专利名称：一种新型微波旋转关节的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波部件技术领域，尤其是涉及一种新型微波旋转关节。
背景技术：
随着微波技术的迅速发展，应用频段已逐步由L、 S、 C频段向更高频 段延伸，目前，Ka频段的应用已越来越广泛。Ka频段部件具有尺寸小、 精度要求高的特点，而现有的旋转关节方案及其结构形式已不能满足要 求。具体来讲，现有的旋转关节可分为两种 一种是以同轴线作旋转部分, 同轴内导体两端均与波导壁相连，同轴内、外导体上均设计有扼流槽，二 者在扼流槽处断为两截来实现旋转；另一种是以圆波导作为旋转部分，两 端是圆波导和矩形波导的变换结构，圆波导壁上设计有扼流槽，在扼流槽 处断为两截来实现旋转。上述两种旋转关节的不足之处在于前一种方案 由于在同轴内、外导体上均有扼流槽，因此，只适用于低频段部件，对于 Ka频段是不适用的，这是因为在Ka频段旋转关节中，同轴内导体直径小， 在内导体上加工扼流槽是很难实现的。后一种方案釆用圆波导作为旋转部 分，则必须利用圆波导中的高次模TM01模作为传输模式，该方案的缺点 是频带窄。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种新型微波旋转关节，其频带宽、性能好且工作性能稳定，适合L Ka各 个频段，能够广泛应用在需要跟踪、对准的天线系统中。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是 一种新型微波旋转关 节，包括波导同轴转换器一和波导同轴转换器二两个波导同轴转换器，所述两个波导同轴转换器均包括矩形波导以及安装在所述矩形波导宽边轴线上 的同轴结构，所述两个波导同轴转换器的同轴结构为同一个同轴线且二者 围绕同轴线进行旋转，同轴线与所述两个波导同轴转换器的矩形波导的阻 抗均匹配；同轴线包括同轴内导体以及套装在同轴内导体外侧且相扣合的 的两个同轴外导体，所述两个同轴外导体与同轴内导体之间设置有支撑介 质，所述两个同轴外导体与所述两个波导同轴转换器的矩形波导腔体连接为
一体，其特征在于所述波导同轴转换器一的矩形波导一内设置有脊波导，
同轴内导体一端伸入所述矩形波导一的矩形波导腔一内且固定在脊波导
上，脊波导与所述矩形波导一之间通过多级阶梯变换进行过渡；所述同轴
内导体的另一端伸入波导同轴转换器二的矩形波导腔二内且与矩形波导腔 二的波导壁不接触，同轴内导体的另一端设置有用于匹配波导同轴转换器
二的矩形波导二与同轴线的阻抗的匹配端头；所述两个同轴外导体的扣合 处设置有扼流槽。
所述波导同轴转换器一通过调整脊波导和多级阶梯变换的尺寸来实现 同轴线与所述矩形波导一的阻抗匹配，其中，同轴线与所述矩形波导一的 特性阻抗值越接近，实现同轴线与所述矩形波导一阻抗匹配的频带范围越 宽；所述波导同轴转换器二通过改变匹配端头的尺寸和所述矩形波导二的 波导短路壁位置来实现同轴线与所述矩形波导二的阻抗匹配。
所述脊波导与同轴线的特性阻抗值相同或相近，所述波导同轴转换器 一通过调整多级阶梯变换的尺寸来实现同轴线与所述矩形波导一的阻抗 匹配。
所述多级阶梯变换釆用切比雪夫i/4波长阻抗变换器的形式进行阶梯 变换。
所述同轴内导体为锡青铜棒且其直径大于1. 5mm。
所述扼流槽设置在靠近波导同轴转换器二的 一侧。
所述同轴线与所述矩形波导 一和所述矩形波导二的波导短路壁间的 距离均为丄/l;所述扼流槽为旋转对称结构且其由设置在一个同轴外导体上的齿和对应设置在另 一个同轴外导体上的槽组成，所述齿的长度和槽的
