濾波筒式圓波導旋轉關節的設計

張佳龍

(中國電子科技集團公司第38 研究所 合肥 230031)

1 引言

旋轉關節是雷達饋電傳輸線中的關鍵元器件之一，在各類機械掃描的雷達系統中，旋轉關節的作用是保持天線在連續旋轉過程中饋電傳輸線中的雷達發射或接收信號連續不斷。

從場結構上看，旋轉關節一般可以分為兩個部分:旋轉部分和模式變換部分。旋轉部分的物理結構和場分布必須具有軸對稱分布的特征，這樣才能保證在連續旋轉過程中獲得穩定的輸出，例如同軸線中的TEM 模、圓波導中的TM01模等;模式變換部分則是將旋轉部分的傳輸線電磁場模式轉換為輸入輸出接口的傳輸線電磁場模式。為了實現旋轉，將旋轉部分的傳輸線在物理上斷開，分別命名為轉子和定子，同時在斷開位置合理的設計四分之一波長的扼流槽來實現射頻信號的連續傳輸。

本文討論的旋轉關節，其輸入輸出接口是矩形波導，轉動部分的傳輸線是圓波導，圓波導直徑大于矩形波導的寬邊尺寸，矩形波導與圓波導相互垂直，構成了矩-圓波導垂直過渡，在垂直過渡的圓波導兩端各有一段圓波導濾波筒，此類旋轉關節我們稱之為濾波筒式圓波導旋轉關節，其外形結構形式如圖1所示。

圖1 濾波筒式圓波導旋轉關節的外形結構示意圖

這種濾波筒式圓波導旋轉關節的主要優點是低損耗、旋轉相位穩定和耐高功率，特別是在平均功率很大的情況下，此類旋轉關節因為損耗而產生的熱量，可以很容易的傳導到金屬外殼，并可通過風冷將熱量帶走，從而保證旋轉關節內部不會因為溫度的升高而造成功率容量下降。但是，此類旋轉關節的工作帶寬比較窄，一般不超過5%，使得其應用受到很大限制。

2 理論分析與設計

濾波筒式圓波導旋轉關節的輸入輸出接口是矩形波導，其工作模式是TE10模;而通過如圖1 中所示的矩圓波導垂直過渡的模式變換之后，電磁場的模式變為了圓波導中的TM01模。TM01模的場分布具有軸對稱性，無極化簡并且波導內壁的面電流只有縱向分量，因此常將這種模式用作旋轉關節中的工作模式，其場分布如圖2所示。

圖2 圓波導TM01模的場分布

2.1 圓波導中的傳輸模式和截止波長分布

圓波導是內壁半徑為R的圓形金屬管，和矩形波導一樣，圓波導有兩類傳輸模式，即TM 模和TE 模。

圓波導中存在無窮多個TMmn模式，在這些模式中，m可以為零，而n不能為零，TM01模是TM 模中的最低次模，其截止波長λc=2.613R。

同樣的，圓波導中存在無窮多個TEmn模式，在這些模式中，m可以為零，而n不能為零。TE11模是TE 模中的最低次模，其截止波長λc=3.413R。TE21模是 TE 模中的次低次模，其截止波長 λc=2.057R［1］。

圖3 半徑為R 的圓波導中的常用模式截止波長分布

圓波導中的三個常用模式即:主模TE11模，次主模TM01模，高次模TE21，其它模式的截止波長均小于TE21模，也屬于高次模。它們的截止波長分布情況如圖3所示。

2.2 旋轉關節結構尺寸的理論設計

假設已知旋轉關節的中心工作頻率為f0，對應中心工作波長為λ0，矩形波導寬邊和窄邊尺寸分別為a和b。旋轉關節需要設計確定的結構尺寸有:圓波導半徑R1、圓波導濾波筒半徑R2、圓波導腔體長度L1、圓波導濾波筒長度L2、匹配銷與圓波導中心間距L3，如圖4所示。

2.2.1 圓波導半徑R1與濾波筒半徑R2

矩形波導中的TE10模經過矩圓波導垂直過渡可以激勵起圓波導中的TM01模，同時由于不連續性，圓波導中還會激勵起主模TE11模和其它高次模。

圓波導中高次模的抑制可以通過適當選擇圓波導的半徑R1來實現［2］，使它滿足:

2.057R1=λc(TE21)＜λ0＜λc(TM01)=2.613R1

即:

圖4 旋轉關節結構

一般的，在初始設計時可選擇R1=R2，當仿真結果不能滿足要求時，可以稍微縮小濾波筒的半徑R2來調配旋轉關節的性能。

TM01模不是圓波導中的最低次模，當R1的大小滿足上式的取值范圍時，圓波導中還可以傳輸TE11模。由于TE11模的場分布不是軸對稱的，因此在旋轉過程中TE11模的存在會使旋轉關節的輸出信號幅相變化很大，應想辦法濾除TE11模。這一任務就由兩端的圓波導短路圓筒(濾波筒)來完成［3］。

濾波筒工作于駐波狀態，它串接于矩形波導與圓波導構成的主傳輸線上。根據TE11模和TM01模在圓波導中的波導波長不同，可以適當的選擇濾波筒的長度，使得:

(式中:m=0，1，2，3…，n=1，2，3…)

