一种大功率多模宽带旋转关节

1.本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及到一种大功率多模宽带微波旋转关节。


背景技术：

2.随着国民经济的发展，微波在高功率微波武器、超级干扰机、高功率雷达、冲击雷达、高能射频加速器和受控热核聚变的等离子体加热等方面的应用愈来愈广泛。同时，随着功能的不断升级，这些系统对产生微波的功率源提出了工作频带更宽、功率更高等新要求。在低频段上，器件本身尺寸较大。即使是采用基模工作，器件本身也能实现上百千万瓦甚至兆瓦功率的输出。因此，在低频段，大多数高功率微波源都采用矩形波导te
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模式或者圆波导te
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模式、tm
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模式等低阶模式输出。在高频段上，为了产生大功率，器件通常会采用高阶模式如te
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模式作为工作模式。为了将功率源输出的大功率微波传输至天线处，需要使用与功率源输出模式匹配的大功率传输线对微波进行传输与操控。
3.旋转关节是大功率微波传输线上重要的功能器件，能在大功率传输线进行机械转动的同时，确保馈线中电磁能量的正常传输，是保障机械扫描雷达能够顺利发射和接收各方位电磁波的关键器件。通常，旋转关节由转子、定子和扼流结构相互连接组成，定子和转子之间留有空隙，使得两者可以发生旋转。但是导波结构的不连续性会导致微波泄露和反射增大的问题。更为严重的是，在大功率情况下，导波结构的不连续性容易导致系统局部场强过强，造成系统发生功率击穿。扼流结构的存在就是为了在实现机械转动的同时，达到微波高效传输的目的。为了将大功率微波源更好地应用于系统中，需要研制大功率宽带微波旋转关节。
4.圆对称模式在旋转关节旋转过程中受影响更小，且不会因为结构旋转而导致输出波束的极化方向发生改变，是目前的旋转关节常用的工作模式。为了将功率源输出矩形波导te
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模式传输到雷达的扫描天线，muhammad tayyab azim等人设计了te
10-tem-tm
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的模式转换链路，将线极化模式转换成圆对称模式tm
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模，实现了低于0.65db的传输损耗，但带宽仅有8.3％(muhammad t.a.,junhyeong p.,and seong-ook p.,"contactless linear rotary joint at ku-band",ieee microwave and wireless components letters，volume:29,issue:6,june 2019，pp.373-375)。类似的，liang zhao等人设计了一种由基板集成波导馈电的旋转关节，通过在siw末端添加耦合单元，激励起同轴线中的tem模并将其作为旋转关节的工作模式，使旋转关节达到了25％的相对带宽(l.zhao,j.shi,and k.xu,"broadband coaxial rotary joint with simple substrate integrated waveguide feeder",ieee access,vol.7,pp.139499
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139503,2019)。上述两个旋转关节设计均采用两段阻抗不同的四分之一波长级联支线作为扼流结构，其中一段与接缝处相连，另外一段终端短路。通过控制支线中扼流槽的厚度改变级联支线的阻抗，可以最小化旋转关节空隙对波导内电磁波的影响。在半波长距离下，旋转关节接缝处等效于短路，从而使电磁波能量得以畅通。这种扼流结构的工作频率与支线长度高度相关，因此具有较为有限的工作带宽。同
时，多个模式转换的级联也会限制上述旋转关节的工作带宽。更重要的是，基于同轴波导和siw等结构的旋转关节限制了整个器件的功率容量，使这些旋转关节无法应用于大功率微波系统。
5.为了满足大功率系统的应用，daniel haas提出了一种基于波纹槽波导结构的旋转关节。通过波纹槽波导和反射式圆极化器偏振器的组合，可以实现波束的转动和高效传输，即使在w波段依然表现出了良好的性能(haas,d.,thumm,m.&jelonnek,j."broadband rotary joint concept for high-power radar applications",j infrared milli terahz waves 42,107
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116,2021)。该旋转关节之所以取得高性能的关键在于工作模式为he
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模。较te
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模式等其他模式而言，he
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模式具有很好的准直性，场强分布主要集中于波导中心，没有强烈的边缘场。即使留有较大的空隙，也不会影响波束的传输和造成微波泄露。但是，这种大功率旋转关节的使用需要将功率源输出的模式转化成he
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模式。模式变换链路的使用会使得大功率系统变得及其复杂。
6.综上，现有的旋转关节的思路为根据工作模式的特征，通过引入模式转换或者极化转换的方式在导波结构转动的同时实现微波的高效传输。这种根据工作模式特征来进行设计的旋转关节具有鲜明的模式选择特征，只能工作于单一模式下。


