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        濾波筒式圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

        2012-04-14 03:04:42張佳龍
        火控雷達(dá)技術(shù) 2012年4期
        關(guān)鍵詞:矩形波導(dǎo)傳輸線腔體

        張佳龍

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38 研究所 合肥 230031)

        1 引言

        旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是雷達(dá)饋電傳輸線中的關(guān)鍵元器件之一,在各類機(jī)械掃描的雷達(dá)系統(tǒng)中,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的作用是保持天線在連續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中饋電傳輸線中的雷達(dá)發(fā)射或接收信號(hào)連續(xù)不斷。

        從場(chǎng)結(jié)構(gòu)上看,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)一般可以分為兩個(gè)部分:旋轉(zhuǎn)部分和模式變換部分。旋轉(zhuǎn)部分的物理結(jié)構(gòu)和場(chǎng)分布必須具有軸對(duì)稱分布的特征,這樣才能保證在連續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中獲得穩(wěn)定的輸出,例如同軸線中的TEM 模、圓波導(dǎo)中的TM01模等;模式變換部分則是將旋轉(zhuǎn)部分的傳輸線電磁場(chǎng)模式轉(zhuǎn)換為輸入輸出接口的傳輸線電磁場(chǎng)模式。為了實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn),將旋轉(zhuǎn)部分的傳輸線在物理上斷開(kāi),分別命名為轉(zhuǎn)子和定子,同時(shí)在斷開(kāi)位置合理的設(shè)計(jì)四分之一波長(zhǎng)的扼流槽來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的連續(xù)傳輸。

        本文討論的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),其輸入輸出接口是矩形波導(dǎo),轉(zhuǎn)動(dòng)部分的傳輸線是圓波導(dǎo),圓波導(dǎo)直徑大于矩形波導(dǎo)的寬邊尺寸,矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)相互垂直,構(gòu)成了矩-圓波導(dǎo)垂直過(guò)渡,在垂直過(guò)渡的圓波導(dǎo)兩端各有一段圓波導(dǎo)濾波筒,此類旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)我們稱之為濾波筒式圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),其外形結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

        圖1 濾波筒式圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的外形結(jié)構(gòu)示意圖

        這種濾波筒式圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)是低損耗、旋轉(zhuǎn)相位穩(wěn)定和耐高功率,特別是在平均功率很大的情況下,此類旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)因?yàn)閾p耗而產(chǎn)生的熱量,可以很容易的傳導(dǎo)到金屬外殼,并可通過(guò)風(fēng)冷將熱量帶走,從而保證旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)部不會(huì)因?yàn)闇囟鹊纳叨斐晒β嗜萘肯陆怠5?,此類旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的工作帶寬比較窄,一般不超過(guò)5%,使得其應(yīng)用受到很大限制。

        2 理論分析與設(shè)計(jì)

        濾波筒式圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的輸入輸出接口是矩形波導(dǎo),其工作模式是TE10模;而通過(guò)如圖1 中所示的矩圓波導(dǎo)垂直過(guò)渡的模式變換之后,電磁場(chǎng)的模式變?yōu)榱藞A波導(dǎo)中的TM01模。TM01模的場(chǎng)分布具有軸對(duì)稱性,無(wú)極化簡(jiǎn)并且波導(dǎo)內(nèi)壁的面電流只有縱向分量,因此常將這種模式用作旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中的工作模式,其場(chǎng)分布如圖2所示。

        圖2 圓波導(dǎo)TM01模的場(chǎng)分布

        2.1 圓波導(dǎo)中的傳輸模式和截止波長(zhǎng)分布

        圓波導(dǎo)是內(nèi)壁半徑為R的圓形金屬管,和矩形波導(dǎo)一樣,圓波導(dǎo)有兩類傳輸模式,即TM 模和TE 模。

        圓波導(dǎo)中存在無(wú)窮多個(gè)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(zhǎng)λc=2.613R。

        同樣的,圓波導(dǎo)中存在無(wú)窮多個(gè)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(zhǎng)λc=3.413R。TE21模是 TE 模中的次低次模,其截止波長(zhǎng) λc=2.057R[1]。

        圖3 半徑為R 的圓波導(dǎo)中的常用模式截止波長(zhǎng)分布

        圓波導(dǎo)中的三個(gè)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(zhǎng)均小于TE21模,也屬于高次模。它們的截止波長(zhǎng)分布情況如圖3所示。

        2.2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸的理論設(shè)計(jì)