根據式(2)和已知的波導波長計算公式:λg0=，選擇m和n的不同取值，可以得到濾波筒的半徑R2與中心波長λ0的比值關系，如表1所示。

表1 濾波筒的半徑R2 與中心波長λ0 的比值關系

根據式(1)可知x的取值范圍是:2.057≤x≤2.613，為了更好的抑制TE11模，應選擇x 的值盡量接近2.057，因此可以確定x=2.26484，相應的可以得到:

2.2.2 圓波導濾波筒長度L2

根據上面的分析可知，選擇X=2.26484 時，m和n的取值分別為1 和0，因此從式(2)可以得到:

TM01模的截止波長λc=2.613R，因此可得:

2.2.3 圓波導腔體長度L1

圓波導腔體的長度L1(兩個矩形波導窄邊的中心線間距)主要影響旋轉關節的工作帶寬和旋轉穩定性，理論上L1應選擇為圓波導TM01模波導波長的一半的整數倍，即:

為了使旋轉關節的工作帶寬盡可能的寬，L1越短越好，但是當圓波導腔體長度太短時，在矩-圓波導垂直過渡處因為不連續性激勵起的高次模不能得到足夠的抑制，這些非軸對稱性場結構的高次模的傳輸，會降低旋轉關節的功率容量，并影響旋轉關節的旋轉穩定性;另外，矩形波導的法蘭寬度、旋轉扼流結構和軸承厚度等也決定了圓波導腔體的長度不能太短，這一限制在C波段以上更為明顯。因此，L1理論上的最短長度應該為λg0(TM01)。

實際上，圓波導腔體的長度往往小于理論值，這是因為在矩-圓波導垂直過渡處，由于矩形波導的存在，圓波導的直徑實際上是增大了，相應的λg0(TM01)就變小了。矩形波導的口徑越大，垂直過渡處的圓波導等效直徑越大，圓波導腔體長度縮短的就越多［5］。根據設計經驗，圓波導腔體的長度L1應滿足:

式中，n=1，2，3…;b是矩形波導的窄邊尺寸。

7.2 信息公開透明的特殊要求。公示承包經營者的營業執照、食品經營許可證等資質證明以及食品原料供應渠道及品牌、主要食品原料的成本。

2.2.4 匹配銷與圓波導中心間距L3

為了減小電壓駐波比，需要在矩形波導內采用對稱感性匹配銷進行匹配。匹配銷可以用矩形膜片，也可以用圓柱銷釘。

匹配銷與圓波導中心間距L3理論上應該選擇為矩形波導TE10模波導波長的一半，即:

實際上L3一般比要大，其具體數值由需要借助仿真軟件修正。另外，匹配銷的尺寸也需要借助仿真軟件來確定。假設采用圓柱匹配銷，那么仿真計算還需要確定銷釘的直徑D和銷釘與矩形波導寬邊中心線的距離L4。

3 設計實例

根據指標要求，先確定旋轉關節各結構尺寸的初始設計參數，然后借助微波電磁場仿真軟件HFSS進行仿真設計，修正理論設計的結構參數。

某C 波段高功率旋轉關節的指標要求是:頻率范圍4.25 ～4.35GHz，駐波≤1.2，系統要求選用BJ48 的標準矩形波導作為傳輸線。

已知條件為:中心頻率f0=4.3GHz，矩形波導尺寸a=47.55mm，b=22.15mm。根據上述式(3)～式(6)可以確定初各個初始結構尺寸，借助HFSS仿真軟件，可以得到修正值。如下表2所示。

表2 旋轉關節初始結構尺寸和修正值

根據修正后的結構尺寸構建旋轉關節仿真模型，其駐波仿真結果見圖5，圖中四根曲線分別是兩個矩形波導相對偏轉0°、45°、90°和180°時的駐波。

圖5 旋轉關節駐波仿真結果

實際加工出來的旋轉關節的駐波實測結果見圖6，圖中四根曲線分別是兩個矩形波導相對偏轉0°、45°、90°和180°的實測值。

圖6 旋轉關節駐波實測結果

可以看出，實測結果與圖5所示的仿真數據比較吻合，而且實測旋轉關節的插損小于0.1dB，插損旋轉起伏小于0.05dB，相位旋轉起伏小于1°。此旋轉關節經過平均功率達20kW 的開機驗證，未出現過打火現象，工作穩定可靠。

4 結論

在設計此類帶有濾波筒的圓波導旋轉關節時，按照本文所述的設計方法和設計公式，可以快速得到基本滿足指標要求的各個結構尺寸，同時應用微波電磁場仿真軟件HFSS 進行優化設計，就可以省去大量的調試工作并保證一次設計成功，繼而獲得性能優良的旋轉關節實物。

［1］呂善偉.微波工程基礎［M］.北京:航空航天大學出版社，1995，8:108 ～113.

［2］殷連生.相控陣雷達饋線技術［M］.北京:國防工業出版社，2007，12:181 ～182.

［3］顧瑞龍.微波技術與天線［M］.北京:國防工業出版社，1980，305 ～306.

［4］尹鵬飛，張成全.圓波導耦合TM01 模旋轉關節仿真設計［J］.現代電子技術2008，(5):179-180.

［5］朱乙平.大功率圓波導旋轉鉸鏈的設計與仿真研究［J］.雷達與對抗，2006，(1):57-60.