工作频率达170GHz的大功率全波导频段旋转关节

Eravant，Formerly Sage Millimeter Inc.，www.eravant.com

带有旋转关节的天线在雷达目标扫描、地面跟踪卫星站和射电望远镜外太空探测系统中有着广泛的应用。为了获得最佳的系统性能，旋转关节应尽量减少旋转时引起的幅度和相位变化。Eravant开发了一组从WR-15、WR-12、WR-10、WR-08到WR-06的波导旋转关节系列，可在50到170 GHz的全波导频带上工作。图1展示的就是这个系列中的一款L型旋转关节。如表1所示，在超过360度的旋转状态下，SAN系列的旋转关节均可将幅度变化控制在0.2dB，相位变化控制在2.0度。

图1：波导L型旋转关节 

在以往的研究中，技术路线相对成熟，因此工程师们开发了各种形式的旋转关节。其中一种设计方案是基于通过旋转关节中轴的圆波导TE₀₁模进行传播。TE₀₁模的特点是其电磁波能量集中在远离波导壁。因此这种波导模不会在波导表面产生纵向电流，从而实现了能够承受更高功率电平的能力。基于TE₀₁的旋转关节由于没有纵向电流，因此这种旋转关节不需要旋转波导（转子）和固定波导（定子）之间的电连续性，这样既可以保证关节旋转的机械转动的丝滑性，同时还保证了低插入损耗、良好的阻抗匹配以及优异的幅度和相位稳定性。

SAN系列旋转关节采用了基于TE₀₁模的设计方法，并将其与改进的模式转换器设计相结合。如图2所示，模式转换器采用的是八路信号功分/合路网络，该网络通过均布在圆波导周围的八个矩形波导向圆波导进行馈电。模式转换器的对称性即抑制了其它可能的波导模式，同时又能保证TE₀₁模在圆波导内场线的轴对称特性，从而实现了良好的阻抗匹配并避免了由于其他模式而引起的寄生谐振。

图2：八路功分/合路网络

模式转换器中的功分/合路器采用了类似于在较低频率下常用的级联式波导馈电网络。改进的波导网络被加工成围绕圆形波导的整体结构，避免了多级波导连接带来的成本和装配难度等问题。此外，通过机械缩放结构，整体结构很容易用于不同波导频带的延伸。

旋转关节按照端口位置可分为I型（I/I），L型（I/R）、反向L型（R/I）和U型（R/R）。I型旋转关节的两个波导端口在旋转轴的直线上。L型旋转关节的两个波导端口呈L型关系，其一个端口与旋转轴成90°直角，在旋转端。反向L型的90°直角端口在固定端。U型旋转接头两端与旋转轴都成90°直角。直角波导端口的E面垂直于旋转轴。

五个波段的旋转关节均能以60转/分或更高转速旋转，同时可承受高达250W的输入功率。关节主体由不锈钢和铝（镀金）制成，波导端口采用UG-385/U或UG-387/U及UG-387/U-M防翘起法兰。带内的平均插入损耗范围从V波段的1.2dB到D波段的2.5dB，带内的典型反射损耗范围从V波段的20dB到D波段的17dB。另外，如前所述，这种旋转关节在旋转过程中的相位和幅度稳定性都很高。图3显示了V波段旋转关节在360度旋转范围内的相位变化在±1.0度以内。这种高相位控制水平大致相当于输入和输出端口之间机械抖动需保持在0.001英寸以内。从中可以一窥旋转关节的机械精度水平。

图3：V波段旋转关节在旋转过程中的相位稳定性

机械尺寸方面，WR-06波段旋转关节的圆形安装侧法兰直径为2.5英寸，而其旋转侧的直径为2.0英寸。WR-10、WR-12和WR-15型号的圆形安装侧法兰直径为3.25英寸，而其旋转侧的直径为2.75英寸。旋转关节的使用温度范围为-40至+85℃，环境等级为IP40，可防护大于1.0mm的固体异体侵入。

Eravant还提供与旋转关节配套使用的包括扫描雷达系统、卫星跟踪通信链路和移动通信系统中常见的平板天线、反射面天线、透镜喇叭天线在内的各种天线配件件和收发组件。在常见的雷达应用中，旋转关节与高灵敏度多普勒雷达传感器、旋转伺服机构和相应的天线相结合，来完成如地形扫描或人员、无人机和低空飞行的移动物体的检测。