专利名称：Ka频段大功率波导旋转关节的制作方法
技术领域：
本发明属于微波通信领域，涉及一种大功率旋转关节，特别是一种双边对称激励 的Ka频段大功率波导旋转关节。
背景技术：
在微波通信中，旋转关节用以在动态的天线系统与静态的发射系统及接收系统之 间实现微波信号的传递，所以其结构设计要在尽可能满足电气性能要求的同时，又满足天 线动态运动的结构要求。目前常用的旋转关节，有加载介质的同轴旋转关节和采用单边激励的全波导TMOl 模旋转关节。采用加载介质的同轴旋转关节，由于介质的损耗较大，因此会导致较大的热 耗产生，不利于星上大功率使用。采用单边激励的全波导TMOl模旋转关节，由于单边激励 TMOl模转换器对基模(TEll)的抑制是非宽带的，受加工影响大，对Ka频段尤为明显，因此 会导致较大的插入损耗和转动过程中驻波比和插入损耗较大的周期性波动。为了实现低损耗和转动过程中电性能的平稳性，旋转关节必须为全波导结构和对 TEll模在工作带宽内实现40dB以上的抑制。目前有的单位采用对称激励的TMOl模转换 器，如图1所示，可以在较宽的带宽内实现对TEll模的抑制。但是该TMOl模转换器采用双 缝对称激励，由于双缝较窄，因此微放电余量小，不利于大功率使用，并且由于双缝激励时 短路面的影响，使得双缝附近的电场出现局部不均勻性，导致其对TEll模的抑制在Y方向 与频率相关性加大，抑制带宽变窄。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术不足，提供一种有利于大功率使用、电性能 平稳、损耗小的Ka频段大功率波导旋转关节。本发明的技术解决方案是Ka频段大功率波导旋转关节，分为相互连接的上半部 分和下半部分，其上半部分和下半部分分别由一个H面T形分支和一个TMOl模转换部分连 接形成；TMOl模转换部分包括一个矩形直波导和一个圆波导；圆波导位于矩形直波导的中 心位置，与矩形直波导的宽边对接，矩形直波导相对于圆波导的圆心呈对称形式；H面T形 分支的两个分支与矩形直波导的两个端口连接。所述旋转关节的上下两部分通过扼流槽和轴承相连。所述扼流槽为深度λ/4的双槽组成，其中λ为旋转关节的中心波长。所述H面T形分支的公共口宽边上有一调谐螺钉，两个分支为拐弯台阶过渡的形 式，H面T形分支通过调谐螺钉和拐弯台阶过渡实现匹配。所述矩形直波导的宽度a = 0.72X，其中λ为旋转关节的中心波长，厚度b = 0. 2a ；所述圆波导的半径r的选择需满足2. 61r> λ >2.06r，其中λ为旋转关节的中 心波长。
所述整个旋转关节为全金属结构。 本发明的原理是利用矩形波导里TElO模的横向场与圆波导里TMOl模的纵向场 电场场型相似的特点，把矩形波导里的TElO模转化成圆波导里的TMOl模，通过适当匹配， 可以获得矩形波导TElO模到圆波导TMOl模的强耦合。本发明在利用了这个基本原理的基 础上，为了进一步获得高的TEll模抑制度，采用了双边对称激励的方式，使得矩形波导里 两路等幅同相的TElO模在圆波导里激励起来的TEll模等幅反相，从而实现了对TEll模的 高度抑制，由于TMOl模是差模，因此矩形波导里两路等幅同相的TElO模在圆波导激励起来 的TMOl模是等幅同相的。这种双边对称激励对圆波导里所有的和模具有和TEll模相同的 抑制作用，但是对所有的差模不具有抑制作用，因此，除过旋转关节工作模式TMOl模外，其 余差模如TE21模等更高的模式通过选择合适的圆波导半径来抑制。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明使用双边对称激励TMOl模的方法，该方法中采用H面T形分支把一路 信号分解成两路等幅同相的信号，在抑制TEll模时与频率相关性大大降低，因此在较宽的 带宽内实现了对TEll模的高度抑制，实现了旋转关节在转动时电性能的平稳性。(2)本发明采用了全波导结构，无任何介质加载，并且对微放电做了全面考虑，因 此有效降低了旋转关节的插入损耗，有利于大功率使用。(3)本发明抑制TEll模的方法与频率相关性低，只与结构的对称性有关，加工误 差造成的微小不对称性对TE 11模的抑制影响较小，可以在较宽的带宽内实现对TEll模较 高的抑制。这种特性对在Ka频段的使用非常有利。(4)本发明中H面T形分支的设计考虑了旋转关节整体尺寸大小，设计中把过渡放 置在H面T形分支的两个分支处而不是公共口，这样有效的节省了旋转关节的横向和径向 尺寸，满足了星上对空间和重量的苛刻要求。如果不受空间限制，过渡也可以放在H面T形 分支的公共口处。
