一種三通道微波旋轉關節的製作方法

2023-09-16 16:24:15

一種三通道微波旋轉關節的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種三通道微波旋轉關節，包括單波導轉子，雙波導轉子、雙波導定子、單波導定子、第一軸承、第二軸承、第一連接臂、第二連接臂、第一內導體、第二內導體以及第三內導體。本發明的軸向距離短，降低了信號傳輸損耗，解決了多通道Ka頻段信號傳輸問題，收發隔離度好，同時採用雙軸承設計，通過精密加工和裝配，保證了同軸度，大大降低了旋轉時電性能波動，提高了太空飛行器活動部件的可靠度。
【專利說明】一種三通道微波旋轉關節

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微波旋轉關節，尤其涉及一種三通道微波旋轉關節，屬於航天飛行器跟蹤機構設計領域。

【背景技術】
[0002]微波旋轉關節是在雷達跟蹤旋轉過程中保證微波信號傳輸不間斷的一種具有機電一體特性的特殊裝置。
[0003]國內微波旋轉關節技術隨著雷達通信技術的發展而不斷進步，現如今已經覆蓋到無線通信的各個領域，技術已十分成熟，主要包括接觸式與非接觸式兩種微波旋轉關節。
[0004]現有的微波旋轉關節主要為地面類通信產品，結構主要包含單路、兩路和多路形式，在國內近地軌道航天飛行器領域，應用空間環境複雜多變情況下，多路旋轉關節產品存在著一定的局限性:
[0005](I)重量大:由於地面應用旋轉關節產品重量基本不受限，形式多樣，設計時較少考慮重量。
[0006](2)傳輸損耗高:在信號傳輸至Ka頻段時，由於信號有效傳輸距離長、傳輸表面粗糙度差及扼流槽耦合匹配不良引起；
[0007](3)旋轉波動大:由於同軸度差引起，一是出現在零件加工裝配環節，二是在複雜的空間環境下熱變形導致；
[0008](4)隔離度差:多路旋轉關節主要為嵌套形式，各通道間未採用物理隔離，導致隔離度變差，信號間存在幹擾。
[0009](5)應用壽命短:現有旋轉關節普通軸承在航天飛行器運行空間環境下易出現低溫冷焊現象，進而導致軸承卡死，使用壽命很短。