深度相同且均为l义，齿的厚度小于1/L，槽的宽度为齿厚度的3倍，齿和 4 10
槽之间的间隙为^ A ，其中义为波导同轴转换器一和波导同轴转换器二的工
作波长且该工作波长为工作时中心频点对应的波长。
所述支撑介质为由两个聚四氟乙烯制的半圆柱环组成的圆柱环套，所
述圆柱环套的外径与所述同轴外导体的内径相同，所述支撑介质套装处的 同轴内导体的直径6'小于同轴内导体其它部分的直径6且6' = |，其中，^
为聚四氟乙烯材料的介电常数，所述圆柱环套的内径为6'。 所述支撑介质的长度为3 5nim。
所述两个波导同轴转换器的矩形波导腔体外部之间设置有实现二者围 绕同轴线旋转的轴承，所述轴承与同轴线同轴。
本发明与现有技术相比具有以下优点1、频带宽，能适用于L Ka 各个频段；2、结构新颖且合理，由两个不同形式的波导同轴转换器构成， 其中一个波导同轴转换器釆用的是将同轴内导体直接固定在矩形波导壁 上的形式，同轴结构先过渡为脊波导形式，再通过多级阶梯变换过渡为矩 形波导，通过调整脊波导尺寸和多级阶梯变换的尺寸来实现阻抗匹配；另 一个波导同轴转换器釆用的是将同轴内导体与矩形波导壁分离的形式，将 同轴内导体直接伸入矩形波导腔中，但与波导壁不连，通过改变同轴内导 体的尺寸和波导短路壁的位置实现阻抗匹配，最终实现了两个波导同轴转 换器的同轴内导体一端固定、 一端不固定的结构形式，既确保了转动过程 中的稳定性，又省去了同轴内导体上的扼流槽，确保了工作频率在20GHz 以上的旋转关节的可实现性；3、性能良好且工作性能稳定在11%的相 对带宽内驻波小于1.2;在11%的相对带宽内插损小于0.2dB;转动任意 角度后，其驻波变化小于O. l且插损变化小于O. ldB;具有很好的一致性， 采用本发明中产品的加工方案所加工出来的微波旋转关节无需经过任何 调试，就可以获得上面所述性能；4、其中一个波导同轴转换器的同轴结构与矩形波导的过渡是通过脊波导和多级阶梯变换来实现的，脊波导与同 轴结构的特性阻抗值相同或相近，多级阶梯变换釆用切比雪夫1/4波长阻 抗变换器的形式，使得该波导同轴转换器具有频带宽的优点；5、同轴内 导体的加工材料选用锡青铜棒，其具有强度高，不易变形的优点。总之，
本发明具有频带宽、性能好且稳定的优点，适合L Ka各个频段，可以广 泛应用在需要跟踪、对准的天线系统中，具有广泛的市场应用前景。 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明的结构示意图 附图标记说明
l一波导同轴转换器一；
4一脊波导；
7—匹配端头； 10—扼流槽； 13—轴承； 16—压盖； 19一螺钉；
2 —波导同轴转换器二; 5 —矩形波导腔一； 8—同轴内导体； 11—齿；
14 —同轴外导体一；
17 —轴承挡圈；
23 —矩形波导腔二。
3—同轴线； 6—多级阶梯变换; 9一支撑介质； 12—槽；
15 —同轴外导体二; 18 —螺母；
