王 宇,黃旭峰

(北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心,北京100094)

0 引 言

轉(zhuǎn)臺(tái)式拋物面天線是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成星地時(shí)間同步、建立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)備,天線時(shí)延特性會(huì)影響導(dǎo)航系統(tǒng)提供服務(wù)的精度。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是轉(zhuǎn)臺(tái)式拋物面天線的關(guān)鍵部件,且旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是隨天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)延值易發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)件,有必要研究并掌握旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的時(shí)延特性,確保導(dǎo)航系統(tǒng)提供服務(wù)的精度。

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是轉(zhuǎn)臺(tái)天線系統(tǒng)中保證射頻信號(hào)連續(xù)的裝置[1],它是各類轉(zhuǎn)臺(tái)天線饋線段的一個(gè)關(guān)鍵性微波器件[2]。根據(jù)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)動(dòng)環(huán)和定環(huán)[3]的接觸方式可分為非接觸式和接觸式,對(duì)于滿足使用需要的限動(dòng)天線(如方位可在-320°～320°之間旋轉(zhuǎn)),為改善其時(shí)延特性,使用電纜替代旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),可稱為電纜替代式限動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)延特性分析

1.1 非接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

非接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要包括有內(nèi)導(dǎo)體刨開式圓環(huán)同軸關(guān)節(jié)、同軸線非接觸式關(guān)節(jié)、電容耦合式同軸關(guān)節(jié)、繞柱式同軸關(guān)節(jié)[4],雖然它們的設(shè)計(jì)方案各有不同,但均通過設(shè)置微波扼流耦合槽實(shí)現(xiàn)信號(hào)連續(xù)傳輸。非接觸動(dòng)式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的動(dòng)環(huán)信號(hào)傳輸口可以靈活設(shè)置在內(nèi)壁上,方便進(jìn)行多路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的疊加[5],可滿足天線系統(tǒng)對(duì)多路信號(hào)的需求。非接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用內(nèi)外兩層同軸線嵌套結(jié)構(gòu),內(nèi)外導(dǎo)體機(jī)械加工精度不高及其裝配同心度差,均會(huì)造成動(dòng)環(huán)激勵(lì)探針相對(duì)定環(huán)微波扼流耦合槽位置的變化,從而影響其時(shí)延的穩(wěn)定性。

1.2 接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),其動(dòng)環(huán)與定環(huán)之間通過觸點(diǎn)滑動(dòng)連接保持信號(hào)的連續(xù)傳輸。根據(jù)動(dòng)環(huán)與定環(huán)間觸點(diǎn)連接方式不同還可細(xì)分為觸點(diǎn)滑環(huán)電刷式關(guān)節(jié)、同軸線直接接觸式關(guān)節(jié)[4],接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)要求動(dòng)環(huán)與定環(huán)間的縫隙盡可能小,必須有良好的電接觸,使接觸損耗降低,減少電磁能量在接觸處的反射而引起能量損失。這類旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)因?yàn)閯?dòng)環(huán)與定環(huán)間有滑動(dòng)摩擦所以旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速不能太高,并且滑動(dòng)摩擦?xí)a(chǎn)生磨損,使電性能可靠性下降。由于其電信號(hào)傳輸方式不是靠耦合傳遞而是直接物理接觸,所以這類旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)信號(hào)傳輸帶寬非常容易達(dá)到寬頻帶的要求。接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)調(diào)試簡(jiǎn)單,只要保證關(guān)節(jié)部件結(jié)構(gòu)加工精度,設(shè)計(jì)出合理的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)動(dòng)環(huán)、定環(huán)觸點(diǎn)類型,就可保證旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的時(shí)延穩(wěn)定特性。

1.3 電纜替代式限動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

轉(zhuǎn)臺(tái)式天線旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可作無障礙旋轉(zhuǎn),但在一些特定情況下,不需要天線作無障礙旋轉(zhuǎn),例如天線方位轉(zhuǎn)動(dòng)范圍僅在-320°～320°之間的限動(dòng)天線,可使用寬溫、穩(wěn)相、低損耗、柔軟電纜隨卷繞裝置完成天線方位平臺(tái)動(dòng)環(huán)與天線立柱內(nèi)定環(huán)的連接,每個(gè)電纜組件代替一路關(guān)節(jié),用來獲得更好的關(guān)節(jié)電氣指標(biāo)。線纜替代式限動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于調(diào)試與更換,多路關(guān)節(jié)之間電性能一致性好。電纜替代式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的電性能由關(guān)節(jié)內(nèi)部電纜本身電特性以及電纜隨卷繞裝置轉(zhuǎn)動(dòng)受力情況決定,只要電纜在卷繞裝置上均勻受力,就可獲得良好的時(shí)延特性。