【發明內容】

[0010]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種三通道微波旋轉關節，具有多通道、低傳輸損耗、高耐受功率和壽命長的特點。
[0011]本發明的技術方案:一種三通道微波旋轉關節，包括單波導轉子，雙波導轉子、雙波導定子、單波導定子、第一軸承、第二軸承、第一連接臂、第二連接臂、第一內導體、第二內導體以及第三內導體；單波導轉子與雙波導轉子通過第一連接臂固定成轉子，雙波導定子與單波導定子通過第二連接臂固定成定子，轉子和定子通過第一軸承和第二軸承連接，實現定子與轉子相對轉動；
[0012]第一內導體為圓柱體，單波導轉子上部開有與第一內導體相匹配的第一圓柱形空腔，第一內導體安裝在第一圓柱形空腔中，與所述第一圓柱形空腔形成同軸線；單波導轉子環繞第一圓柱形空腔的側壁上開有環形凹槽，所述環形凹槽與雙波導定子形成旋轉關節第一扼流槽；單波導轉子內部開有第一矩形波導腔，單波導轉子的第一圓柱形空腔和第一內導體構成的同軸線與第一矩形波導腔形成匹配傳輸結構；
[0013]雙波導轉子上部開有第二圓柱形空腔，用於安裝第二內導體和第三內導體，第二圓柱形空腔與第一圓柱形空腔共軸；雙波導轉子內部開有第二矩形波導腔和第三矩形波導腔，雙波導轉子的第二圓柱形空腔分別與第二內導體和第三內導體構成互不相通的對稱同軸線，雙波導轉子的第二圓柱形空腔與第二內導體構成的同軸線與第二矩形波導腔形成匹配傳輸結構，雙波導轉子的第二圓柱形空腔和第三內導體構成的同軸線與第三矩形波導腔形成匹配傳輸結構；
[0014]雙波導定子上對稱開有兩個互不連通的圓柱形空腔，所述兩個圓柱形空腔均與第一圓柱形空腔共軸；雙波導定子在靠近雙波導轉子一側的圓柱形空腔的側壁上開有環形凹槽，該環形凹槽與雙波導轉子形成旋轉關節第二扼流槽；雙波導定子內部開有第四矩形波導腔和第五矩形波導腔，第一內導體通過同軸線輻射，與第四矩形波導腔形成匹配傳輸結構、第二內導體通過同軸線輻射，與第五矩形波導腔形成匹配傳輸結構；
[0015]單波導定子上開有與第二圓柱形空腔共軸的第四圓柱形空腔；單波導定子在環繞第四圓柱形空腔的側壁上開有環形凹槽，該環形凹槽與雙波導轉子形成旋轉關節第三扼流槽；單波導定子內部開有第六矩形波導腔，第三內導體通過同軸線輻射，與第六矩形波導腔形成匹配傳輸結構。
[0016]所述轉子的轉動範圍為-135°?+135°。
[0017]所述單波導轉子、雙波導轉子、雙波導定子、單波導定子、第一內導體、第二內導體以及第三內導體均採用金屬加工；
[0018]第一圓柱形空腔、第二圓柱形空腔、雙波導定子上的圓柱形空腔、第四圓柱形空腔、第一矩形波導腔、第二矩形波導腔、第三矩形波導腔、第四矩形波導腔、第五矩形波導腔以及第六矩形波導腔內表面均進行鍍金屬處理。
[0019]所述第一矩形波導腔、第二矩形波導腔、第三矩形波導腔、第四矩形波導腔、第五矩形波導腔和第六矩形波導腔中均設計有階梯，以實現匹配傳輸。
[0020]本發明與現有技術相比的優點在於:
[0021](I)本發明的三通道旋轉關節採用非接觸式同軸線波導耦合結構，傳輸距離小於半個波長，可實現軸向距離短的結構，軸向收發通道實現物理隔離方式，使得各通道間隔離度好；各零件一體加工，相鄰通道共用同一波導腔壁，採用兩側雙軸承設計，降低了軸承使用數量，減小了體積與重量，實現多通道信號傳輸問題。
[0022](2)本發明的三通道微波旋轉關節信號有效傳輸距離短，通過精加工及空腔的表面處理，使零件內表面粗糙度很小，通過專用工裝裝配，保證扼流槽處有效間隙，同軸線耦合具有寬頻帶的特點，可實現信號的低損耗寬頻帶傳輸，K a頻段可達0.2 dB，3 O %相對帶寬。
[0023](3)本發明採用熱變形係數小專用金屬材料，通過精密裝配技術，保證了第一內導體、第二內導體及第三內導體裝配的同軸度，精確控制軸承間遊隙，大大降低了旋轉時電性能波動，相位穩定度高，Ka頻段信號旋轉波動為0.02dB，提高了太空飛行器活動部件的可靠度。
[0024](4)通過熱真空條件下旋轉關節壽命試驗驗證，本發明的三通道微波旋轉關節能夠在低速環境下運行15轉。
[0025](5)本發明採用採用熱變形係數小專用金屬材料進行加工，軸承採用固體潤滑方式，環境適應溫度可達-100°c?+100°C，真空環境下應用壽命長久，可靠度高。
[0026](6)本發明的內導體直徑大，傳輸阻抗小，可提高旋轉關節功率耐受能力，各通道在Ka頻段可耐受連續波功率100W。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為沿旋轉軸向的三通道微波旋轉關節組合剖面圖；
[0028]圖2為本發明三通道微波旋轉關節組合三維外形圖；
[0029]圖3為本發明三通道微波旋轉關節組合扼流圈剖面圖。

