劉波
西南電子技術(shù)研究所,成都 610036
免調(diào)螺釘圓極化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
劉波
西南電子技術(shù)研究所,成都 610036
本文結(jié)合工程實(shí)踐,介紹一種新型的螺釘圓極化器。該螺釘圓極化器利用現(xiàn)有的三維仿真技術(shù)與機(jī)械加工工藝手段,通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的可調(diào)螺釘圓極化器結(jié)構(gòu)形式,使極化器實(shí)物結(jié)果與仿真模型保持一致,實(shí)現(xiàn)了極化器的免調(diào)。
螺釘;圓極化器;免調(diào);天線
螺釘圓極化器是金屬螺釘在圓波導(dǎo)的管壁上對(duì)稱(chēng)插入,等距排列。由于螺釘對(duì)V極化波呈容性、對(duì)H極化波呈感性,因此這兩個(gè)分量有不同的相位,H極化波的相位超前,V極化波的相位滯后,通過(guò)適當(dāng)選擇圓波導(dǎo)的直徑、金屬螺釘?shù)闹睆健⒙葆旈g距和螺釘穿入深度,就可以使同相輸入的V極化波和H極化波經(jīng)過(guò)極化器后,形成90°,從而形成圓極化波[1]。
在衛(wèi)星通信、遙測(cè)及測(cè)控系統(tǒng)中,螺釘圓極化器由于調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單,且具有插損小,帶寬適中的優(yōu)點(diǎn)[1-2],使其成為進(jìn)行線-圓極化轉(zhuǎn)換的一種重要形式。本文結(jié)合工程實(shí)踐,介紹一種在傳統(tǒng)可調(diào)螺釘圓極化器基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的免調(diào)螺釘圓極化器。
圖1是某天線局部,該天線采用傳統(tǒng)的可調(diào)螺釘圓極化器進(jìn)行線-圓極化轉(zhuǎn)換。
圖1 可調(diào)螺釘圓極化天線
該圓極化器前期設(shè)計(jì)分為3個(gè)步驟:1)確定圓波導(dǎo)外形尺寸;2)計(jì)算耦合孔的分布和間距;3)確定各個(gè)孔的大小尺寸[3]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果在圓波導(dǎo)腔壁上設(shè)計(jì)3組對(duì)稱(chēng)M4調(diào)諧螺釘,零部件完成組裝后由調(diào)試人員通過(guò)調(diào)整螺釘進(jìn)入波導(dǎo)腔內(nèi)的長(zhǎng)短來(lái)調(diào)試電性能。
調(diào)諧螺釘完成調(diào)諧后,需要對(duì)其進(jìn)行加固,目前常用的幾種加固方式有:焊接、雙螺紋鎖緊和粘固等。圖1所示天線就采用了螺釘與波導(dǎo)外緣接合處焊接的加固方式。如果調(diào)諧螺釘與波導(dǎo)外緣結(jié)合部為平面,也可以采用雙螺紋鎖緊的方式進(jìn)行加固。2 免調(diào)螺釘圓極化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
某彈載設(shè)備對(duì)天線組件外形要求如圖2所示。極化器外徑10mm,通過(guò)對(duì)極化器的前期設(shè)計(jì),確定波導(dǎo)腔內(nèi)徑7mm,需使用6組等間距3.2mm的M1.4調(diào)諧螺釘。
圖2 天線外形要求
2.1 結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)輸入要求,按照傳統(tǒng)可調(diào)螺釘圓極化器設(shè)計(jì)將存在多方面困難。
1) 波導(dǎo)外徑10mm,內(nèi)徑7mm,波導(dǎo)壁厚只有1.5mm,在這么薄的壁面上攻絲,螺紋的失效率高。而且后續(xù)在調(diào)試過(guò)程中,也存在因多次調(diào)試導(dǎo)致螺紋損壞而使產(chǎn)品報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn);
2) 在調(diào)試完成后,需要對(duì)調(diào)諧螺釘進(jìn)行加固。由于天線外形尺寸的約束,采用焊接的方法加固后,需要切除螺釘?shù)亩嘤嗖糠?,外力的作用?huì)使天線的電性能產(chǎn)生波動(dòng),影響調(diào)試結(jié)果;
