一种三通道微波旋转关节的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三通道微波旋转关节，包括单波导转子，双波导转子、双波导定子、单波导定子、第一轴承、第二轴承、第一连接臂、第二连接臂、第一内导体、第二内导体以及第三内导体。本发明的轴向距离短，降低了信号传输损耗，解决了多通道Ka频段信号传输问题，收发隔离度好，同时采用双轴承设计，通过精密加工和装配，保证了同轴度，大大降低了旋转时电性能波动，提高了航天器活动部件的可靠度。
【专利说明】一种三通道微波旋转关节
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微波旋转关节，尤其涉及一种三通道微波旋转关节，属于航天飞行器跟踪机构设计领域。
【背景技术】
[0002]微波旋转关节是在雷达跟踪旋转过程中保证微波信号传输不间断的一种具有机电一体特性的特殊装置。
[0003]国内微波旋转关节技术随着雷达通信技术的发展而不断进步，现如今已经覆盖到无线通信的各个领域，技术已十分成熟，主要包括接触式与非接触式两种微波旋转关节。
[0004]现有的微波旋转关节主要为地面类通信产品，结构主要包含单路、两路和多路形式，在国内近地轨道航天飞行器领域，应用空间环境复杂多变情况下，多路旋转关节产品存在着一定的局限性:
[0005](I)重量大:由于地面应用旋转关节产品重量基本不受限，形式多样，设计时较少考虑重量。
[0006](2)传输损耗高:在信号传输至Ka频段时，由于信号有效传输距离长、传输表面粗糙度差及扼流槽耦合匹配不良引起；
[0007](3)旋转波动大:由于同轴度差引起，一是出现在零件加工装配环节，二是在复杂的空间环境下热变形导致；
[0008](4)隔离度差:多路旋转关节主要为嵌套形式，各通道间未采用物理隔离，导致隔离度变差，信号间存在干扰。
[0009](5)应用寿命短:现有旋转关节普通轴承在航天飞行器运行空间环境下易出现低温冷焊现象，进而导致轴承卡死，使用寿命很短。
【发明内容】
[0010]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种三通道微波旋转关节，具有多通道、低传输损耗、高耐受功率和寿命长的特点。
[0011]本发明的技术方案:一种三通道微波旋转关节，包括单波导转子，双波导转子、双波导定子、单波导定子、第一轴承、第二轴承、第一连接臂、第二连接臂、第一内导体、第二内导体以及第三内导体；单波导转子与双波导转子通过第一连接臂固定成转子，双波导定子与单波导定子通过第二连接臂固定成定子，转子和定子通过第一轴承和第二轴承连接，实现定子与转子相对转动；
[0012]第一内导体为圆柱体，单波导转子上部开有与第一内导体相匹配的第一圆柱形空腔，第一内导体安装在第一圆柱形空腔中，与所述第一圆柱形空腔形成同轴线；单波导转子环绕第一圆柱形空腔的侧壁上开有环形凹槽，所述环形凹槽与双波导定子形成旋转关节第一扼流槽；单波导转子内部开有第一矩形波导腔，单波导转子的第一圆柱形空腔和第一内导体构成的同轴线与第一矩形波导腔形成匹配传输结构；
[0013]双波导转子上部开有第二圆柱形空腔，用于安装第二内导体和第三内导体，第二圆柱形空腔与第一圆柱形空腔共轴；双波导转子内部开有第二矩形波导腔和第三矩形波导腔，双波导转子的第二圆柱形空腔分别与第二内导体和第三内导体构成互不相通的对称同轴线，双波导转子的第二圆柱形空腔与第二内导体构成的同轴线与第二矩形波导腔形成匹配传输结构，双波导转子的第二圆柱形空腔和第三内导体构成的同轴线与第三矩形波导腔形成匹配传输结构；
[0014]双波导定子上对称开有两个互不连通的圆柱形空腔，所述两个圆柱形空腔均与第一圆柱形空腔共轴；双波导定子在靠近双波导转子一侧的圆柱形空腔的侧壁上开有环形凹槽，该环形凹槽与双波导转子形成旋转关节第二扼流槽；双波导定子内部开有第四矩形波导腔和第五矩形波导腔，第一内导体通过同轴线辐射，与第四矩形波导腔形成匹配传输结构、第二内导体通过同轴线辐射，与第五矩形波导腔形成匹配传输结构；
