一種同軸式微波旋轉(zhuǎn)連接器的設(shè)計

2016-09-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文根據(jù)實際需求,設(shè)計出一種同軸式微波旋轉(zhuǎn)連接器,其具有體型小、傳輸頻帶寬、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的特點。

1、引言

微波旋轉(zhuǎn)連接器是用來把高頻信號從一個固定的平臺傳輸?shù)搅硗庖粋€需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)的平臺上,是相對旋轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)之間用于傳遞能量或信號的機構(gòu),可保持射頻信號在連續(xù)旋轉(zhuǎn)的過程中連續(xù)不斷的傳輸,其應(yīng)用范圍包括傳統(tǒng)的空管雷達、防導(dǎo)系統(tǒng)、醫(yī)療工程、衛(wèi)星通訊以及攝像系統(tǒng)等,可以避免傳輸電纜或線束因360度旋轉(zhuǎn)而相互纏繞在一起,以提高整體可靠性。根據(jù)要傳輸?shù)男盘栴l率范圍不同,旋轉(zhuǎn)連接器可通過以下三種方式來實現(xiàn):(1)接觸式傳輸滑環(huán):該類型產(chǎn)品一般可以傳輸0-120MHz的頻率范圍;(2)同軸接觸式旋轉(zhuǎn)連接器:一般可以傳輸0-50GHz的頻率范圍;(3)非接觸式旋轉(zhuǎn)連接器:無論是同軸的旋轉(zhuǎn)連接器,還是波導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)連接器都可以采用此種技術(shù)實現(xiàn),并且具有超長的使用壽命,該類型產(chǎn)品的最寬傳輸頻率范圍一般是其最高工作頻率的20%以內(nèi)。目前,微波旋轉(zhuǎn)連接器的需求顯著特點是小型化設(shè)計、優(yōu)良駐波比和低插損值、旋轉(zhuǎn)時的低振動以及在工作頻率范圍內(nèi)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(zhì)時)為:

(1)

式中令Z0=50,D為外導(dǎo)體內(nèi)徑,d為內(nèi)導(dǎo)體外徑,ε0為空氣介電常數(shù),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(zhì)時,ε0=2.04,則50Ω連接器計算D/d比值近似為3.29。

現(xiàn)有射頻同軸連接器多以空氣或聚四氟乙烯為介質(zhì),內(nèi)導(dǎo)體多采用鈹青銅、錫青銅等銅的合金材料,外導(dǎo)體采用鋼或黃銅。因此,本文以SMA連接器為基礎(chǔ),并結(jié)合以上理論設(shè)計出一種可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)傳輸?shù)倪B接器。

3、設(shè)計步驟

設(shè)計步驟總體如下:

(1)根據(jù)使用頻率選擇合適的內(nèi)外導(dǎo)體直徑;
(2)設(shè)計內(nèi)外導(dǎo)體的扼流槽方案及尺寸;
(3)選擇合適的輸入輸出結(jié)構(gòu),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(zhuǎn)入(2)、(3)、(4);
(6)加工制造;
(7)調(diào)試與測試;
(8)環(huán)境試驗和可靠性試驗。

4、設(shè)計實例

根據(jù)實際需求,設(shè)計一款體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工制作且頻率不小于10GHz的微波旋轉(zhuǎn)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(yīng)用,本文以此為模型進行分析設(shè)計出滿足要求的旋轉(zhuǎn)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(zhì)介電常數(shù),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(nèi)導(dǎo)體截面突變而引起階梯電容產(chǎn)生的較大反射,旋轉(zhuǎn)連接器內(nèi)導(dǎo)體外徑和SMA內(nèi)導(dǎo)體外徑保持統(tǒng)一為1.27mm。在內(nèi)外導(dǎo)體扼流槽部分傳輸介質(zhì)為空氣,經(jīng)計算此部分外導(dǎo)體內(nèi)徑為2.92mm,其它部分尺寸均與SMA連接器保持一致。最終實現(xiàn)的微波旋轉(zhuǎn)連接器結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中1為SMA外導(dǎo)體,2為SMA傳輸介質(zhì)PTFE,3為SMA內(nèi)導(dǎo)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(nèi)圈和外圈。外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1、微波旋轉(zhuǎn)連接器結(jié)構(gòu)圖

圖2、微波旋轉(zhuǎn)連接器外形尺寸圖

5、參數(shù)測試

本文依據(jù)射頻同軸理論設(shè)計出的一種單路同軸接觸式微小型微波旋轉(zhuǎn)連接器經(jīng)實際測量,主要指標參數(shù)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(zhuǎn)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(jù)實際加工和試驗得出設(shè)計過程中需要注意以下事項:

(1)內(nèi)外導(dǎo)體扼流槽不要處在同一平面上;
(2)內(nèi)外導(dǎo)體扼流槽間隙寬度不大于0.05mm為最佳;
(3)外導(dǎo)體內(nèi)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(nèi)外導(dǎo)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(jīng)試驗,內(nèi)導(dǎo)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(jīng)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(nèi)外導(dǎo)體尺寸公差應(yīng)控制在±0.005mm以內(nèi)為最佳。

7、結(jié)語

本文根據(jù)實際需求,設(shè)計出一種同軸式微波旋轉(zhuǎn)連接器,其具有體型小、傳輸頻帶寬、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的特點。由于其具有體積小的優(yōu)勢,可以很方便的同接觸式導(dǎo)電滑環(huán)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(zhuǎn)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(shù)有限公司, 江西九江 332008)
(2、中國船舶工業(yè)集團公司第6354研究所, 江西九江 332000)

參考文獻:

[1]  馮良平,徐嵐.射頻同軸連接器設(shè)計要點[J].國外電子測量技術(shù),2005,24(11):39-44.
[2]  范鴻健.航天器同軸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)特性研究[D].國防科學技術(shù)大學,2008.
[3]  鄭兆翁.同軸式TEM模通用無源器件[M].北京:人民郵電出版社,1983.
[4]  田鋒偉.一種射頻同軸連接器回波損耗的測試方法[J].電子世界,2013(15):66.

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學成才