專利名稱：Ka頻段大功率波導旋轉關節的制作方法
技術領域：
本發明屬于微波通信領域，涉及一種大功率旋轉關節，特別是一種雙邊對稱激勵 的Ka頻段大功率波導旋轉關節。
背景技術：
在微波通信中，旋轉關節用以在動態的天線系統與靜態的發射系統及接收系統之 間實現微波信號的傳遞，所以其結構設計要在盡可能滿足電氣性能要求的同時，又滿足天 線動態運動的結構要求。目前常用的旋轉關節，有加載介質的同軸旋轉關節和采用單邊激勵的全波導TMOl 模旋轉關節。采用加載介質的同軸旋轉關節，由于介質的損耗較大，因此會導致較大的熱 耗產生，不利于星上大功率使用。采用單邊激勵的全波導TMOl模旋轉關節，由于單邊激勵 TMOl模轉換器對基模(TEll)的抑制是非寬帶的，受加工影響大，對Ka頻段尤為明顯，因此 會導致較大的插入損耗和轉動過程中駐波比和插入損耗較大的周期性波動。為了實現低損耗和轉動過程中電性能的平穩性，旋轉關節必須為全波導結構和對 TEll模在工作帶寬內實現40dB以上的抑制。目前有的單位采用對稱激勵的TMOl模轉換 器，如圖1所示，可以在較寬的帶寬內實現對TEll模的抑制。但是該TMOl模轉換器采用雙 縫對稱激勵，由于雙縫較窄，因此微放電余量小，不利于大功率使用，并且由于雙縫激勵時 短路面的影響，使得雙縫附近的電場出現局部不均勻性，導致其對TEll模的抑制在Y方向 與頻率相關性加大，抑制帶寬變窄。
發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術不足，提供一種有利于大功率使用、電性能 平穩、損耗小的Ka頻段大功率波導旋轉關節。本發明的技術解決方案是Ka頻段大功率波導旋轉關節，分為相互連接的上半部 分和下半部分，其上半部分和下半部分分別由一個H面T形分支和一個TMOl模轉換部分連 接形成；TMOl模轉換部分包括一個矩形直波導和一個圓波導；圓波導位于矩形直波導的中 心位置，與矩形直波導的寬邊對接，矩形直波導相對于圓波導的圓心呈對稱形式；H面T形 分支的兩個分支與矩形直波導的兩個端口連接。所述旋轉關節的上下兩部分通過扼流槽和軸承相連。所述扼流槽為深度λ/4的雙槽組成，其中λ為旋轉關節的中心波長。所述H面T形分支的公共口寬邊上有一調諧螺釘，兩個分支為拐彎臺階過渡的形 式，H面T形分支通過調諧螺釘和拐彎臺階過渡實現匹配。所述矩形直波導的寬度a = 0.72X，其中λ為旋轉關節的中心波長，厚度b = 0. 2a ；所述圓波導的半徑r的選擇需滿足2. 61r> λ >2.06r，其中λ為旋轉關節的中 心波長。
所述整個旋轉關節為全金屬結構。 本發明的原理是利用矩形波導里TElO模的橫向場與圓波導里TMOl模的縱向場 電場場型相似的特點，把矩形波導里的TElO模轉化成圓波導里的TMOl模，通過適當匹配， 可以獲得矩形波導TElO模到圓波導TMOl模的強耦合。本發明在利用了這個基本原理的基 礎上，為了進一步獲得高的TEll模抑制度，采用了雙邊對稱激勵的方式，使得矩形波導里 兩路等幅同相的TElO模在圓波導里激勵起來的TEll模等幅反相，從而實現了對TEll模的 高度抑制，由于TMOl模是差模，因此矩形波導里兩路等幅同相的TElO模在圓波導激勵起來 的TMOl模是等幅同相的。這種雙邊對稱激勵對圓波導里所有的和模具有和TEll模相同的 抑制作用，但是對所有的差模不具有抑制作用，因此，除過旋轉關節工作模式TMOl模外，其 余差模如TE21模等更高的模式通過選擇合適的圓波導半徑來抑制。本發明與現有技術相比的優點在于(1)本發明使用雙邊對稱激勵TMOl模的方法，該方法中采用H面T形分支把一路 信號分解成兩路等幅同相的信號，在抑制TEll模時與頻率相關性大大降低，因此在較寬的 帶寬內實現了對TEll模的高度抑制，實現了旋轉關節在轉動時電性能的平穩性。(2)本發明采用了全波導結構，無任何介質加載，并且對微放電做了全面考慮，因 此有效降低了旋轉關節的插入損耗，有利于大功率使用。(3)本發明抑制TEll模的方法與頻率相關性低，只與結構的對稱性有關，加工誤 差造成的微小不對稱性對TE 11模的抑制影響較小，可以在較寬的帶寬內實現對TEll模較 高的抑制。這種特性對在Ka頻段的使用非常有利。(4)本發明中H面T形分支的設計考慮了旋轉關節整體尺寸大小，設計中把過渡放 置在H面T形分支的兩個分支處而不是公共口，這樣有效的節省了旋轉關節的橫向和徑向 尺寸，滿足了星上對空間和重量的苛刻要求。如果不受空間限制，過渡也可以放在H面T形 分支的公共口處。