        假設(shè)已知旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的中心工作頻率為f0,對(duì)應(yīng)中心工作波長(zhǎng)為λ0,矩形波導(dǎo)寬邊和窄邊尺寸分別為a和b。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)需要設(shè)計(jì)確定的結(jié)構(gòu)尺寸有:圓波導(dǎo)半徑R1、圓波導(dǎo)濾波筒半徑R2、圓波導(dǎo)腔體長(zhǎng)度L1、圓波導(dǎo)濾波筒長(zhǎng)度L2、匹配銷(xiāo)與圓波導(dǎo)中心間距L3,如圖4所示。

        2.2.1 圓波導(dǎo)半徑R1與濾波筒半徑R2

        矩形波導(dǎo)中的TE10模經(jīng)過(guò)矩圓波導(dǎo)垂直過(guò)渡可以激勵(lì)起圓波導(dǎo)中的TM01模,同時(shí)由于不連續(xù)性,圓波導(dǎo)中還會(huì)激勵(lì)起主模TE11模和其它高次模。

        圓波導(dǎo)中高次模的抑制可以通過(guò)適當(dāng)選擇圓波導(dǎo)的半徑R1來(lái)實(shí)現(xiàn)[2],使它滿足:

        2.057R1=λc(TE21)<λ0<λc(TM01)=2.613R1

        即:

        圖4 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

        一般的,在初始設(shè)計(jì)時(shí)可選擇R1=R2,當(dāng)仿真結(jié)果不能滿足要求時(shí),可以稍微縮小濾波筒的半徑R2來(lái)調(diào)配旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的性能。

        TM01模不是圓波導(dǎo)中的最低次模,當(dāng)R1的大小滿足上式的取值范圍時(shí),圓波導(dǎo)中還可以傳輸TE11模。由于TE11模的場(chǎng)分布不是軸對(duì)稱的,因此在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中TE11模的存在會(huì)使旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的輸出信號(hào)幅相變化很大,應(yīng)想辦法濾除TE11模。這一任務(wù)就由兩端的圓波導(dǎo)短路圓筒(濾波筒)來(lái)完成[3]。

        濾波筒工作于駐波狀態(tài),它串接于矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)構(gòu)成的主傳輸線上。根據(jù)TE11模和TM01模在圓波導(dǎo)中的波導(dǎo)波長(zhǎng)不同,可以適當(dāng)?shù)倪x擇濾波筒的長(zhǎng)度,使得:

        (式中:m=0,1,2,3…,n=1,2,3…)

        根據(jù)式(2)和已知的波導(dǎo)波長(zhǎng)計(jì)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(zhǎng)λ0的比值關(guān)系,如表1所示。

        表1 濾波筒的半徑R2 與中心波長(zhǎng)λ0 的比值關(guān)系

        根據(jù)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(yīng)選擇x 的值盡量接近2.057,因此可以確定x=2.26484,相應(yīng)的可以得到:

        2.2.2 圓波導(dǎo)濾波筒長(zhǎng)度L2

        根據(jù)上面的分析可知,選擇X=2.26484 時(shí),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(zhǎng)λc=2.613R,因此可得:

        2.2.3 圓波導(dǎo)腔體長(zhǎng)度L1

        圓波導(dǎo)腔體的長(zhǎng)度L1(兩個(gè)矩形波導(dǎo)窄邊的中心線間距)主要影響旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的工作帶寬和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性,理論上L1應(yīng)選擇為圓波導(dǎo)TM01模波導(dǎo)波長(zhǎng)的一半的整數(shù)倍,即:

        為了使旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的工作帶寬盡可能的寬,L1越短越好,但是當(dāng)圓波導(dǎo)腔體長(zhǎng)度太短時(shí),在矩-圓波導(dǎo)垂直過(guò)渡處因?yàn)椴贿B續(xù)性激勵(lì)起的高次模不能得到足夠的抑制,這些非軸對(duì)稱性場(chǎng)結(jié)構(gòu)的高次模的傳輸,會(huì)降低旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的功率容量,并影響旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性;另外,矩形波導(dǎo)的法蘭寬度、旋轉(zhuǎn)扼流結(jié)構(gòu)和軸承厚度等也決定了圓波導(dǎo)腔體的長(zhǎng)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(zhǎng)度應(yīng)該為λg0(TM01)。