技术实现要素：

7.为了满足大功率微波雷达的性能要求，在考虑旋转关节的工作带宽、传输损耗和结构紧凑性的同时，兼顾常用的圆波导工作模式，本发明提出了一种新的大功率多模宽带微波旋转关节技术方案，以满足不同大功率微波系统的应用要求。
8.本发明采用的技术方案如下：
9.一种大功率多模宽带旋转关节，包括转子圆波导、定子圆波导、以及轴承结构；所述转子圆波导和所述定子圆波导为口径相同、中轴线重合的过模圆波导，通过轴承结构实现相对旋转；所述转子圆波导和所述定子圆波导的相邻端面存在一定间距，保证两者能够实现相对旋转。
10.其特征在于，所述旋转关节，还包括设置于转子圆波导和定子圆波导端面处的间隙波导扼流结构；
11.所述间隙波导扼流结构，包括设置于定子圆波导端面的环形凹槽、设置于环形凹槽内的金属圆柱阵列；所述金属圆柱阵列包括3个等间距设置的同心环阵列，每个同心环阵列都由均匀排布的n个金属圆柱组成，相邻同心环阵列之间错开半个周期，使任意金属圆柱与相邻层临近的两个金属圆柱构成等腰三角形。该结构作为旋转关节的主要扼流结构抑制电磁波从端口缝隙中向外泄露。
12.进一步地，所述环形凹槽的深度为0.25-0.35λ，相邻同心环阵列之间的间距为0.3-0.4λ；同一环中，相邻金属圆柱的中心距为0.3-0.4λ；金属圆柱的直径为0.15-0.2λ，高度为0.25-0.35λ，且不高于凹槽深度。
13.进一步地，所述环形凹槽与定子圆波导内壁的间距为λ/4；其中，λ为旋转关节工作模式中心频率所对应的导波波长。这一段过渡段实质是一个四分之一波长阻抗变压器，将接缝处开路转换为短路，从而减少接缝处的反射。
14.进一步地，所述环形凹槽的外侧设置有环形槽结构的扼流圈，扼流圈内壁与间隙
波导扼流结构所在环形凹槽的外壁间距为λ/4，扼流圈凹槽宽度为0.1-0.2λ，深度为0.2-0.3λ。该结构作为间隙波导扼流结构外部的阻抗变压器进一步减小间隙波导扼流结构中未被完全抑制的电场，阻碍微波的泄露。
15.进一步地，所述转子圆波导和所述定子圆波导的相邻端面的间距为0.1mm。
16.进一步地，所述轴承结构包括轴承主体、轴承内挡圈、轴承外挡圈和轴承外档壁。其中，所述轴承外挡壁与转子圆波导固定连接，所述轴承主体设置于定子圆波导与轴承外挡壁之间；所述轴承内挡圈和轴承外挡圈位于轴承朝定子方向的端面，并分别与定子圆波导和转子圆波导外挡壁相连，共同固定住轴承的位置，使其除旋转外不产生相对位移。
17.为了满足大功率微波传输和多模工作的要求，本发明采用了两个口径相同、中轴线重合的过模圆波导作为旋转关节的主体波导。两者相邻端面之间存在微小间距，使其可以在不接触的情况下实现相对旋转。
18.为了防止电磁波能量从端面缝隙中泄露，本发明在端面处设计了间隙波导扼流结构作为旋转关节的主要扼流结构。间隙波导扼流结构是一种周期性结构，其一侧为光滑金属平面，另一侧为金属圆柱周期阵列，结构的不同部分不需要电接触，这很好的符合了旋转关节的结构要求。金属圆柱周期阵列可以模拟一个高阻抗平面，并与金属平面组成了一个电磁带隙结构，阻碍电磁波在平行板波导中传播。同时，该周期单元具有相当宽的电磁禁带，将其引入扼流结构可以有效提高旋转关节的工作带宽。
19.通过研究金属圆柱的排列方式发现，同心环排布的金属圆柱阵列相较于横纵排布和三角排布方式具有更高的旋转对称性。当相邻层金属圆柱按错开半个周期的同心环方式排列时，金属圆柱阵列的周期连续性进一步提高，对于不同电场方向输入的电磁波都能保持优异的抑制效果。
20.对于截止频率更高的高次模，其导波波长更大，则需要更小的排列周期和单元尺寸使其传播得到抑制，因此多模的实现必将以带宽的减少为代价。之前提到的四分之一波长阻抗变换结构同样会产生多模与带宽的取舍问题。本发明旋转关节设计方案无需使用模式转换结构，使其能够不仅仅局限于特定模式的输入。对多个传播模式的适用性要求其扼流结构具有宽频带工作的特性，而间隙波导扼流结构的禁带带宽相当宽，即使考虑多个临近模式也可以在一个波段内保持对电磁波的良好抑制。对于所需的大功率微波雷达系统，te
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模以上的高次模很少在旋转关节中使用，可以通过te
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模的截止频率确定过模圆波导的口径大小，从而抑制高次模的产生。te
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模的场强集中于圆波导中心，边缘场较小，即使没有相应的扼流结构也几乎不会从接缝处泄露；而te
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等低次模具有相近的截止频率，即使同时考虑这些模式该旋转关节仍然具有足够的带宽，因此该选装关节能够同时满足多模和宽带的要求。
21.本发明所具有的显著优点是：
22.1、本发明通过间隙波导结构与扼流圈结构的组合，能够有效降低旋转关节接缝处的场强，适用于大功率微波的传输，具有高功率容量和低传播损耗。
23.2、本发明基于间隙波导技术，工作频率宽，能够在相对带宽超过80％的范围内实现微波的高效率传输。