图1为背景技术的双缝对称激励的TMOl模转换器示意图；图2为本发明的Ka频段大功率波导旋转关节的侧视原理图；图3为本发明的Ka频段大功率波导旋转关节的H面T形分支的俯视图；图4为本发明的Ka频段大功率波导旋转关节的TMOl模转换部分示意图；图5为本发明的Ka频段大功率波导旋转关节的扼流槽剖视图；图6为本发明的Ka频段大功率波导旋转关节的TElO到TMOl模转换示意图；图7为本发明的Ka频段大功率波导旋转关节的TMOl模转换部分对称性示意图；图8为实施例中在不同的旋转角度时驻波比曲线；图9为实施例中在不同的旋转角度时插损曲线；图10为实施例中的TMOl模转换部分对基模TEll和TE21模的抑制度曲线。
具体实施例方式如附图2所示，本发明的旋转关节分为相互连接的上半部分和下半部分，其上半 部分和下半部分分别由一个H面T形分支1和一个TMOl模转换部分2连接形成；TMOl模转换部分2包括一个矩形直 波导20和一个圆波导21，如图4所示，圆波导21与矩形直波导 20的宽边对接；如图7所示，在TMOl模转换部分2的俯视图中，矩形直波导20相对于圆波 导21左右，上下对称；H面T形分支1的两个分支端口分别与矩形直波导20的两个端口相 连。旋转关节的上下两部分通过扼流槽3和轴承4相连。如图3所示，H面T形分支1还包括一颗调谐螺钉10和两个拐弯台阶过渡11。H 面T形分支1的公共口宽边上有一调谐螺钉10，两个分支为拐弯台阶过渡11的形式，H面 T形分支1通过调谐螺钉10和拐弯台阶过渡11实现匹配。TMOl模转换部分2如图4，本实施例中，矩形直波导20的宽度a = 0. 72 λ，厚度b =0. 2a。扼流槽3为深度为λ /4的双槽组成，λ为旋转关节的中心波长，如图5。采用双 槽结构的目的是为了增加扼流槽3的带宽。本实施例的H面T形分支、TMOl模转换部分2、扼流槽3和轴承4的材料均为铝材镀银。Ka频段大功率波导旋转关节采用双边对称激励的方式激励TMOl模，同时实现对 TEll模的有效抑制；H面T形分支1把一路信号分成两路等幅同相的信号，然后这两路等幅 同相的信号分别馈入到TMOl模转换部分2的矩形直波导20的两端，由于矩形直波导20里 的TElO模的横向场和圆波导21里的TMOl模纵向场电场场型相似，因此使用TMOl模转换 部分2可以把矩形直波导20里的TElO模转换成圆波导21里的TMOl模，选择合适的尺寸 后，可以实现矩形波导20的TElO模到圆波导21的TMOl模的强耦合，如图6。由于圆波导21里的TE 11模属于和模，TMOl模属于差模，这两种模式有本质的区 另IJ，图6所示的TMOl模左、右两边矩形直波导20里的TElO模都会在圆波导21里激励起来 TEll模和TMOl模，但是对于TEll模来说，左、右两边激励起来的TEll模分量幅度相等，方 向相反，因而抵消掉；对于TMOl模来说，左、右两边激励起来的TMOl模分量幅度相等，方向 相同，因而相干叠加，这种特性正是所需要的，通过这种双边对称激励，可以非常有效的抑 制掉TEll模，实现矩形直波导20的TElO到圆波导21的TMOl模的强耦合。本实施例中，TMOl模转换部分2中的圆波导21位于矩形直波导20宽边的中心位 置，矩形直波导20相对于圆波导21的圆心呈对称形式，如图7所示(否则TMOl转换部分 对TEll模的抑制会有所降低)。圆波导21的半径选择必须要能够传输TMOl模，又要对TE21模截止，而且圆波导 21的半径的选择不能使TMOl模或者TE21模处于接近截止状态附近，否则会使TMOl模传输 损耗加大或者使TE21模不能有效衰减。本实施例中，圆波导21的半径r选择范围为2. 61r > λ > 2. 06r，此时TE21模 及其他更高阶的模式截止，且能传输TMOl模。当TE21模处于截止状态时，通过增加圆波导 的长度可以有效衰减TE21模及其他高阶模式。由于有效的抑制了 TEll模和TE21模及其他高阶模式，圆波导21里传输的为非常 纯的TMOl模，由于TMOl模的场结构为圆对称的，这种特性可以保证旋转关节在旋转时电性
