一种大功率多模宽带旋转关节制造技术

本发明专利技术公开了一种大功率多模宽带微波旋转关节，属于微波毫米波技术领域。该旋转关节包括转子圆波导、定子圆波导、以及使两者实现相对旋转的轴承结构；转子圆波导和定子圆波导为口径相同、中轴线重合的过模圆波导，相邻端面存在一定间距，且设置有间隙波导扼流结构与扼流圈；间隙波导扼流结构包括环形凹槽、以及金属圆柱组成的同心环阵列。本发明专利技术通过间隙波导结构与扼流圈的组合，能够有效降低旋转关节接缝处的场强，能够在相对带宽超过80％的范围内实现微波的高效率传输，具有高功率容量和低传播损耗的优势；同时，本发明专利技术结构紧凑，属于非接触式旋转接头，支持多种圆波导模式在旋转关节内传输，拥有更长的使用寿命。拥有更长的使用寿命。拥有更长的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种大功率多模宽带旋转关节


[0001]本专利技术属于微波毫米波
，具体涉及到一种大功率多模宽带微波旋转关节。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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
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‑
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
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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
–
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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]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，本专利技术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。
[0008]本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]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。
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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；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；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。2.如权利要求1所述的一种大功率多模宽带旋转关节，其特征在于，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
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴泽威，宋洪宇，李泉立，杨杰，蒲友雷，刘国，王建勋，罗勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：