[0015]单波导定子上开有与第二圆柱形空腔共轴的第四圆柱形空腔；单波导定子在环绕第四圆柱形空腔的侧壁上开有环形凹槽，该环形凹槽与双波导转子形成旋转关节第三扼流槽；单波导定子内部开有第六矩形波导腔，第三内导体通过同轴线辐射，与第六矩形波导腔形成匹配传输结构。
[0016]所述转子的转动范围为-135°?+135°。
[0017]所述单波导转子、双波导转子、双波导定子、单波导定子、第一内导体、第二内导体以及第三内导体均采用金属加工；
[0018]第一圆柱形空腔、第二圆柱形空腔、双波导定子上的圆柱形空腔、第四圆柱形空腔、第一矩形波导腔、第二矩形波导腔、第三矩形波导腔、第四矩形波导腔、第五矩形波导腔以及第六矩形波导腔内表面均进行镀金属处理。
[0019]所述第一矩形波导腔、第二矩形波导腔、第三矩形波导腔、第四矩形波导腔、第五矩形波导腔和第六矩形波导腔中均设计有阶梯，以实现匹配传输。
[0020]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0021](I)本发明的三通道旋转关节采用非接触式同轴线波导耦合结构，传输距离小于半个波长，可实现轴向距离短的结构，轴向收发通道实现物理隔离方式，使得各通道间隔离度好；各零件一体加工，相邻通道共用同一波导腔壁，采用两侧双轴承设计，降低了轴承使用数量，减小了体积与重量，实现多通道信号传输问题。
[0022](2)本发明的三通道微波旋转关节信号有效传输距离短，通过精加工及空腔的表面处理，使零件内表面粗糙度很小，通过专用工装装配，保证扼流槽处有效间隙，同轴线耦合具有宽频带的特点，可实现信号的低损耗宽频带传输，K a频段可达0.2 dB，3 O %相对带宽。
[0023](3)本发明采用热变形系数小专用金属材料，通过精密装配技术，保证了第一内导体、第二内导体及第三内导体装配的同轴度，精确控制轴承间游隙，大大降低了旋转时电性能波动，相位稳定度高，Ka频段信号旋转波动为0.02dB，提高了航天器活动部件的可靠度。
[0024](4)通过热真空条件下旋转关节寿命试验验证，本发明的三通道微波旋转关节能够在低速环境下运行15转。
[0025](5)本发明采用采用热变形系数小专用金属材料进行加工，轴承采用固体润滑方式，环境适应温度可达-100°c?+100°C，真空环境下应用寿命长久，可靠度高。
[0026](6)本发明的内导体直径大，传输阻抗小，可提高旋转关节功率耐受能力，各通道在Ka频段可耐受连续波功率100W。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为沿旋转轴向的三通道微波旋转关节组合剖面图；
[0028]图2为本发明三通道微波旋转关节组合三维外形图；
[0029]图3为本发明三通道微波旋转关节组合扼流圈剖面图。
【具体实施方式】
[0030]本发明涉及一种三通道低损耗微波旋转关节组合，特别可应用到卫星中继终端分系统自跟踪天线系统展开轴、X轴、Y轴微波接收、发射通道中，能够保证天线在有限范围内展开、跟踪过程中微波信号的连续、低损耗传输。
[0031]—种三通道微波旋转关节，包括单波导转子1，双波导转子3、双波导定子2、单波导定子4、第一轴承501、第二轴承502、第一连接臂9、第二连接臂10、第一内导体6、第二内导体7以及第三内导体8 ;单波导转子I与双波导转子3通过第一连接臂9固定成转子，双波导定子2与单波导定子4通过第二连接臂10固定成定子，转子和定子通过第一轴承501和第二轴承502连接，实现定子与转子相对转动。
[0032]第一内导体6为圆柱体，单波导转子I上部开有与第一内导体6相匹配的第一圆柱形空腔，第一内导体6通过螺纹或螺钉安装在第一圆柱形空腔中，与所述第一圆柱形空腔形成第一同轴线；单波导转子I环绕第一圆柱形空腔的侧壁上开有环形凹槽，所述环形凹槽一侧与双波导定子2相接触，与双波导定子2形成旋转关节第一扼流槽11 ;单波导转子I内部开有第一矩形波导腔14，第一矩形波导腔14垂直于第一圆柱形空腔，单波导转子I的第一圆柱形空腔和第一内导体6构成的第一同轴线与第一矩形波导腔14形成匹配传输结构。