圖1為背景技術的雙縫對稱激勵的TMOl模轉換器示意圖；圖2為本發明的Ka頻段大功率波導旋轉關節的側視原理圖；圖3為本發明的Ka頻段大功率波導旋轉關節的H面T形分支的俯視圖；圖4為本發明的Ka頻段大功率波導旋轉關節的TMOl模轉換部分示意圖；圖5為本發明的Ka頻段大功率波導旋轉關節的扼流槽剖視圖；圖6為本發明的Ka頻段大功率波導旋轉關節的TElO到TMOl模轉換示意圖；圖7為本發明的Ka頻段大功率波導旋轉關節的TMOl模轉換部分對稱性示意圖；圖8為實施例中在不同的旋轉角度時駐波比曲線；圖9為實施例中在不同的旋轉角度時插損曲線；圖10為實施例中的TMOl模轉換部分對基模TEll和TE21模的抑制度曲線。
具體實施例方式如附圖2所示，本發明的旋轉關節分為相互連接的上半部分和下半部分，其上半 部分和下半部分分別由一個H面T形分支1和一個TMOl模轉換部分2連接形成；TMOl模轉換部分2包括一個矩形直 波導20和一個圓波導21，如圖4所示，圓波導21與矩形直波導 20的寬邊對接；如圖7所示，在TMOl模轉換部分2的俯視圖中，矩形直波導20相對于圓波 導21左右，上下對稱；H面T形分支1的兩個分支端口分別與矩形直波導20的兩個端口相 連。旋轉關節的上下兩部分通過扼流槽3和軸承4相連。如圖3所示，H面T形分支1還包括一顆調諧螺釘10和兩個拐彎臺階過渡11。H 面T形分支1的公共口寬邊上有一調諧螺釘10，兩個分支為拐彎臺階過渡11的形式，H面 T形分支1通過調諧螺釘10和拐彎臺階過渡11實現匹配。TMOl模轉換部分2如圖4，本實施例中，矩形直波導20的寬度a = 0. 72 λ，厚度b =0. 2a。扼流槽3為深度為λ /4的雙槽組成，λ為旋轉關節的中心波長，如圖5。采用雙 槽結構的目的是為了增加扼流槽3的帶寬。本實施例的H面T形分支、TMOl模轉換部分2、扼流槽3和軸承4的材料均為鋁材鍍銀。Ka頻段大功率波導旋轉關節采用雙邊對稱激勵的方式激勵TMOl模，同時實現對 TEll模的有效抑制；H面T形分支1把一路信號分成兩路等幅同相的信號，然后這兩路等幅 同相的信號分別饋入到TMOl模轉換部分2的矩形直波導20的兩端，由于矩形直波導20里 的TElO模的橫向場和圓波導21里的TMOl模縱向場電場場型相似，因此使用TMOl模轉換 部分2可以把矩形直波導20里的TElO模轉換成圓波導21里的TMOl模，選擇合適的尺寸 后，可以實現矩形波導20的TElO模到圓波導21的TMOl模的強耦合，如圖6。由于圓波導21里的TE 11模屬于和模，TMOl模屬于差模，這兩種模式有本質的區 另IJ，圖6所示的TMOl模左、右兩邊矩形直波導20里的TElO模都會在圓波導21里激勵起來 TEll模和TMOl模，但是對于TEll模來說，左、右兩邊激勵起來的TEll模分量幅度相等，方 向相反，因而抵消掉；對于TMOl模來說，左、右兩邊激勵起來的TMOl模分量幅度相等，方向 相同，因而相干疊加，這種特性正是所需要的，通過這種雙邊對稱激勵，可以非常有效的抑 制掉TEll模，實現矩形直波導20的TElO到圓波導21的TMOl模的強耦合。本實施例中，TMOl模轉換部分2中的圓波導21位于矩形直波導20寬邊的中心位 置，矩形直波導20相對于圓波導21的圓心呈對稱形式，如圖7所示(否則TMOl轉換部分 對TEll模的抑制會有所降低)。圓波導21的半徑選擇必須要能夠傳輸TMOl模，又要對TE21模截止，而且圓波導 21的半徑的選擇不能使TMOl模或者TE21模處于接近截止狀態附近，否則會使TMOl模傳輸 損耗加大或者使TE21模不能有效衰減。本實施例中，圓波導21的半徑r選擇范圍為2. 61r > λ > 2. 06r，此時TE21模 及其他更高階的模式截止，且能傳輸TMOl模。當TE21模處于截止狀態時，通過增加圓波導 的長度可以有效衰減TE21模及其他高階模式。由于有效的抑制了 TEll模和TE21模及其他高階模式，圓波導21里傳輸的為非常 純的TMOl模，由于TMOl模的場結構為圓對稱的，這種特性可以保證旋轉關節在旋轉時電性
