張佳龍

(中國電子科技集團公司第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)過程中饋電傳輸線中的雷達(dá)發(fā)射或接收信號連續(xù)不斷。

從場結(jié)構(gòu)上看，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)一般可以分為兩個部分:旋轉(zhuǎn)部分和模式變換部分。旋轉(zhuǎn)部分的物理結(jié)構(gòu)和場分布必須具有軸對稱分布的特征，這樣才能保證在連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中獲得穩(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模式轉(zhuǎn)換為輸入輸出接口的傳輸線電磁場模式。為了實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)部分的傳輸線在物理上斷開，分別命名為轉(zhuǎn)子和定子，同時在斷開位置合理的設(shè)計四分之一波長的扼流槽來實現(xiàn)射頻信號的連續(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)垂直過渡，在垂直過渡的圓波導(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)因為損耗而產(chǎn)生的熱量，可以很容易的傳導(dǎo)到金屬外殼，并可通過風(fēng)冷將熱量帶走，從而保證旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)部不會因為溫度的升高而造成功率容量下降。但是，此類旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的工作帶寬比較窄，一般不超過5%，使得其應(yīng)用受到很大限制。

2 理論分析與設(shè)計

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;而通過如圖1 中所示的矩圓波導(dǎo)垂直過渡的模式變換之后，電磁場的模式變?yōu)榱藞A波導(dǎo)中的TM01模。TM01模的場分布具有軸對稱性，無極化簡并且波導(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，其場分布如圖2所示。

圖2 圓波導(dǎo)TM01模的場分布

2.1 圓波導(dǎo)中的傳輸模式和截止波長分布

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)中存在無窮多個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λc=2.613R。

同樣的，圓波導(dǎo)中存在無窮多個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λc=3.413R。TE21模是 TE 模中的次低次模，其截止波長 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分布

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

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

假設(shè)已知旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的中心工作頻率為f0，對應(yīng)中心工作波長為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)腔體長度L1、圓波導(dǎo)濾波筒長度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)過矩圓波導(dǎo)垂直過渡可以激勵起圓波導(dǎo)中的TM01模，同時由于不連續(xù)性，圓波導(dǎo)中還會激勵起主模TE11模和其它高次模。

圓波導(dǎo)中高次模的抑制可以通過適當(dāng)選擇圓波導(dǎo)的半徑R1來實現(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)計時可選擇R1=R2，當(dāng)仿真結(jié)果不能滿足要求時，可以稍微縮小濾波筒的半徑R2來調(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，圓波導(dǎo)中還可以傳輸TE11模。由于TE11模的場分布不是軸對稱的，因此在旋轉(zhuǎn)過程中TE11模的存在會使旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的輸出信號幅相變化很大，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)波長不同，可以適當(dāng)?shù)倪x擇濾波筒的長度，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)波長計算公式: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)濾波筒長度L2

根據(jù)上面的分析可知，選擇X=2.26484 時，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λc=2.613R，因此可得:

2.2.3 圓波導(dǎo)腔體長度L1

圓波導(dǎo)腔體的長度L1(兩個矩形波導(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)腔體長度太短時，在矩-圓波導(dǎo)垂直過渡處因為不連續(xù)性激勵起的高次模不能得到足夠的抑制，這些非軸對稱性場結(jié)構(gòu)的高次模的傳輸，會降低旋轉(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理論上的最短長度應(yīng)該為λg0(TM01)。

實際上，圓波導(dǎo)腔體的長度往往小于理論值，這是因為在矩-圓波導(dǎo)垂直過渡處，由于矩形波導(dǎo)的存在，圓波導(dǎo)的直徑實際上是增大了，相應(yīng)的λg0(TM01)就變小了。矩形波導(dǎo)的口徑越大，垂直過渡處的圓波導(dǎo)等效直徑越大，圓波導(dǎo)腔體長度縮短的就越多［5］。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，圓波導(dǎo)腔體的長度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 信息公開透明的特殊要求。公示承包經(jīng)營者的營業(yè)執(zhí)照、食品經(jīng)營許可證等資質(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)波長的一半，即:

實際上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確定。假設(shè)采用圓柱匹配銷，那么仿真計算還需要確定銷釘?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)計實例

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)計參數(shù)，然后借助微波電磁場仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真設(shè)計，修正理論設(shè)計的結(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)果見圖5，圖中四根曲線分別是兩個矩形波導(dǎo)相對偏轉(zhuǎn)0°、45°、90°和180°時的駐波。

圖5 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)駐波仿真結(jié)果

實際加工出來的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的駐波實測結(jié)果見圖6，圖中四根曲線分別是兩個矩形波導(dǎo)相對偏轉(zhuǎn)0°、45°、90°和180°的實測值。

圖6 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)駐波實測結(jié)果

可以看出，實測結(jié)果與圖5所示的仿真數(shù)據(jù)比較吻合，而且實測旋轉(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)過平均功率達(dá)20kW 的開機驗證，未出現(xiàn)過打火現(xiàn)象，工作穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

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

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