一種同軸式微波旋轉連接器的設計

2016-09-22 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本文根據實際需求,設計出一種同軸式微波旋轉連接器,其具有體型小、傳輸頻帶寬、成本低、結構簡單、易于實現的特點。

1、引言

微波旋轉連接器是用來把高頻信號從一個固定的平臺傳輸到另外一個需要連續旋轉的平臺上,是相對旋轉運動的結構之間用于傳遞能量或信號的機構,可保持射頻信號在連續旋轉的過程中連續不斷的傳輸,其應用范圍包括傳統的空管雷達、防導系統、醫療工程、衛星通訊以及攝像系統等,可以避免傳輸電纜或線束因360度旋轉而相互纏繞在一起,以提高整體可靠性。根據要傳輸的信號頻率范圍不同,旋轉連接器可通過以下三種方式來實現:(1)接觸式傳輸滑環:該類型產品一般可以傳輸0-120MHz的頻率范圍;(2)同軸接觸式旋轉連接器:一般可以傳輸0-50GHz的頻率范圍;(3)非接觸式旋轉連接器:無論是同軸的旋轉連接器,還是波導的旋轉連接器都可以采用此種技術實現,并且具有超長的使用壽命,該類型產品的最寬傳輸頻率范圍一般是其最高工作頻率的20%以內。目前,微波旋轉連接器的需求顯著特點是小型化設計、優良駐波比和低插損值、旋轉時的低振動以及在工作頻率范圍內通道之間的高隔離度。

2、射頻同軸理論分析

常用的同軸電纜特性阻抗為:50Ω和75Ω。以50Ω為例,同軸連接器的特性阻抗(空氣介質時)為:

(1)

式中令Z0=50,D為外導體內徑,d為內導體外徑,ε0為空氣介電常數,一般情況下近似取為1。則50Ω連接器的D/d直為:

(2)

若以聚四氟乙烯為介質時,ε0=2.04,則50Ω連接器計算D/d比值近似為3.29。

現有射頻同軸連接器多以空氣或聚四氟乙烯為介質,內導體多采用鈹青銅、錫青銅等銅的合金材料,外導體采用鋼或黃銅。因此,本文以SMA連接器為基礎,并結合以上理論設計出一種可以連續旋轉傳輸的連接器。

3、設計步驟

設計步驟總體如下:

(1)根據使用頻率選擇合適的內外導體直徑;
(2)設計內外導體的扼流槽方案及尺寸;
(3)選擇合適的輸入輸出結構,如SMA型等;
(4)由HFSS或MWS等軟件進行全尺寸仿真,仿真中最佳頻帶以駐波比為1.1以下為佳;
(5)若回損和插損性能滿足,再進行功率容量分析,否則轉入(2)、(3)、(4);
(6)加工制造;
(7)調試與測試;
(8)環境試驗和可靠性試驗。

4、設計實例

根據實際需求,設計一款體積小、結構簡單、易于加工制作且頻率不小于10GHz的微波旋轉連接器。由于SMA型連接器是一款常用且形成國際標準的射頻連接器,并得到了廣泛的應用,本文以此為模型進行分析設計出滿足要求的旋轉連接器。由公式(3)可以計算出理論上SMA連接器的截止頻率。

(3)

公式(3)中C0為光速,ε0為介質介電常數,選取ε0=2.04,另外由于標準SMA連接器中d=1.27mm,D=4.1mm,則通過計算得fc最大可達20G以上,因此完全滿足需求。同時為了盡量減少由內導體截面突變而引起階梯電容產生的較大反射,旋轉連接器內導體外徑和SMA內導體外徑保持統一為1.27mm。在內外導體扼流槽部分傳輸介質為空氣,經計算此部分外導體內徑為2.92mm,其它部分尺寸均與SMA連接器保持一致。最終實現的微波旋轉連接器結構如圖1所示,其中1為SMA外導體,2為SMA傳輸介質PTFE,3為SMA內導體,同理4、5、6類似,9為微型軸承,并分別通過端蓋7和8固定其內圈和外圈。外形結構如圖2所示。

圖1、微波旋轉連接器結構圖

圖2、微波旋轉連接器外形尺寸圖

5、參數測試

本文依據射頻同軸理論設計出的一種單路同軸接觸式微小型微波旋轉連接器經實際測量,主要指標參數如下:

(1)工作頻率:0-15G;
(2)電壓駐波比:≤1.25;
(3)電壓駐波比跳動:≤0.05;
(4)插入損耗:≤0.5;
(5)峰值功率:1000w;
(6)轉速:≤100rpm;
(7)工作溫度:-40℃-70℃;
(8)接口類型:SMA-F—SMA-F(50Ω)。

6、注意事項

根據實際加工和試驗得出設計過程中需要注意以下事項:

(1)內外導體扼流槽不要處在同一平面上;
(2)內外導體扼流槽間隙寬度不大于0.05mm為最佳;
(3)外導體內徑由4.1mm過渡到2.92mm的過程中開一寬為0.3mm左右的過渡圓槽為最佳;
(4)為提高接觸性能和耐磨性,內外導體接觸處鍍厚度不小于3μm的金合金鍍層,同時在鍍層表面涂固體潤滑保護劑DJB-823;
(5)經試驗,內導體材料選取含鎂的鈹青銅比普通鈹青銅具有更好的硬度、強度和彈性;
(6)經試驗,采用脈沖鍍合金層與普通電鍍相比鍍層厚度均勻性一致性更強,致密性和光澤性更好。
(7)內外導體尺寸公差應控制在±0.005mm以內為最佳。

7、結語

本文根據實際需求,設計出一種同軸式微波旋轉連接器,其具有體型小、傳輸頻帶寬、成本低、結構簡單、易于實現的特點。由于其具有體積小的優勢,可以很方便的同接觸式導電滑環集成在一起使用,傳輸高頻信號,可大大提高實際使用過程中的集成效率和效果。此外,由于采用接觸式傳輸微波信號,其接觸部分主要靠彈性件的彈性強度來保證,實際工作壽命相對較低,因此其更適合在轉速相對較低的場合使用。

作者:王斌,周萍
(1、九江精達檢測技術有限公司, 江西九江 332008)
(2、中國船舶工業集團公司第6354研究所, 江西九江 332000)

參考文獻:

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