        實(shí)際上,圓波導(dǎo)腔體的長(zhǎng)度往往小于理論值,這是因?yàn)樵诰?圓波導(dǎo)垂直過(guò)渡處,由于矩形波導(dǎo)的存在,圓波導(dǎo)的直徑實(shí)際上是增大了,相應(yīng)的λg0(TM01)就變小了。矩形波導(dǎo)的口徑越大,垂直過(guò)渡處的圓波導(dǎo)等效直徑越大,圓波導(dǎo)腔體長(zhǎng)度縮短的就越多[5]。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),圓波導(dǎo)腔體的長(zhǎng)度L1應(yīng)滿足:

        式中,n=1,2,3…;b是矩形波導(dǎo)的窄邊尺寸。

        7.2 信息公開(kāi)透明的特殊要求。公示承包經(jīng)營(yíng)者的營(yíng)業(yè)執(zhí)照、食品經(jīng)營(yíng)許可證等資質(zhì)證明以及食品原料供應(yīng)渠道及品牌、主要食品原料的成本。

        2.2.4 匹配銷(xiāo)與圓波導(dǎo)中心間距L3

        為了減小電壓駐波比,需要在矩形波導(dǎo)內(nèi)采用對(duì)稱感性匹配銷(xiāo)進(jìn)行匹配。匹配銷(xiāo)可以用矩形膜片,也可以用圓柱銷(xiāo)釘。

        匹配銷(xiāo)與圓波導(dǎo)中心間距L3理論上應(yīng)該選擇為矩形波導(dǎo)TE10模波導(dǎo)波長(zhǎng)的一半,即:

        實(shí)際上L3一般比要大,其具體數(shù)值由需要借助仿真軟件修正。另外,匹配銷(xiāo)的尺寸也需要借助仿真軟件來(lái)確定。假設(shè)采用圓柱匹配銷(xiāo),那么仿真計(jì)算還需要確定銷(xiāo)釘?shù)闹睆紻和銷(xiāo)釘與矩形波導(dǎo)寬邊中心線的距離L4。

        3 設(shè)計(jì)實(shí)例

        根據(jù)指標(biāo)要求,先確定旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)尺寸的初始設(shè)計(jì)參數(shù),然后借助微波電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),修正理論設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

        某C 波段高功率旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的指標(biāo)要求是:頻率范圍4.25 ~4.35GHz,駐波≤1.2,系統(tǒng)要求選用BJ48 的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)作為傳輸線。

        已知條件為:中心頻率f0=4.3GHz,矩形波導(dǎo)尺寸a=47.55mm,b=22.15mm。根據(jù)上述式(3)~式(6)可以確定初各個(gè)初始結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)初始結(jié)構(gòu)尺寸和修正值

        根據(jù)修正后的結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)建旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)仿真模型,其駐波仿真結(jié)果見(jiàn)圖5,圖中四根曲線分別是兩個(gè)矩形波導(dǎo)相對(duì)偏轉(zhuǎn)0°、45°、90°和180°時(shí)的駐波。

        圖5 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)駐波仿真結(jié)果

        實(shí)際加工出來(lái)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的駐波實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6,圖中四根曲線分別是兩個(gè)矩形波導(dǎo)相對(duì)偏轉(zhuǎn)0°、45°、90°和180°的實(shí)測(cè)值。

        圖6 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)駐波實(shí)測(cè)結(jié)果

        可以看出,實(shí)測(cè)結(jié)果與圖5所示的仿真數(shù)據(jù)比較吻合,而且實(shí)測(cè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的插損小于0.1dB,插損旋轉(zhuǎn)起伏小于0.05dB,相位旋轉(zhuǎn)起伏小于1°。此旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)經(jīng)過(guò)平均功率達(dá)20kW 的開(kāi)機(jī)驗(yàn)證,未出現(xiàn)過(guò)打火現(xiàn)象,工作穩(wěn)定可靠。

        4 結(jié)論

        在設(shè)計(jì)此類帶有濾波筒的圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí),按照本文所述的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)公式,可以快速得到基本滿足指標(biāo)要求的各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸,同時(shí)應(yīng)用微波電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),就可以省去大量的調(diào)試工作并保證一次設(shè)計(jì)成功,繼而獲得性能優(yōu)良的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)物。

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

        [2]殷連生.相控陣?yán)走_(dá)饋線技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007,12:181 ~182.

        [3]顧瑞龍.微波技術(shù)與天線[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1980,305 ~306.

        [4]尹鵬飛,張成全.圓波導(dǎo)耦合TM01 模旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)仿真設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)2008,(5):179-180.

        [5]朱乙平.大功率圓波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)鉸鏈的設(shè)計(jì)與仿真研究[J].雷達(dá)與對(duì)抗,2006,(1):57-60.

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