通過上述分析,非接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是應(yīng)用最廣泛的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),可靠性高,時(shí)延穩(wěn)定性和一致性較差;接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可用于大功率信號(hào)傳遞,使用壽命較短,時(shí)延穩(wěn)定性較好;電纜替代式限動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)只能用于低功率信號(hào)傳遞,轉(zhuǎn)動(dòng)范圍受限,時(shí)延穩(wěn)定性優(yōu)異。

2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)延特性測(cè)試試驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)延特性測(cè)試需要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(以下簡(jiǎn)稱矢網(wǎng))、輔助電纜等建立測(cè)試環(huán)境,如圖1所示,為構(gòu)成測(cè)試回路,需引入測(cè)試輔助電纜連接發(fā)射俯仰關(guān)節(jié)與接收俯仰關(guān)節(jié)。其測(cè)試信號(hào)流程為:矢網(wǎng)發(fā)端口→發(fā)射方位關(guān)節(jié)→發(fā)射俯仰關(guān)節(jié)→接收俯仰關(guān)節(jié)→接收方位關(guān)節(jié)(矢網(wǎng)收端口。測(cè)試回路中所有測(cè)試線纜均保持固定,可以避免測(cè)試中電纜甩動(dòng)造成的時(shí)延抖動(dòng),提高時(shí)延的測(cè)試精度。

圖1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)延特性測(cè)試連接圖

測(cè)試頻點(diǎn)選擇通用導(dǎo)航L頻段,選擇1.2 GHz頻點(diǎn),使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為測(cè)試工具。天線方位和俯仰同時(shí)保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng),矢網(wǎng)每秒記錄一次回路時(shí)延變化值。不同類型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)其時(shí)延特性結(jié)果分別如下所述。

2.1 非接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

選用同軸線非接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分別作發(fā)射關(guān)節(jié)和接收關(guān)節(jié)構(gòu)成測(cè)試回路,進(jìn)行旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)延特性測(cè)試,其測(cè)試結(jié)果如圖2所示:橫坐標(biāo)為測(cè)試時(shí)間、縱坐標(biāo)為歸一后的時(shí)延變化值。

圖2 非接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的時(shí)延穩(wěn)定性

從圖2中可以看到耦合式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的時(shí)延特性較差,時(shí)延變化范圍在0.6 ns以內(nèi),隨著旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng),其時(shí)延會(huì)作隨機(jī)的跳動(dòng),任何微小的震動(dòng)均會(huì)引起時(shí)延的變化。

2.2 接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

選用觸點(diǎn)滑環(huán)電刷式關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分別作發(fā)射關(guān)節(jié)和接收關(guān)節(jié)構(gòu)成測(cè)試回路,進(jìn)行旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)延特性測(cè)試,其測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的時(shí)延特性

從圖3中可以看到接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)延特性穩(wěn)定性較好,時(shí)延變化范圍在0.2 ns以內(nèi),但隨著旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)時(shí)延值突跳、毛刺現(xiàn)象。

2.3 電纜替代式限動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

選用電纜替代式限動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分別作發(fā)射關(guān)節(jié)和接收關(guān)節(jié)構(gòu)成測(cè)試回路,進(jìn)行旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)延特性測(cè)試,其測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看到電纜替代式限動(dòng)關(guān)節(jié)的時(shí)延特性非常好,時(shí)延變化范圍在0.05 ns以內(nèi),較前兩種類型的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí)延特性更好。

圖4 電纜替代式限動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的時(shí)延特性

3 結(jié) 論

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)信號(hào)傳遞的方式?jīng)Q定了它們的時(shí)延穩(wěn)定特性:電纜替代式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的時(shí)延穩(wěn)定性最好,其次是接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),非接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)較差。因此我們建議衛(wèi)星導(dǎo)航轉(zhuǎn)臺(tái)天線旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)選用接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為發(fā)射關(guān)節(jié),電纜替代式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為接收關(guān)節(jié)。

[1] 湯長(zhǎng)嶺.旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J].電子機(jī)械工程,2002(1):32-34.

[2] 彭天杰.L波段二維高功率旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程,2008(2):41-43.

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