[0033]双波导转子3上部开有第二圆柱形空腔，用于安装第二同轴内导体7和第三同轴内导体8，第二圆柱形空腔与第一圆柱形空腔共轴，第二同轴内导体7、第三同轴内导体8和第二圆柱形空腔通过螺纹连接在一起，双波导转子3内部开有垂直于第二圆柱形空腔的第二矩形波导腔15和第三矩形波导腔16，双波导转子3和第二同轴内导体7构成第二同轴线，双波导转子3和第三同轴内导体8构成第三同轴线，第二同轴线和第三同轴线构成互不连通的对称同轴线；第二同轴线与第二矩形波导腔15形成匹配传输结构，第三同轴线与第三矩形波导腔16形成匹配传输结构。
[0034]双波导定子2上部对称开有两个互不连通的圆柱形空腔，这两个互不连通的圆柱形空腔均与第一圆柱形空腔共轴，靠近第一圆柱形空腔的圆柱形空腔与第一圆柱形空腔连通，靠近第二圆柱形空腔的圆柱形空腔和第二圆柱形空腔连通，双波导定子2在靠近双波导转子3 —侧的圆柱形空腔的侧壁上开有环形凹槽，该环形凹槽与双波导转子3形成旋转关节第二扼流槽12 ;双波导定子2内部开有第四矩形波导腔17和第五矩形波导腔18，第一内导体6通过同轴线探针辐射，与第四矩形波导腔17传输匹配、第二同轴内导体7通过同轴线探针辐射，与第五矩形波导腔18传输匹配。
[0035]单波导定子4上部开有与第二圆柱形空腔共轴的第四圆柱形空腔，且第四圆柱形空腔与第二圆柱形空腔连通；；单波导定子4在环绕第四圆柱形空腔的侧壁上开有环形凹槽，该环形凹槽与双波导转子3形成旋转关节第三扼流槽13 ;单波导定子4内部开有第六矩形波导腔19，第三内导体8通过同轴线辐射，与第六矩形波导腔19形成匹配传输结构。
[0036]第一内导体6、第二内导体7以及第三内导体8在上述结构下形成了同轴内导体。单波导转子1、双波导转子3、双波导定子2、单波导定子4、第一内导体6、第二内导体7以及第三内导体8均采用金属加工。第一圆柱形空腔、第二圆柱形空腔、圆柱形空腔、第四圆柱形空腔、第一矩形波导腔14、第二矩形波导腔15、第三矩形波导腔16、第四矩形波导腔17、第五矩形波导腔18以及第六矩形波导腔19内表面均进行镀金属处理。
[0037]第二矩形波导腔15、第三矩形波导腔16和第六矩形波导腔19设计有I级阶梯，以实现三个内导体到相应矩形波导腔的传输匹配。
[0038]第一矩形波导腔14、第四矩形波导腔17和第五矩形波导腔18设计有2级阶梯，以实现矩形波导腔到同轴线的传输匹配。
[0039]轴承的安装:第一轴承501内环与单波导转子I接触，第一轴承501外环与双波导定子2接触；第二轴承502内环与双波导转子3接触，第二轴承502外环与单波导定子4接触、第二轴承502内环通过压环20固定到双波导转子3上，第二轴承502外环通过8个螺钉21固定到单波导定子4上，调整轴承的装配游隙，保证旋转关节各零件间的同心度。
[0040]三通道低损耗微波旋转关节组合为纯金属结构(铝材或铜材)，微波信号通过的零件内表面进行镀金或导电氧化处理，保证高光洁度。第一内导体6通过螺钉或螺纹固定到单波导转子I上，第二内导体7和第三内导体8通过螺纹相互固定到双波导转子3上，装配时应保证内导体与外腔圆的同心度。波导腔加工采用数控电火花机床加工技术，保证结构在极端温度条件下可靠。
[0041]控制三通道微波旋转关节组合轴承轴向装配精度，保持适当转子、定子轴向间隙，利用间隙和轴承自身轴向游隙补偿温度变形，减小或避免温度变形应力作用，使得轴承旋转体之间轴向摩擦力减小，使轴承磨损变慢，延长轴承使用寿命。
[0042]本发明的三通道微波旋转关节为低损耗微波旋转关节组合，采用两侧对称安装双轴承设计实现波导转子与波导定子间的相互运动。转动部件空间适应性关键技术在于产品中轴承的相关润滑处理。在航天飞行器应用方面，选用真空镀膜角接触深沟球轴承，轴承保持架材料为聚酰亚胺或聚四氟乙烯，真空镀膜轴承采用不锈钢基材，采用固体自润滑材料溅射工艺，工作温度范围大，能够同时承受径向和轴向转动较大载荷，已多次应用在空间飞行器上，性能稳定，长期运转可靠，真空镀膜轴承已随整机进行寿命试验验证。