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括波导同轴转换器一1和波导同轴转换器二 2两 个波导同轴转换器，所述两个波导同轴转换器均包括矩形波导以及安装在 所述矩形波导宽边轴线上的同轴结构，所述两个波导同轴转换器的同轴结 构为同一个同轴线3且二者围绕同轴线3进行旋转，同轴线3与所述两个 波导同轴转换器的矩形波导的阻抗均匹配。也就是说，所述同轴线3的中 心轴线位于所述矩形波导一宽边和所述矩形波导二宽边的中心轴线上。其 中，同轴线3包括同轴内导体8以及套装在同轴内导体8外侧且相扣合的的两个同轴外导体，所述两个同轴外导体与同轴内导体8之间设置有支撑 介质9,即位于同轴内导体8外侧的同轴外导体一 l4和同轴外导体二 15 所述两个同轴外导体与所述两个波导同轴转换器的矩形波导腔体连接为一 体，本实施例中，所述两个同轴外导体与所述两个波导同轴转换器的矩形波 导腔体制作为一体。而所述两个波导同轴转换器的矩形波导腔体外部之间设
置有实现二者围绕同轴线3旋转的轴承13，所述轴承13与同轴线3同轴。
本实施例中，所述轴承13的数量为两个，两个轴承13并排套装在所述矩
形波导腔体一的外部和矩形波导腔体二的外部之间，并且在每个轴承13
一侧均设置有轴承挡圈17。本实施例中，所述同轴线3与所述矩形波导一
和所述矩形波导二的波导短路壁间的距离均为1》，其中，义为波导同轴转
4
换器一 1和波导同轴转换器二 2的工作波长且该工作波长为工作时中心频 点对应的波长。另外，轴承13外侧设置有封装用的压盖16且压盖16通 过螺钉19固定在所述矩形波导腔体一上。
所述波导同轴转换器一 1的矩形波导一内设置有脊波导4,同轴内导 体8 —端伸入所述矩形波导一的矩形波导腔一 5内且固定在脊波导4上， 脊波导4与所述矩形波导一之间通过多级阶梯变换6进行过渡。同轴线3 位于所述矩形波导一宽边的中心轴线上，且同轴线3距离所述矩形波导一
的波导短路壁一侧丄/L。其中，所述矩形波导一通常选用标准波导，例如
4
BJ120、 BJ220、 BJ260等，具体型号要由工作频带来定。本实施例中，同 轴内导体8—端通过螺母18固定在脊波导4上，也就是说，同轴内导体8 一端固定在矩形波导腔一 5的波导壁上。另外，所述波导同轴转换器一 1 通过调整脊波导4和多级阶梯变换6的尺寸来实现同轴线3与所述矩形波 导一的阻抗匹配，其中，同轴线3与所述矩形波导一的特性阻抗值越接近， 实现同轴线3与所述矩形波导一阻抗匹配的频带范围越宽。本实施例中， 所述脊波导4与同轴线3的特性阻抗值相同或相近，所述波导同轴转换器 一1通过调整多级阶梯变换6的尺寸来实现同轴线3与所述矩形波导一的阻抗匹配。
综上可以看出，同轴线3的尺寸要考虑两方面因素 一是轴承13的 大小，二是同轴内导体8的强度。实践中，轴承的规格分为几种，但一旦 规格选定，其尺寸是一定的，因此，同轴线3的尺寸选用时要确保该结构 能够穿过轴承13;另一方面，出于同轴内导体8强度的考虑，由于同轴内 导体8的直径不宜过小，、本实施例中，所述同轴内导体8为锡青铜棒且其 直径大于1.5mm。那么，在满足上述两个限制的前提下，要尽量确保同轴 线3与所述矩形波导一的特性阻抗值接近，便于在较宽的频带内实现阻抗 匹配。也就是说，实践中，同轴线3与所述矩形波导一的特性阻抗值越接 近，实现同轴线3与所述矩形波导一阻抗匹配的频带范围越宽。
实际加工制作过程中，对同轴线3与所述矩形波导一的特性阻抗值的 计算如下
其中，同轴线3的特性阻抗值计算公式如下所示
Z0i =59.94
1 ^
、a乂
其中，^、 ^分别为同轴内导体8和所述同轴外导体间填充的相对磁 导率和相对介电常数，对于空气介质，二者均为1; 6为同轴内导体8的
直径，"为所述同轴外导体的内《
经
而所述矩形波导 一 的特性阻抗值计算公式如下所示 ;r2n 376.62
厶02
8m j A
