團四川力源電子有限公司 王佳倫 諶國平

0 引言

微波旋轉(zhuǎn)關節(jié)通常指能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動部分與固定部分相對旋轉(zhuǎn)要求的饋線結(jié)構(gòu)器件，其常規(guī)技術指標要求有：低駐波、小損耗、高隔離（僅針對多路情況）。在各類機械掃描雷達系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)關節(jié)處于系統(tǒng)的咽喉部位，作用不可替代，因而是機械掃描雷達饋電系統(tǒng)中的關鍵元器件之一。隨著航空、航天雷達技術的發(fā)展，各類小型化、輕量化旋轉(zhuǎn)關節(jié)的需求日益增強，這就對旋轉(zhuǎn)關節(jié)的綜合設計提出了更高的要求。

1 工作原理

I型波導旋轉(zhuǎn)關節(jié)要求輸入、輸出端口的中心軸線相互重合，兩個端口保持平行且能夠?qū)崿F(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)（如圖1所示）。根據(jù)微波理論[1]可知，輸入端的矩形波導傳輸TE10模式電磁波，其截面電場分布不具備圓周對稱特性，為了實現(xiàn)關節(jié)360°的旋轉(zhuǎn)功能，須先將TE10模式電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)門EM模式/TM01模式電磁波，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)后再轉(zhuǎn)變?yōu)門E10模式電磁波輸出。

圖1 I型波導旋轉(zhuǎn)關節(jié)

2 技術指標及方案分析

2.1 技術指標

某雷達饋線系統(tǒng)需要的I型旋轉(zhuǎn)關節(jié)指標如下：工作頻段13.75GHz～14.50GHz，電壓駐波比VSWR≤1.20，插入損耗IL≤0.30dB；輸入、輸出均為BJ120波導端口，總長為58mm。

2.2 設計方案分析

以文獻[2]提供的波導關節(jié)結(jié)構(gòu)作為原型，將Port 2進行延長、彎曲（如圖2所示），使兩個端口中心軸線重合且端面保持平行，雖然能夠滿足電參數(shù)指標要求，但總長58mm難以保證（如果采用文獻[3]的TM01模式結(jié)構(gòu)，也會存在同樣問題），且由于內(nèi)導體探針圓球端完全處于懸空狀態(tài)，對加工、裝配要求的精度較高，特別是在劇烈震動/沖擊場合還可能發(fā)生結(jié)構(gòu)變形導致指標偏離。將文獻[2]提供的波導關節(jié)結(jié)構(gòu)按圖3進行改進，即：取Port 1所在的上半部進行鏡像，雖然能夠滿足上述技術要求，但由于內(nèi)導體兩端各自焊接成型，極有可能存在焊接導致腔體變形、內(nèi)外導體旋轉(zhuǎn)不同心等問題。

圖2 端口彎曲結(jié)構(gòu)

經(jīng)過對電性能指標、結(jié)構(gòu)尺寸、工藝實現(xiàn)難度等因素的綜合考慮，本文最終采用的是TE10→TEM→TE10的模式轉(zhuǎn)換方式，在圖3的基礎上將內(nèi)、外導體整體化設計，通過對TE10→TEM階梯轉(zhuǎn)換及扼流結(jié)構(gòu)的參數(shù)調(diào)整完成對器件整體性能的優(yōu)化，最終獲得了13.75GHz～14.50GHz，VSWR≤1.13，IL≤0.17dB的實測指標。

3 設計過程

3.1 TE10→TEM模式轉(zhuǎn)換器設計

脊波導與矩形波導在同截面情況下相比較，脊波導能夠獲得更寬的單模工作帶寬，因此本文在TE10→TEM模式轉(zhuǎn)換器設計中采用了脊波導階梯阻抗變換結(jié)構(gòu)。

為了使規(guī)定反射系數(shù)下變換結(jié)構(gòu)尺寸最短，采用了切比雪夫多項式進行設計。已知：，根據(jù)電壓駐波比要求并兼顧長度尺寸限制等因素，選定三節(jié)阻抗變換，其每節(jié)阻抗值為：式分別為脊波導的截面尺寸[4]（如圖4所示），根據(jù)式1-式3，即可計算出脊波導阻抗段的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖4 脊波導截面尺寸