能高度一致。扼流槽3的作用是把兩個相同的TMOl模轉換部分連接起來，這種連接具有結構上的不連續性，但電氣上是連續的，如圖5所示。正是因為這種結構上的不連續性、電氣上的 連續性，旋轉關節才可以通過軸承4自由轉動，但電性能卻不會發生變化。通過以上原理， 可以設計出電性能良好的旋轉關節。通過優化設計，本實施例的電性能可以達到駐波比在8%帶寬內，達到1. 15以下，如圖8所示，為本實施例在0°、45°、 90°、135°和180°五個旋轉角度的駐波比曲線。
插入損耗在8%帶寬內達到0. 15dB以下，如圖9所示。對基模TEll模的抑制度8%帶寬內達到40dB以上。對TE21模及更高階的高次 模抑制在8%帶寬內達到40dB以上。如圖10所示。微放電余量1600W時大于6dB。旋轉起伏駐波比起伏小于0. 03 ；插入損耗起伏小于0. 02dB。外形尺寸44·34X43. 60X43. 32mm3。對本發明的各組成部件、位置關系及連接方式在不改變其功能的情況下，進行的 等效變換或替代，也落入本發明的保護范圍。本發明未公開的技術屬本領域公知技術。
權利要求
1. Ka頻段大功率波導旋轉關節，其特征在于所述旋轉關節分為相互連接的上半部分 和下半部分，其上半部分和下半部分分別由一個H面T形分支(1)和一個TMOl模轉換部分 (2)連接形成；TMOl模轉換部分(2)包括一個矩形直波導(20)和一個圓波導(21)，圓波導 (21)位于矩形直波導(20)的中心位置，與矩形直波導(20)的寬邊對接，矩形直波導(20) 相對于圓波導(21)的圓心呈對稱形式；H面T形分支(1)的兩個分支與矩形直波導(20)的 兩個端口連接。
2.根據權利要求1的Ka頻段大功率波導旋轉關節，其特征在于所述旋轉關節的上半 部分和下半部分通過扼流槽(3)和軸承(4)相連。
3.根據權利要求2的Ka頻段大功率波導旋轉關節，其特征在于所述扼流槽(3)為深 度λ/4的雙槽組成，其中λ為旋轉關節的中心波長。
4.根據權利要求1或2的Ka頻段大功率波導旋轉關節，其特征在于所述H面T形分 支(1)的公共口寬邊上有一調諧螺釘(10)，兩個分支為拐彎臺階過渡(11)的形式，H面T 形分支(1)通過調諧螺釘(10)和拐彎臺階過渡(11)實現匹配。
5.根據權利要求1的Ka頻段大功率波導旋轉關節，其特征在于所述矩形直波導(20) 的寬度a = 0.72 λ，其中λ為旋轉關節的中心波長，矩形直波導(20)的厚度b = 0.2a。
6.根據權利要求1的Ka頻段大功率波導旋轉關節，其特征在于所述圓波導(21)半 徑r的選擇范圍為2. 61r > λ > 2. 06r，其中λ為旋轉關節的中心波長。
7.根據權利要求1的Ka頻段大功率波導旋轉關節，其特征在于所述旋轉關節為金屬 結構。
全文摘要
本發明的Ka頻段大功率波導旋轉關節分為相互連接的上半部分和下半部分，上半部分和下半部分分別由一個H面T形分支和一個TM01模轉換部分連接形成；TM01模轉換部分包括一個矩形直波導和一個圓波導；圓波導位于矩形直波導的中心位置，與矩形直波導的寬邊對接，矩形直波導相對于圓波導的圓心呈對稱形式；H面T形分支的兩個分支與矩形直波導的兩個端口連接。本發明使用雙邊對稱激勵TM01模的方法，用H面T形分支把一路信號分解成兩路等幅同相的信號，使得在抑制TE 11模時與頻率相關性大大降低，在較寬的帶寬內實現了對TE11模的高度抑制，實現了旋轉關節在轉動時電性能的平穩性。
文檔編號H01P1/06GK102055047SQ20091021014
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月29日 優先權日2009年10月29日
發明者呂慶立, 彭健, 施錦文 申請人:西安空間無線電技術研究所