其中，n为波导窄边，ra为波导宽边，义为波导同轴转换器一 1的工作 波长且该工作波长为工作时中心频点对应的波长。
所述矩形波导一通过多级阶梯变换6过渡成脊波导4后，再与同轴线 3相连，同轴线3的中心轴线位于所述矩形波导一宽边的中心轴线上，并
且距离所述矩形波导一的波导短路壁一侧丄;i, A为波导同轴转换器一 1的
4
工作波长且该工作波长为工作时中心频点对应的波长。本实施例中，脊波导4的特性阻抗值等于或接近同轴线3的特性阻抗 值。其中，脊波导4的特性阻抗值的计算公式较复杂， 一些关于微波传输 线理论的书籍中已将其整理成表格，可以直接查阅。
而实现所述矩形波导一和脊波导4阻抗匹配的多级阶梯变换6，釆用
的是切比雪夫1/4波长阻抗变换器的形式进行阶梯变换，其阶梯的级数和
各级阶梯的尺寸由工作带宽、脊波导4和所述矩形波导一的特性阻抗值以
及电压驻波比决定，主要通过以下4步进行设计
第一步、根据设计要求获得以下参数
『=2A _毛『"表示相对带宽，计算公式为"A+A，其中，A和冬分别表示
工作频带下边频和上边频的工作波长；
&表示脊波导4和所述矩形波导一的特性阻抗值的比值；
户表示输入电压驻波比，通常取1. 01 ~ 1. 05;
第二步、确定多级阶梯变换6的级数n，计算公式如下 (P-l)2
<formula>formula see original document page 11</formula>
计算得出以上各参数之后，参考《现代微波滤波器的结构与设计》下
册，科学版，第10页中的表I 1.2-5,该表中列出了 V〃"、 ^与n的关 系，则可以方便地获得n的值。
第三步、计算多级阶梯变换6中各级阶梯的特性阻抗值 查阅《现代微波滤波器的结构与设计》下册，科学版，可以方便地求 得多级阶梯变换6中各级阶梯的特性阻抗值，该书中列出了各级阶梯特性 阻抗与n、 ^、 ^ 的关系。
第四步、计算多级阶梯变换6中各级阶梯的长度和高度 根据切比雪夫1/4波长阻抗变换器的理论，多级阶梯变换6中每级阶梯的长度为+A,即:
其中，A表示中心频点对应的波长,
,A和七分别表示工
作频带下边频和上边频的工作波长；
其中，多级阶梯变换6中每级阶梯都可看成一截矩形波导，由前面矩
的情况下，矩形波导的特性阻抗值与波导高度L成正比，因此，根据上面
求得的各级阶梯的特性阻抗值，可以方便地求得多级阶梯变换6中各级阶
梯的高度。
以上给出了波导同轴转换器一1的初始尺寸的计算方法，根据该尺寸
可以建立波导同轴转换器一 1的模型，将其代入电磁仿真软件(如HFSS) 中，便可以得到其性能。通常情况下，该性能是基本满足要求的，为了进
一步改善性能，可以在上述尺寸的基础上进行微小的调整；另外，本发明
中还增加了一个调试手段，即同轴线3末端的同轴外导体一 14的尺寸， 该处尺寸可以根据仿真性能适当调整。
所述同轴内导体8的另一端伸入波导同轴转换器二 2的矩形波导腔二 23内且与矩形波导腔二 23的波导壁不接触，同轴内导体8的另一端设置 有用于匹配波导同轴转换器二 2的矩形波导二与同轴线3的阻抗的匹配端 头7。另外，所述波导同轴转换器二 2通过改变匹配端头7的尺寸和所述 矩形波导二的波导短路壁位置来实现同轴线3与所述矩形波导二的阻抗匹 配。波导同轴转换器二 2中的所述矩形波导二和同轴线3的设计方法与波 导同轴转换器一l相同，不再赘述。同样，同轴线3的中心轴线位于所述
矩形波导二宽边的中心轴线上，距离所述矩形波导二的波导短路壁一侧
丄A。 4
而匹配端头7由一个圆锥台和设置在所述圆锥台上的圆柱组成，借助