3) 由于螺釘間距僅為3.2mm,且外緣為圓弧面,也無(wú)法采用雙螺紋鎖緊加固。另外小螺紋鎖緊也不利于彈載設(shè)備的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性。
2.2 仿真設(shè)計(jì)
由于使用傳統(tǒng)可調(diào)螺釘圓極化器設(shè)計(jì)方法無(wú)法滿足該彈載天線的設(shè)計(jì)要求,需要找到一種突破傳統(tǒng)的螺釘極化器結(jié)構(gòu)形式。
目前,使用數(shù)字化技術(shù),利用專(zhuān)業(yè)應(yīng)用軟件對(duì)天線的理論模型進(jìn)行仿真已經(jīng)成為重要的設(shè)計(jì)手段,相關(guān)軟件的仿真精度已經(jīng)很高。實(shí)踐證明,如果極化器實(shí)物與理論模型趨近,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果也愈接近,在誤差范圍內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)天線的免調(diào)[4]。
圖3是利用HFSS電磁仿真軟件建立的免調(diào)螺釘圓極化天線三維模型,利用它可以在HFSS中精確仿真天線的各種電性能,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化,生成最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。圖4~圖6為仿真得到的駐波比、軸比及增益方向圖,可以滿足產(chǎn)品的電性能指標(biāo)要求。
圖3 圓極化天線三維模型
2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)3.2中的分析,為使圓極化器免調(diào),需要保證實(shí)物結(jié)果與仿真模型基本一致。
設(shè)計(jì)中將極化器的結(jié)構(gòu)分解為波導(dǎo)(圖7)與螺釘兩部分(圖8),并將傳統(tǒng)可調(diào)的6個(gè)調(diào)諧螺釘進(jìn)行整體設(shè)計(jì),利用高精加工中心加工后的零件形位公差及表面光潔度可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求,并通過(guò)精確定位焊接將其固定在圓波導(dǎo)腔壁上。
圖9 免調(diào)螺釘極化器剖面
圖9為免調(diào)螺釘圓極化器剖面圖,兩個(gè)整體設(shè)計(jì)的螺釘相對(duì)焊接在波導(dǎo)腔壁上,通過(guò)對(duì)零件的公差精度控制,實(shí)現(xiàn)零件的準(zhǔn)確定位。螺釘?shù)耐古_(tái)設(shè)計(jì)既能保證定位,也能防止焊料進(jìn)入波導(dǎo)內(nèi)壁,影響內(nèi)壁光潔度。
天線材料選為銅,加工調(diào)試完成后的天線實(shí)物如圖10所示,在微波暗室進(jìn)行的實(shí)測(cè)結(jié)果顯示天線的駐波比≤1.5,增益≥3 dBi,軸比≤2,天線的外形尺寸與電性能指標(biāo)均滿足要求。
圖10 天線實(shí)物
免調(diào)螺釘圓極化器充分利用了現(xiàn)有的仿真設(shè)計(jì)與機(jī)械加工工藝手段,使天線結(jié)構(gòu)外形尺寸和典型電性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),既滿足產(chǎn)品小型化設(shè)計(jì)要求,也能避免因調(diào)試產(chǎn)生的人力成本和性能不穩(wěn)。通過(guò)工藝改進(jìn)與固化,此方法也適用于產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)。
[1]蘇麗萍.圓波導(dǎo)螺釘極化器的分析與設(shè)計(jì).微波與衛(wèi)星通信,1999.3
[2]王佑貞等.X波段圓極化天線的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn).電子測(cè)量技術(shù),2010.2
[3]劉昊等.圓波導(dǎo)TE11/TE21雙模自跟蹤饋源的研究設(shè)計(jì).遙測(cè)遙控,2007.11
[4]李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用詳解.人民郵電出版社,2010.5
圖4 仿真得到的駐波比
圖5 仿真得到的軸比
圖7 波導(dǎo)
圖8 螺釘
10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.120