【具體實施方式】
[0030]本發明涉及一種三通道低損耗微波旋轉關節組合，特別可應用到衛星中繼終端分系統自跟蹤天線系統展開軸、X軸、Y軸微波接收、發射通道中，能夠保證天線在有限範圍內展開、跟蹤過程中微波信號的連續、低損耗傳輸。
[0031]—種三通道微波旋轉關節，包括單波導轉子1，雙波導轉子3、雙波導定子2、單波導定子4、第一軸承501、第二軸承502、第一連接臂9、第二連接臂10、第一內導體6、第二內導體7以及第三內導體8 ;單波導轉子I與雙波導轉子3通過第一連接臂9固定成轉子，雙波導定子2與單波導定子4通過第二連接臂10固定成定子，轉子和定子通過第一軸承501和第二軸承502連接，實現定子與轉子相對轉動。
[0032]第一內導體6為圓柱體，單波導轉子I上部開有與第一內導體6相匹配的第一圓柱形空腔，第一內導體6通過螺紋或螺釘安裝在第一圓柱形空腔中，與所述第一圓柱形空腔形成第一同軸線；單波導轉子I環繞第一圓柱形空腔的側壁上開有環形凹槽，所述環形凹槽一側與雙波導定子2相接觸，與雙波導定子2形成旋轉關節第一扼流槽11 ;單波導轉子I內部開有第一矩形波導腔14，第一矩形波導腔14垂直於第一圓柱形空腔，單波導轉子I的第一圓柱形空腔和第一內導體6構成的第一同軸線與第一矩形波導腔14形成匹配傳輸結構。
[0033]雙波導轉子3上部開有第二圓柱形空腔，用於安裝第二同軸內導體7和第三同軸內導體8，第二圓柱形空腔與第一圓柱形空腔共軸，第二同軸內導體7、第三同軸內導體8和第二圓柱形空腔通過螺紋連接在一起，雙波導轉子3內部開有垂直於第二圓柱形空腔的第二矩形波導腔15和第三矩形波導腔16，雙波導轉子3和第二同軸內導體7構成第二同軸線，雙波導轉子3和第三同軸內導體8構成第三同軸線，第二同軸線和第三同軸線構成互不連通的對稱同軸線；第二同軸線與第二矩形波導腔15形成匹配傳輸結構，第三同軸線與第三矩形波導腔16形成匹配傳輸結構。
[0034]雙波導定子2上部對稱開有兩個互不連通的圓柱形空腔，這兩個互不連通的圓柱形空腔均與第一圓柱形空腔共軸，靠近第一圓柱形空腔的圓柱形空腔與第一圓柱形空腔連通，靠近第二圓柱形空腔的圓柱形空腔和第二圓柱形空腔連通，雙波導定子2在靠近雙波導轉子3 —側的圓柱形空腔的側壁上開有環形凹槽，該環形凹槽與雙波導轉子3形成旋轉關節第二扼流槽12 ;雙波導定子2內部開有第四矩形波導腔17和第五矩形波導腔18，第一內導體6通過同軸線探針輻射，與第四矩形波導腔17傳輸匹配、第二同軸內導體7通過同軸線探針輻射，與第五矩形波導腔18傳輸匹配。
[0035]單波導定子4上部開有與第二圓柱形空腔共軸的第四圓柱形空腔，且第四圓柱形空腔與第二圓柱形空腔連通；；單波導定子4在環繞第四圓柱形空腔的側壁上開有環形凹槽，該環形凹槽與雙波導轉子3形成旋轉關節第三扼流槽13 ;單波導定子4內部開有第六矩形波導腔19，第三內導體8通過同軸線輻射，與第六矩形波導腔19形成匹配傳輸結構。
[0036]第一內導體6、第二內導體7以及第三內導體8在上述結構下形成了同軸內導體。單波導轉子1、雙波導轉子3、雙波導定子2、單波導定子4、第一內導體6、第二內導體7以及第三內導體8均採用金屬加工。第一圓柱形空腔、第二圓柱形空腔、圓柱形空腔、第四圓柱形空腔、第一矩形波導腔14、第二矩形波導腔15、第三矩形波導腔16、第四矩形波導腔17、第五矩形波導腔18以及第六矩形波導腔19內表面均進行鍍金屬處理。
[0037]第二矩形波導腔15、第三矩形波導腔16和第六矩形波導腔19設計有I級階梯，以實現三個內導體到相應矩形波導腔的傳輸匹配。
[0038]第一矩形波導腔14、第四矩形波導腔17和第五矩形波導腔18設計有2級階梯，以實現矩形波導腔到同軸線的傳輸匹配。
[0039]軸承的安裝:第一軸承501內環與單波導轉子I接觸，第一軸承501外環與雙波導定子2接觸；第二軸承502內環與雙波導轉子3接觸，第二軸承502外環與單波導定子4接觸、第二軸承502內環通過壓環20固定到雙波導轉子3上，第二軸承502外環通過8個螺釘21固定到單波導定子4上，調整軸承的裝配遊隙，保證旋轉關節各零件間的同心度。
[0040]三通道低損耗微波旋轉關節組合為純金屬結構(鋁材或銅材)，微波信號通過的零件內表面進行鍍金或導電氧化處理，保證高光潔度。第一內導體6通過螺釘或螺紋固定到單波導轉子I上，第二內導體7和第三內導體8通過螺紋相互固定到雙波導轉子3上，裝配時應保證內導體與外腔圓的同心度。波導腔加工採用數控電火花工具機加工技術，保證結構在極端溫度條件下可靠。
[0041]控制三通道微波旋轉關節組合軸承軸向裝配精度，保持適當轉子、定子軸向間隙，利用間隙和軸承自身軸向遊隙補償溫度變形，減小或避免溫度變形應力作用，使得軸承旋轉體之間軸向摩擦力減小，使軸承磨損變慢，延長軸承使用壽命。