形波导特性阻抗计算公式可知，即Z(电磁仿真软件(如HFSS)略微调整就可以确定其尺寸。
所述两个同轴外导体的扣合处设置有扼流槽10,并且所述扼流槽10
设置在靠近波导同轴转换器二2的一侧，实际加工制作过程中，扼流槽IO 应尽量靠近波导同轴转换器二 2 —侧。所述扼流槽10为旋转对称结构且其
由设置在一个同轴外导体上的齿11和对应设置在另一个同轴外导体上的
槽12组成。所述齿11的长度和槽12的深度相同且均为丄义，齿11的厚
4
度小于^a，同时要考虑强度和加工能力；槽12的宽度为齿li厚度的3
倍，齿11和槽12之间的间隙为^a,其中义为波导同轴转换器一 1和波导
同轴转换器二 2的工作波长且该工作波长为工作时中心频点对应的波长。
另外，所述支撑介质9为由两个聚四氟乙烯制的半圆柱环组成的圆柱 环套，所述圆柱环套的外径与所述同轴外导体的内径相同，所述支撑介质 9套装处的同轴内导体8的直径^小于同轴内导体8其它部分的直径6且 6' = |,其中，~为聚四氟乙烯材料的介电常数且~=2. 1,所述圆柱环套
的内径为6'。由于介质支撑9会引入损耗，因此，所述支撑介质9的长度 为3 ~ 5mm。
最后，在对经过上述设计所加工出来的微波旋转关节进行测试时，则 相应在所述矩形波导一和所述矩形波导二上安装转接波导即可，并且所述 转接波导与矩形波导 一 和矩形波导之间通过螺钉进行连接。
通过以上设计，所设计的微波旋转环节的主要性能可以达到
(1) 驻波在11%的相对带宽内驻波小于1.2;
(2) 插损在11%的相对带宽内插损小于0. 2dB;
(3) 稳定性该微波旋转关节转动任意角度，驻波变化小于O. 1,插 损变化小于0. 1dB。
(4) 一致性所加工出来的微波旋转关节无需进行调试，就可以获 得上面所述性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1. 一种新型微波旋转关节，包括波导同轴转换器一(1)和波导同轴转换器二(2)两个波导同轴转换器，所述两个波导同轴转换器均包括矩形波导以及安装在所述矩形波导宽边轴线上的同轴结构，所述两个波导同轴转换器的同轴结构为同一个同轴线(3)且二者围绕同轴线(3)进行旋转，同轴线(3)与所述两个波导同轴转换器的矩形波导的阻抗均匹配；同轴线(3)包括同轴内导体(8)以及套装在同轴内导体(8)外侧且相扣合的的两个同轴外导体，所述两个同轴外导体与同轴内导体(8)之间设置有支撑介质(9)，所述两个同轴外导体与所述两个波导同轴转换器的矩形波导腔体连接为一体，其特征在于所述波导同轴转换器一(1)的矩形波导一内设置有脊波导(4)，同轴内导体(8)一端伸入所述矩形波导一的矩形波导腔一(5)内且固定在脊波导(4)上，脊波导(4)与所述矩形波导一之间通过多级阶梯变换(6)进行过渡；所述同轴内导体(8)的另一端伸入波导同轴转换器二(2)的矩形波导腔二(23)内且与矩形波导腔二(23)的波导壁不接触，同轴内导体(8)的另一端设置有用于匹配波导同轴转换器二(2)的矩形波导二与同轴线(3)的阻抗的匹配端头(7)；所述两个同轴外导体的扣合处设置有扼流槽(10)。
2. 按照权利要求l所述的一种新型微波旋转关节，其特征在于所述 波导同轴转换器一 (1)通过调整脊波导(4)和多级阶梯变换(6)的尺寸 来实现同轴线(3)与所述矩形波导一的阻抗匹配，其中，同轴线(3)与 所述矩形波导一的特性阻抗值越接近，实现同轴线(3)与所述矩形波导 一阻抗匹配的频带范围越宽；所述波导同轴转换器二 (2)通过改变匹配端 头(7)的尺寸和所述矩形波导二的波导短路壁位置来实现同轴线(3)与所述矩形波导二的阻抗匹配。