3.2 扼流槽設計

旋轉(zhuǎn)關節(jié)的扼流槽主要有半波長串聯(lián)支線扼流結(jié)構(gòu)、電容耦合結(jié)構(gòu)以及徑向扼流結(jié)構(gòu)等類型。從工作頻段及結(jié)構(gòu)尺寸等方面綜合考慮，本文選擇了半波長串聯(lián)支線扼流結(jié)構(gòu)進行設計。

外導體半波長串聯(lián)支線扼流槽如圖5所示，其原理是：采用阻抗不同的兩節(jié)1/4波長支線級聯(lián)，一段終端短路，將機械接觸點設置于距離短路端1/4波長處，外導體縫隙等效于短路，使微波能量順利傳輸。外導體結(jié)構(gòu)不連續(xù)性引入的電壓駐波比可用式4-式8進行計算。

同軸線內(nèi)導體的直徑較小（φ3.04mm），按外導體扼流槽方式設計將面臨諸多結(jié)構(gòu)困難，因此將其設計成電容性結(jié)構(gòu)（如圖5所示），同軸線內(nèi)導體與圓波導的組合體等效于容性導納-jX，內(nèi)導體結(jié)構(gòu)不連續(xù)性引入的電壓駐波比可用式9進行計算。

圖5 扼流結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 整體結(jié)構(gòu)尺寸

3.3 工藝難點

為保證關節(jié)轉(zhuǎn)動過程中電參數(shù)起伏小、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、可靠性高，關節(jié)的轉(zhuǎn)動部分、固定部分均采用精密數(shù)控車削加工一次性裝夾完成，嚴格保證內(nèi)、外導體間的同軸度要求。同軸內(nèi)導體與阻抗變換臺階過渡部分采用精密數(shù)控電火花加工，在保證尺寸精度及位置度的同時盡量減少加工帶來的結(jié)構(gòu)變形。

4 仿真與測試

根據(jù)上述理論分析與計算方法，利用Matlab軟件和Ansoft HFSS軟件進行計算及電性能指標仿真，經(jīng)過多次優(yōu)化得到結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示：矩形波導口徑a=19.05mm，b=9.525mm；同軸線尺寸：φD=7mm，φd=3.04mm，總長L=20.2mm，內(nèi)外導體扼流槽間隙t=0.4mm；階梯尺寸：寬度W=2.9mm，L1=1.4mm，L2=4.57mm，L3=3.3mm，H1=1.22mm，H2=2.59mm，H3=3.06mm。

根據(jù)上述仿真尺寸，加工了2件關節(jié)實物（如圖7所示），典型的插入損耗IL測試結(jié)果如圖8所示，測試結(jié)果滿足技術要求。

圖7 實物圖

圖8 典型的插入損耗IL測試結(jié)果

電壓駐波比VSWR測試結(jié)果如圖9、圖10所示，將測試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對比，兩者吻合較好（如圖11所示）。

圖9 樣件1電壓駐波比的測試結(jié)果

圖10 樣件2電壓駐波比的測試結(jié)果

圖11 測試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)束語

本文設計了一種緊湊型Ku波段波導旋轉(zhuǎn)關節(jié)（I型結(jié)構(gòu)），在理論計算和仿真優(yōu)化的基礎上加工了實物，測試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)吻合良好，最終獲得了13.75GHz～14.50GHz頻段內(nèi)，電壓駐波比VSWR≤1.13，插入損耗IL≤0.17dB的實測指標，結(jié)構(gòu)全長僅58mm，且能夠進一步縮短至41mm，可廣泛應用于航空、航天等小型化、輕量化的雷達系統(tǒng)中。

引文

①廖承恩.微波技術基礎[M].西安:西安電子科技大學出版社,1994.

②鄧智勇,蘇麗,阮云國.Ka波段旋轉(zhuǎn)關節(jié)的設計[J].無線電通信技術,2009(02).

③張佳龍.濾波筒式圓波導旋轉(zhuǎn)關節(jié)的設計[J].火控雷達技術,2012(04).

④閻潤卿,李英惠.微波技術基礎[M].北京:北京理工大學出版社,1988.