[0042]本發明的三通道微波旋轉關節為低損耗微波旋轉關節組合，採用兩側對稱安裝雙軸承設計實現波導轉子與波導定子間的相互運動。轉動部件空間適應性關鍵技術在於產品中軸承的相關潤滑處理。在航天飛行器應用方面，選用真空鍍膜角接觸深溝球軸承，軸承保持架材料為聚醯亞胺或聚四氟乙烯，真空鍍膜軸承採用不鏽鋼基材，採用固體自潤滑材料濺射工藝，工作溫度範圍大，能夠同時承受徑向和軸向轉動較大載荷，已多次應用在空間飛行器上，性能穩定，長期運轉可靠，真空鍍膜軸承已隨整機進行壽命試驗驗證。
[0043]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種三通道微波旋轉關節，其特徵在於:包括單波導轉子(I)，雙波導轉子(3)、雙波導定子(2)、單波導定子(4)、第一軸承(501)、第二軸承(502)、第一連接臂(9)、第二連接臂(10)、第一內導體(6)、第二內導體(7)以及第三內導體⑶；單波導轉子⑴與雙波導轉子(3)通過第一連接臂(9)固定成轉子，雙波導定子(2)與單波導定子(4)通過第二連接臂(10)固定成定子，轉子和定子通過第一軸承(501)和第二軸承(502)連接，實現定子與轉子相對轉動； 第一內導體(6)為圓柱體，單波導轉子(I)上部開有與第一內導體(6)相匹配的第一圓柱形空腔，第一內導體(6)安裝在第一圓柱形空腔中，與所述第一圓柱形空腔形成同軸線；單波導轉子(I)環繞第一圓柱形空腔的側壁上開有環形凹槽，所述環形凹槽與雙波導定子(2)形成旋轉關節第一扼流槽(11);單波導轉子(I)內部開有第一矩形波導腔(14)，單波導轉子(I)的第一圓柱形空腔和第一內導體(6)構成的同軸線與第一矩形波導腔(14)形成匹配傳輸結構； 雙波導轉子(3)上部開有第二圓柱形空腔，用於安裝第二內導體(7)和第三內導體(8)，第二圓柱形空腔與第一圓柱形空腔共軸；雙波導轉子(3)內部開有第二矩形波導腔(15)和第三矩形波導腔(16)，雙波導轉子(3)的第二圓柱形空腔分別與第二內導體(7)和第三內導體(8)構成互不相通的對稱同軸線，雙波導轉子(3)的第二圓柱形空腔與第二內導體(7)構成的同軸線與第二矩形波導腔(15)形成匹配傳輸結構，雙波導轉子(3)的第二圓柱形空腔和第三內導體(8)構成的同軸線與第三矩形波導腔(16)形成匹配傳輸結構； 雙波導定子(2)上對稱開有兩個互不連通的圓柱形空腔，所述兩個圓柱形空腔均與第一圓柱形空腔共軸；雙波導定子(2)在靠近雙波導轉子(3) —側的圓柱形空腔的側壁上開有環形凹槽，該環形凹槽與雙波導轉子(3)形成旋轉關節第二扼流槽(12);雙波導定子(2)內部開有第四矩形波導腔(17)和第五矩形波導腔(18)，第一內導體(6)通過同軸線輻射，與第四矩形波導腔(17)形成匹配傳輸結構、第二內導體(7)通過同軸線輻射，與第五矩形波導腔(18)形成匹配傳輸結構； 單波導定子(4)上開有與第二圓柱形空腔共軸的第四圓柱形空腔；單波導定子(4)在環繞第四圓柱形空腔的側壁上開有環形凹槽，該環形凹槽與雙波導轉子(3)形成旋轉關節第三扼流槽(13);單波導定子(4)內部開有第六矩形波導腔(19)，第三內導體(8)通過同軸線輻射，與第六矩形波導腔(19)形成匹配傳輸結構。
2.根據權利要求1所述的三通道微波旋轉關節，其特徵在於:所述轉子的轉動範圍為-135。?+135。。
3.根據權利要求1所述的三通道微波旋轉關節，其特徵在於:所述單波導轉子(I)、雙波導轉子(3)、雙波導定子(2)、單波導定子(4)、第一內導體(6)、第二內導體(7)以及第三內導體(8)均採用金屬加工； 第一圓柱形空腔、第二圓柱形空腔、雙波導定子(2)上的圓柱形空腔、第四圓柱形空腔、第一矩形波導腔(14)、第二矩形波導腔(15)、第三矩形波導腔(16)、第四矩形波導腔(17)、第五矩形波導腔(18)以及第六矩形波導腔(19)內表面均進行鍍金屬處理。
4.根據權利要求1所述的三通道微波旋轉關節，其特徵在於:所述第一矩形波導腔(14)、第二矩形波導腔(15)、第三矩形波導腔(16)、第四矩形波導腔(17)、第五矩形波導腔(18)和第六矩形波導腔(19)中均設計有階梯，以實現匹配傳輸。
【文檔編號】H01P3/12GK104466306SQ201410637933
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】杜明亮, 胡磊, 陳蓉, 李連輝, 郭健, 李剛, 劉越東 申請人:北京遙測技術研究所, 航天長徵火箭技術有限公司