能高度一致。扼流槽3的作用是把两个相同的TMOl模转换部分连接起来，这种连接具有结构上的不连续性，但电气上是连续的，如图5所示。正是因为这种结构上的不连续性、电气上的 连续性，旋转关节才可以通过轴承4自由转动，但电性能却不会发生变化。通过以上原理， 可以设计出电性能良好的旋转关节。通过优化设计，本实施例的电性能可以达到驻波比在8%带宽内，达到1. 15以下，如图8所示，为本实施例在0°、45°、 90°、135°和180°五个旋转角度的驻波比曲线。
插入损耗在8%带宽内达到0. 15dB以下，如图9所示。对基模TEll模的抑制度8%带宽内达到40dB以上。对TE21模及更高阶的高次 模抑制在8%带宽内达到40dB以上。如图10所示。微放电余量1600W时大于6dB。旋转起伏驻波比起伏小于0. 03 ；插入损耗起伏小于0. 02dB。外形尺寸44·34X43. 60X43. 32mm3。对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的 等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。本发明未公开的技术属本领域公知技术。
权利要求
1. Ka频段大功率波导旋转关节，其特征在于所述旋转关节分为相互连接的上半部分 和下半部分，其上半部分和下半部分分别由一个H面T形分支(1)和一个TMOl模转换部分 (2)连接形成；TMOl模转换部分(2)包括一个矩形直波导(20)和一个圆波导(21)，圆波导 (21)位于矩形直波导(20)的中心位置，与矩形直波导(20)的宽边对接，矩形直波导(20) 相对于圆波导(21)的圆心呈对称形式；H面T形分支(1)的两个分支与矩形直波导(20)的 两个端口连接。
2.根据权利要求1的Ka频段大功率波导旋转关节，其特征在于所述旋转关节的上半 部分和下半部分通过扼流槽(3)和轴承(4)相连。
3.根据权利要求2的Ka频段大功率波导旋转关节，其特征在于所述扼流槽(3)为深 度λ/4的双槽组成，其中λ为旋转关节的中心波长。
4.根据权利要求1或2的Ka频段大功率波导旋转关节，其特征在于所述H面T形分 支(1)的公共口宽边上有一调谐螺钉(10)，两个分支为拐弯台阶过渡(11)的形式，H面T 形分支(1)通过调谐螺钉(10)和拐弯台阶过渡(11)实现匹配。
5.根据权利要求1的Ka频段大功率波导旋转关节，其特征在于所述矩形直波导(20) 的宽度a = 0.72 λ，其中λ为旋转关节的中心波长，矩形直波导(20)的厚度b = 0.2a。
6.根据权利要求1的Ka频段大功率波导旋转关节，其特征在于所述圆波导(21)半 径r的选择范围为2. 61r > λ > 2. 06r，其中λ为旋转关节的中心波长。
7.根据权利要求1的Ka频段大功率波导旋转关节，其特征在于所述旋转关节为金属 结构。
全文摘要
本发明的Ka频段大功率波导旋转关节分为相互连接的上半部分和下半部分，上半部分和下半部分分别由一个H面T形分支和一个TM01模转换部分连接形成；TM01模转换部分包括一个矩形直波导和一个圆波导；圆波导位于矩形直波导的中心位置，与矩形直波导的宽边对接，矩形直波导相对于圆波导的圆心呈对称形式；H面T形分支的两个分支与矩形直波导的两个端口连接。本发明使用双边对称激励TM01模的方法，用H面T形分支把一路信号分解成两路等幅同相的信号，使得在抑制TE 11模时与频率相关性大大降低，在较宽的带宽内实现了对TE11模的高度抑制，实现了旋转关节在转动时电性能的平稳性。
文档编号H01P1/06GK102055047SQ20091021014
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者吕庆立, 彭健, 施锦文 申请人:西安空间无线电技术研究所