一種緊湊型Ku波段波導旋轉關節的設計

零八一電子集團四川力源電子有限公司 王佳倫 諶國平

0 引言

微波旋轉關節通常指能夠實現轉動部分與固定部分相對旋轉要求的饋線結構器件，其常規技術指標要求有：低駐波、小損耗、高隔離（僅針對多路情況）。在各類機械掃描雷達系統中，旋轉關節處于系統的咽喉部位，作用不可替代，因而是機械掃描雷達饋電系統中的關鍵元器件之一。隨著航空、航天雷達技術的發展，各類小型化、輕量化旋轉關節的需求日益增強，這就對旋轉關節的綜合設計提出了更高的要求。

1 工作原理

I型波導旋轉關節要求輸入、輸出端口的中心軸線相互重合，兩個端口保持平行且能夠實現360°旋轉（如圖1所示）。根據微波理論[1]可知，輸入端的矩形波導傳輸TE10模式電磁波，其截面電場分布不具備圓周對稱特性，為了實現關節360°的旋轉功能，須先將TE10模式電磁波轉變為TEM模式/TM01模式電磁波，經過旋轉結構后再轉變為TE10模式電磁波輸出。

圖1 I型波導旋轉關節

2 技術指標及方案分析

2.1 技術指標

某雷達饋線系統需要的I型旋轉關節指標如下：工作頻段13.75GHz～14.50GHz，電壓駐波比VSWR≤1.20，插入損耗IL≤0.30dB；輸入、輸出均為BJ120波導端口，總長為58mm。

2.2 設計方案分析

以文獻[2]提供的波導關節結構作為原型，將Port 2進行延長、彎曲（如圖2所示），使兩個端口中心軸線重合且端面保持平行，雖然能夠滿足電參數指標要求，但總長58mm難以保證（如果采用文獻[3]的TM01模式結構，也會存在同樣問題），且由于內導體探針圓球端完全處于懸空狀態，對加工、裝配要求的精度較高，特別是在劇烈震動/沖擊場合還可能發生結構變形導致指標偏離。將文獻[2]提供的波導關節結構按圖3進行改進，即：取Port 1所在的上半部進行鏡像，雖然能夠滿足上述技術要求，但由于內導體兩端各自焊接成型，極有可能存在焊接導致腔體變形、內外導體旋轉不同心等問題。

圖2 端口彎曲結構

經過對電性能指標、結構尺寸、工藝實現難度等因素的綜合考慮，本文最終采用的是TE10→TEM→TE10的模式轉換方式，在圖3的基礎上將內、外導體整體化設計，通過對TE10→TEM階梯轉換及扼流結構的參數調整完成對器件整體性能的優化，最終獲得了13.75GHz～14.50GHz，VSWR≤1.13，IL≤0.17dB的實測指標。

3 設計過程

3.1 TE10→TEM模式轉換器設計

脊波導與矩形波導在同截面情況下相比較，脊波導能夠獲得更寬的單模工作帶寬，因此本文在TE10→TEM模式轉換器設計中采用了脊波導階梯阻抗變換結構。

為了使規定反射系數下變換結構尺寸最短，采用了切比雪夫多項式進行設計。已知：，根據電壓駐波比要求并兼顧長度尺寸限制等因素，選定三節阻抗變換，其每節阻抗值為：式分別為脊波導的截面尺寸[4]（如圖4所示），根據式1-式3，即可計算出脊波導阻抗段的結構尺寸。

圖4 脊波導截面尺寸

3.2 扼流槽設計

旋轉關節的扼流槽主要有半波長串聯支線扼流結構、電容耦合結構以及徑向扼流結構等類型。從工作頻段及結構尺寸等方面綜合考慮，本文選擇了半波長串聯支線扼流結構進行設計。

外導體半波長串聯支線扼流槽如圖5所示，其原理是：采用阻抗不同的兩節1/4波長支線級聯，一段終端短路，將機械接觸點設置于距離短路端1/4波長處，外導體縫隙等效于短路，使微波能量順利傳輸。外導體結構不連續性引入的電壓駐波比可用式4-式8進行計算。

同軸線內導體的直徑較小（φ3.04mm），按外導體扼流槽方式設計將面臨諸多結構困難，因此將其設計成電容性結構（如圖5所示），同軸線內導體與圓波導的組合體等效于容性導納-jX，內導體結構不連續性引入的電壓駐波比可用式9進行計算。

圖5 扼流結構示意圖

圖6 整體結構尺寸

3.3 工藝難點

為保證關節轉動過程中電參數起伏小、轉動平穩、可靠性高，關節的轉動部分、固定部分均采用精密數控車削加工一次性裝夾完成，嚴格保證內、外導體間的同軸度要求。同軸內導體與阻抗變換臺階過渡部分采用精密數控電火花加工，在保證尺寸精度及位置度的同時盡量減少加工帶來的結構變形。

4 仿真與測試

根據上述理論分析與計算方法，利用Matlab軟件和Ansoft HFSS軟件進行計算及電性能指標仿真，經過多次優化得到結構尺寸如圖6所示：矩形波導口徑a=19.05mm，b=9.525mm；同軸線尺寸：φD=7mm，φd=3.04mm，總長L=20.2mm，內外導體扼流槽間隙t=0.4mm；階梯尺寸：寬度W=2.9mm，L1=1.4mm，L2=4.57mm，L3=3.3mm，H1=1.22mm，H2=2.59mm，H3=3.06mm。

根據上述仿真尺寸，加工了2件關節實物（如圖7所示），典型的插入損耗IL測試結果如圖8所示，測試結果滿足技術要求。

圖7 實物圖

圖8 典型的插入損耗IL測試結果

電壓駐波比VSWR測試結果如圖9、圖10所示，將測試結果與仿真數據對比，兩者吻合較好（如圖11所示）。

圖9 樣件1電壓駐波比的測試結果

圖10 樣件2電壓駐波比的測試結果

圖11 測試結果與仿真數據對比

5 結束語

本文設計了一種緊湊型Ku波段波導旋轉關節（I型結構），在理論計算和仿真優化的基礎上加工了實物，測試結果與仿真數據吻合良好，最終獲得了13.75GHz～14.50GHz頻段內，電壓駐波比VSWR≤1.13，插入損耗IL≤0.17dB的實測指標，結構全長僅58mm，且能夠進一步縮短至41mm，可廣泛應用于航空、航天等小型化、輕量化的雷達系統中。

引文

①廖承恩.微波技術基礎[M].西安:西安電子科技大學出版社,1994.

②鄧智勇,蘇麗,阮云國.Ka波段旋轉關節的設計[J].無線電通信技術,2009(02).

③張佳龍.濾波筒式圓波導旋轉關節的設計[J].火控雷達技術,2012(04).

④閻潤卿,李英惠.微波技術基礎[M].北京:北京理工大學出版社,1988.