一种紧凑型Ku波段波导旋转关节的设计

零八一电子集团四川力源电子有限公司 王佳伦 谌国平

0 引言

微波旋转关节通常指能够实现转动部分与固定部分相对旋转要求的馈线结构器件，其常规技术指标要求有：低驻波、小损耗、高隔离（仅针对多路情况）。在各类机械扫描雷达系统中，旋转关节处于系统的咽喉部位，作用不可替代，因而是机械扫描雷达馈电系统中的关键元器件之一。随着航空、航天雷达技术的发展，各类小型化、轻量化旋转关节的需求日益增强，这就对旋转关节的综合设计提出了更高的要求。

1 工作原理

I型波导旋转关节要求输入、输出端口的中心轴线相互重合，两个端口保持平行且能够实现360°旋转（如图1所示）。根据微波理论[1]可知，输入端的矩形波导传输TE10模式电磁波，其截面电场分布不具备圆周对称特性，为了实现关节360°的旋转功能，须先将TE10模式电磁波转变为TEM模式/TM01模式电磁波，经过旋转结构后再转变为TE10模式电磁波输出。

图1 I型波导旋转关节

2 技术指标及方案分析

2.1 技术指标

某雷达馈线系统需要的I型旋转关节指标如下：工作频段13.75GHz～14.50GHz，电压驻波比VSWR≤1.20，插入损耗IL≤0.30dB；输入、输出均为BJ120波导端口，总长为58mm。

2.2 设计方案分析

以文献[2]提供的波导关节结构作为原型，将Port 2进行延长、弯曲（如图2所示），使两个端口中心轴线重合且端面保持平行，虽然能够满足电参数指标要求，但总长58mm难以保证（如果采用文献[3]的TM01模式结构，也会存在同样问题），且由于内导体探针圆球端完全处于悬空状态，对加工、装配要求的精度较高，特别是在剧烈震动/冲击场合还可能发生结构变形导致指标偏离。将文献[2]提供的波导关节结构按图3进行改进，即：取Port 1所在的上半部进行镜像，虽然能够满足上述技术要求，但由于内导体两端各自焊接成型，极有可能存在焊接导致腔体变形、内外导体旋转不同心等问题。

图2 端口弯曲结构

经过对电性能指标、结构尺寸、工艺实现难度等因素的综合考虑，本文最终采用的是TE10→TEM→TE10的模式转换方式，在图3的基础上将内、外导体整体化设计，通过对TE10→TEM阶梯转换及扼流结构的参数调整完成对器件整体性能的优化，最终获得了13.75GHz～14.50GHz，VSWR≤1.13，IL≤0.17dB的实测指标。

3 设计过程

3.1 TE10→TEM模式转换器设计

脊波导与矩形波导在同截面情况下相比较，脊波导能够获得更宽的单模工作带宽，因此本文在TE10→TEM模式转换器设计中采用了脊波导阶梯阻抗变换结构。

为了使规定反射系数下变换结构尺寸最短，采用了切比雪夫多项式进行设计。已知：，根据电压驻波比要求并兼顾长度尺寸限制等因素，选定三节阻抗变换，其每节阻抗值为：式分别为脊波导的截面尺寸[4]（如图4所示），根据式1-式3，即可计算出脊波导阻抗段的结构尺寸。

图4 脊波导截面尺寸

3.2 扼流槽设计

旋转关节的扼流槽主要有半波长串联支线扼流结构、电容耦合结构以及径向扼流结构等类型。从工作频段及结构尺寸等方面综合考虑，本文选择了半波长串联支线扼流结构进行设计。

外导体半波长串联支线扼流槽如图5所示，其原理是：采用阻抗不同的两节1/4波长支线级联，一段终端短路，将机械接触点设置于距离短路端1/4波长处，外导体缝隙等效于短路，使微波能量顺利传输。外导体结构不连续性引入的电压驻波比可用式4-式8进行计算。

同轴线内导体的直径较小（φ3.04mm），按外导体扼流槽方式设计将面临诸多结构困难，因此将其设计成电容性结构（如图5所示），同轴线内导体与圆波导的组合体等效于容性导纳-jX，内导体结构不连续性引入的电压驻波比可用式9进行计算。

图5 扼流结构示意图

图6 整体结构尺寸

3.3 工艺难点

为保证关节转动过程中电参数起伏小、转动平稳、可靠性高，关节的转动部分、固定部分均采用精密数控车削加工一次性装夹完成，严格保证内、外导体间的同轴度要求。同轴内导体与阻抗变换台阶过渡部分采用精密数控电火花加工，在保证尺寸精度及位置度的同时尽量减少加工带来的结构变形。

4 仿真与测试

根据上述理论分析与计算方法，利用Matlab软件和Ansoft HFSS软件进行计算及电性能指标仿真，经过多次优化得到结构尺寸如图6所示：矩形波导口径a=19.05mm，b=9.525mm；同轴线尺寸：φD=7mm，φd=3.04mm，总长L=20.2mm，内外导体扼流槽间隙t=0.4mm；阶梯尺寸：宽度W=2.9mm，L1=1.4mm，L2=4.57mm，L3=3.3mm，H1=1.22mm，H2=2.59mm，H3=3.06mm。

根据上述仿真尺寸，加工了2件关节实物（如图7所示），典型的插入损耗IL测试结果如图8所示，测试结果满足技术要求。

图7 实物图

图8 典型的插入损耗IL测试结果

电压驻波比VSWR测试结果如图9、图10所示，将测试结果与仿真数据对比，两者吻合较好（如图11所示）。

图9 样件1电压驻波比的测试结果

图10 样件2电压驻波比的测试结果

图11 测试结果与仿真数据对比

5 结束语

本文设计了一种紧凑型Ku波段波导旋转关节（I型结构），在理论计算和仿真优化的基础上加工了实物，测试结果与仿真数据吻合良好，最终获得了13.75GHz～14.50GHz频段内，电压驻波比VSWR≤1.13，插入损耗IL≤0.17dB的实测指标，结构全长仅58mm，且能够进一步缩短至41mm，可广泛应用于航空、航天等小型化、轻量化的雷达系统中。

引文

①廖承恩.微波技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,1994.

②邓智勇,苏丽,阮云国.Ka波段旋转关节的设计[J].无线电通信技术,2009(02).

③张佳龙.滤波筒式圆波导旋转关节的设计[J].火控雷达技术,2012(04).

④阎润卿,李英惠.微波技术基础[M].北京:北京理工大学出版社,1988.