3. 按照权利要求2所述的一种新型微波旋转关节，其特征在于所述脊波导(4)与同轴线(3)的特性阻抗值相同或相近，所述波导同轴转换 器一 (1)通过调整多级阶梯变换(6)的尺寸来实现同轴线(3)与所述矩形波导一的阻抗匹配。
4. 按照权利要求3所述的一种新型微波旋转关节，其特征在于所述 多级阶梯变换(6)釆用切比雪夫1/4波长阻抗变换器的形式进行阶梯变 换。
5. 按照权利要求1至4中任一项权利要求所述的一种新型微波旋转关 节，其特征在于所述同轴内导体(8)为锡青铜棒且其直径大于1.5mm。
6. 按照权利要求1至4中任一项权利要求所述的一种新型微波旋转关 节，其特征在于所述扼流槽(10)设置在靠近波导同轴转换器二 (2)的
7. 按照权利要求4所述的一种新型微波旋转关节，其特征在于所述同轴线(3)与所述矩形波导一和所述矩形波导二的波导短路壁间的距离均为丄/l;所述扼流槽(10)为旋转对称结构且其由设置在一个同轴外导 4体上的齿(11)和对应设置在另一个同轴外导体上的槽U2)组成，所述齿Ui)的长度和槽(i2)的深度相同且均为丄义，齿(u)的厚度小于一;i，4 10槽U2)的宽度为齿(11)厚度的3倍，齿(11)和槽(12)之间的间隙为丄A，其中义为波导同轴转换器一 (1)和波导同轴转换器二 (2)的工作 10波长且该工作波长为工作时中心频点对应的波长。
8. 按照权利要求1至4中任一项权利要求所述的一种新型微波旋转关 节，其特征在于所述支撑介质(9)为由两个聚四氟乙烯制的半圆柱环 组成的圆柱环套，所述圆柱环套的外径与所述同轴外导体的内径相同，所 述支撑介质(9)套装处的同轴内导体(8)的直径6'小于同轴内导体(8) 其它部分的直径6且6' = ^=，其中，^为聚四氟乙烯材料的介电常数，所述圆柱环套的内径为A'。
9. 按照权利要求1至4中任一项权利要求所述的一种新型微波旋转关 节，其特征在于所述支撑介质(9)的长度为3-5mm。
10. 按照权利要求1至4中任一项权利要求所述的一种新型微波旋转关节，其特征在于所述两个波导同轴转换器的矩形波导腔体外部之间设置 有实现二者围绕同轴线(3)旋转的轴承(13)，所述轴承(l3)与同轴线(3)同轴。
全文摘要
本发明公开了一种新型微波旋转关节，包括两个波导同轴转换器且二者均包括矩形波导及安装在矩形波导宽边轴线上的同轴结构，两个波导同轴转换器的同轴结构为同一个同轴线且二者围绕同轴线旋转，同轴线与两个矩形波导的阻抗均匹配，同轴线包括同轴内导体及两个同轴外导体，同轴外导体与同轴内导体间设置有支撑介质，波导同轴转换器一的矩形波导一内设置有脊波导，同轴内导体一端伸入矩形波导腔一内且固定在脊波导上，脊波导与矩形波导一间通过多级阶梯变换过渡；同轴内导体另一端伸入矩形波导腔二内且与波导壁不接触，同轴内导体的另一端设置有匹配端头；两个同轴外导体的扣合处设置有扼流槽。本发明频带宽、性能好且稳定，适合L～Ka各个频段。
文档编号H01P1/06GK101414699SQ200810232499
公开日2009年4月22日 申请日期2008年12月1日 优先权日2008年12月1日
发明者张文会, 李荣军, 杨慧杰, 智 许 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五〇四研究所