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
劉波
西南電子技術(shù)研究所,成都 610036
本文結(jié)合工程實踐,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)與機械加工工藝手段,通過改進傳統(tǒng)的可調(diào)螺釘圓極化器結(jié)構(gòu)形式,使極化器實物結(jié)果與仿真模型保持一致,實現(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)的管壁上對稱插入,等距排列。由于螺釘對V極化波呈容性、對H極化波呈感性,因此這兩個分量有不同的相位,H極化波的相位超前,V極化波的相位滯后,通過適當(dāng)選擇圓波導(dǎo)的直徑、金屬螺釘?shù)闹睆?、螺釘間距和螺釘穿入深度,就可以使同相輸入的V極化波和H極化波經(jīng)過極化器后,形成90°,從而形成圓極化波[1]。
在衛(wèi)星通信、遙測及測控系統(tǒng)中,螺釘圓極化器由于調(diào)節(jié)簡單,且具有插損小,帶寬適中的優(yōu)點[1-2],使其成為進行線-圓極化轉(zhuǎn)換的一種重要形式。本文結(jié)合工程實踐,介紹一種在傳統(tǒng)可調(diào)螺釘圓極化器基礎(chǔ)上改進設(shè)計的免調(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)計分為3個步驟:1)確定圓波導(dǎo)外形尺寸;2)計算耦合孔的分布和間距;3)確定各個孔的大小尺寸[3]。根據(jù)計算結(jié)果在圓波導(dǎo)腔壁上設(shè)計3組對稱M4調(diào)諧螺釘,零部件完成組裝后由調(diào)試人員通過調(diào)整螺釘進入波導(dǎo)腔內(nèi)的長短來調(diào)試電性能。
調(diào)諧螺釘完成調(diào)諧后,需要對其進行加固,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行加固。2 免調(diào)螺釘圓極化器結(jié)構(gòu)設(shè)計
某彈載設(shè)備對天線組件外形要求如圖2所示。極化器外徑10mm,通過對極化器的前期設(shè)計,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)試過程中,也存在因多次調(diào)試導(dǎo)致螺紋損壞而使產(chǎn)品報廢的風(fēng)險;
2) 在調(diào)試完成后,需要對調(diào)諧螺釘進行加固。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?,外力的作用會使天線的電性能產(chǎn)生波動,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
由于使用傳統(tǒng)可調(diào)螺釘圓極化器設(shè)計方法無法滿足該彈載天線的設(shè)計要求,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),利用專業(yè)應(yīng)用軟件對天線的理論模型進行仿真已經(jīng)成為重要的設(shè)計手段,相關(guān)軟件的仿真精度已經(jīng)很高。實踐證明,如果極化器實物與理論模型趨近,仿真結(jié)果與實測結(jié)果也愈接近,在誤差范圍內(nèi),可以實現(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)上進行結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化,生成最終的設(shè)計結(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
根據(jù)3.2中的分析,為使圓極化器免調(diào),需要保證實物結(jié)果與仿真模型基本一致。
設(shè)計中將極化器的結(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個調(diào)諧螺釘進行整體設(shè)計,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到設(shè)計要求,并通過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,兩個整體設(shè)計的螺釘相對焊接在波導(dǎo)腔壁上,通過對零件的公差精度控制,實現(xiàn)零件的準(zhǔn)確定位。螺釘?shù)耐古_設(shè)計既能保證定位,也能防止焊料進入波導(dǎo)內(nèi)壁,影響內(nèi)壁光潔度。
天線材料選為銅,加工調(diào)試完成后的天線實物如圖10所示,在微波暗室進行的實測結(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 天線實物
免調(diào)螺釘圓極化器充分利用了現(xiàn)有的仿真設(shè)計與機械加工工藝手段,使天線結(jié)構(gòu)外形尺寸和典型電性能參數(shù)達到設(shè)計指標(biāo),既滿足產(chǎn)品小型化設(shè)計要求,也能避免因調(diào)試產(chǎn)生的人力成本和性能不穩(wěn)。通過工藝改進與固化,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.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)計與實驗.電子測量技術(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.遙測遙控,2007.11
[4]李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計應(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