24.3、本发明舍去了模式转换的结构，整体结构更加紧凑，同时不再局限于特定模式的输入，可以支持多种圆波导模式在旋转关节内传输。
25.4、本发明可以根据需要灵活调整周期性结构的尺寸，从而满足实际使用中对工作频段的要求。
26.5、本发明属于非接触式旋转接头，减少了连接部位的磨损，拥有更长的使用寿命。
附图说明
27.图1是本发明实施例的内部结构图；
28.图2是本发明实施例的纵截面图；
29.图3是本发明实施例的定子部分正视图；
30.图4是本发明实施例的s
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和s
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曲线图；
31.图5是本发明实施例的旋转关节接缝处处沿径向的电场强度图。
32.附图标号说明:1为转子圆波导，2为定子圆波导，3为轴承外挡壁，4为轴承外挡圈，5为轴承内挡圈，6为封装外壳，7为轴承主体，8为间隙波导扼流结构，9为扼流圈，10为螺口，11为间隙波导扼流结构的环形凹槽，12为金属圆柱。
具体实施方式
33.下面结合附图，以满足ku波段大功率回旋行波管系统指标为设计目标，对ku波段非接触式大功率微波旋转关节的具体实施方式进行描述。
34.如图1、图2所示，所述大功率多模宽带旋转关节，包括转子圆波导1、定子圆波导2、间隙波导扼流结构8、扼流圈结构9以及连接结构；所述转子圆波导1和所述定子圆波导2为口径相同、中轴线重合的过模圆波导，其半径为25mm，并通过轴承结构实现相对旋转；所述间隙波导扼流结构8和扼流圈结构9设置于转子圆波导1和定子圆波导2的相邻端面处。端面的间距为0.1mm，保证两者能够实现相对旋转。
35.如图3所示，所述间隙波导扼流结构8，包括设置于定子圆波导2端面的环形凹槽11、设置于环形凹槽内的金属圆柱阵列。环形凹槽11的宽度为25mm，深度为6mm，其内壁与定子圆波导内壁的距离为5mm。所述金属圆柱阵列包括3个等间距设置的同心环阵列，每个同心环阵列都由均匀排布的30个金属圆柱组成，相邻同心环阵列之间错开半个周期。在本实例中，金属圆柱12半径为1.75mm，高度为6mm；最内层的同心环与圆波导中心距离为35.5mm，相邻同心环之间的间距为7.1mm。
36.所述扼流圈结构9，为定子平面上的第二个环形槽，凹槽宽度为2mm，深度为6mm，其内壁与间隙波导扼流结构8所在环形凹槽的外壁间距为5mm。
37.所述轴承结构，包括轴承外挡壁3，轴承外挡圈4，轴承内挡圈5，以及轴承主体7。其中，轴承外挡壁3与转子圆波导1固定连接，与定子圆波导壁2分别贴合住轴承主体7的外壁和内壁。以转子圆波导1方向为顶部，另一方向为底部，轴承内挡圈5和轴承外挡圈4位于轴承主体7的底部，分别与定子圆波导2和轴承外挡壁3相连，共同固定住轴承主体7的位置，使其除旋转外不产生相对位移。结构之间通过铆钉结构进行连接。
38.在旋转关节底部，通过封装外壳6对轴承结构进行底部的封装，方便与其他传输链路进行连接。
39.图4给出了本实施例中te
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和tm
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模式的s参数曲线。其中，s
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为反射曲线，s
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为传输曲线。在8-20ghz的频段内，旋转关节te
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模的插入损耗低于0.02db，反射系数低于-35db，
具有优异的传输性能。tm
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模同样具有良好的插入损耗和回波损耗。
40.图5给出了本实施例中旋转关节接缝处沿径向的te
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和tm
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模式的电场强度。测量线如图所示，位于旋转关节边缘场的最大方向上。通过仿真得到了在8-20ghz的频段内该测量线上的电场强度，并将其中的最大电场强度展示在图5中。由图可见，te
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模在接缝处泄露的最大电场强度400v/m，离圆波导距离超过5mm处电场强度几乎为0，证明了间隙波导扼流结构对微波传播的有效抑制。这些结果都表明该旋转关节可以有效防止微波泄露。该旋转接头在具有优良的传输性能的同时，工作带宽超过80％。根据功率容量公式计算，该旋转关节的功率容量可以达到50mw。
41.以上实例仅为方便说明，本发明同样可以适用于其他频段的圆波导旋转关节上。其他的任何本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。