[0043]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.一种三通道微波旋转关节，其特征在于:包括单波导转子(I)，双波导转子(3)、双波导定子(2)、单波导定子(4)、第一轴承(501)、第二轴承(502)、第一连接臂(9)、第二连接臂(10)、第一内导体(6)、第二内导体(7)以及第三内导体⑶；单波导转子⑴与双波导转子(3)通过第一连接臂(9)固定成转子，双波导定子(2)与单波导定子(4)通过第二连接臂(10)固定成定子，转子和定子通过第一轴承(501)和第二轴承(502)连接，实现定子与转子相对转动； 第一内导体(6)为圆柱体，单波导转子(I)上部开有与第一内导体(6)相匹配的第一圆柱形空腔，第一内导体(6)安装在第一圆柱形空腔中，与所述第一圆柱形空腔形成同轴线；单波导转子(I)环绕第一圆柱形空腔的侧壁上开有环形凹槽，所述环形凹槽与双波导定子(2)形成旋转关节第一扼流槽(11);单波导转子(I)内部开有第一矩形波导腔(14)，单波导转子(I)的第一圆柱形空腔和第一内导体(6)构成的同轴线与第一矩形波导腔(14)形成匹配传输结构； 双波导转子(3)上部开有第二圆柱形空腔，用于安装第二内导体(7)和第三内导体(8)，第二圆柱形空腔与第一圆柱形空腔共轴；双波导转子(3)内部开有第二矩形波导腔(15)和第三矩形波导腔(16)，双波导转子(3)的第二圆柱形空腔分别与第二内导体(7)和第三内导体(8)构成互不相通的对称同轴线，双波导转子(3)的第二圆柱形空腔与第二内导体(7)构成的同轴线与第二矩形波导腔(15)形成匹配传输结构，双波导转子(3)的第二圆柱形空腔和第三内导体(8)构成的同轴线与第三矩形波导腔(16)形成匹配传输结构； 双波导定子(2)上对称开有两个互不连通的圆柱形空腔，所述两个圆柱形空腔均与第一圆柱形空腔共轴；双波导定子(2)在靠近双波导转子(3) —侧的圆柱形空腔的侧壁上开有环形凹槽，该环形凹槽与双波导转子(3)形成旋转关节第二扼流槽(12);双波导定子(2)内部开有第四矩形波导腔(17)和第五矩形波导腔(18)，第一内导体(6)通过同轴线辐射，与第四矩形波导腔(17)形成匹配传输结构、第二内导体(7)通过同轴线辐射，与第五矩形波导腔(18)形成匹配传输结构； 单波导定子(4)上开有与第二圆柱形空腔共轴的第四圆柱形空腔；单波导定子(4)在环绕第四圆柱形空腔的侧壁上开有环形凹槽，该环形凹槽与双波导转子(3)形成旋转关节第三扼流槽(13);单波导定子(4)内部开有第六矩形波导腔(19)，第三内导体(8)通过同轴线辐射，与第六矩形波导腔(19)形成匹配传输结构。
2.根据权利要求1所述的三通道微波旋转关节，其特征在于:所述转子的转动范围为-135。?+135。。
3.根据权利要求1所述的三通道微波旋转关节，其特征在于:所述单波导转子(I)、双波导转子(3)、双波导定子(2)、单波导定子(4)、第一内导体(6)、第二内导体(7)以及第三内导体(8)均采用金属加工； 第一圆柱形空腔、第二圆柱形空腔、双波导定子(2)上的圆柱形空腔、第四圆柱形空腔、第一矩形波导腔(14)、第二矩形波导腔(15)、第三矩形波导腔(16)、第四矩形波导腔(17)、第五矩形波导腔(18)以及第六矩形波导腔(19)内表面均进行镀金属处理。
4.根据权利要求1所述的三通道微波旋转关节，其特征在于:所述第一矩形波导腔(14)、第二矩形波导腔(15)、第三矩形波导腔(16)、第四矩形波导腔(17)、第五矩形波导腔(18)和第六矩形波导腔(19)中均设计有阶梯，以实现匹配传输。
【文档编号】H01P3/12GK104466306SQ201410637933
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】杜明亮, 胡磊, 陈蓉, 李连辉, 郭健, 李刚, 刘越东 申请人:北京遥测技术研究所, 航天长征火箭技术有限公司