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摘 要：本论文所讨论的一种双频段大功率旋转关节的主要特点是可以同时工作在S与X频段，具有功率容量大，旋转性能稳定的特点。本论文所讨论的旋转关节主要创新点在于将X频段TM01（Transverse Magnetic）模式的旋转关节与S频段工作在TEM模式的旋转关节进行结合，X频段旋转关节的主体采用圆波导；S频段通道采用对称激励的形式以得到所需的工作模式，使关节具有双通道、双频段以及大功率容量的特点。该旋转关节两个通道的VSWR指标设计值低于1.085，X频段通道功率容量大于200kW，S频段通道功率容量大于100kW。
关键词：微波；旋转关节；波导；反射损耗；带宽；电磁场
中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：2095-8595 （2017） 03-005-006
电子科学技术 URL： http：//www.china-est.com.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.03.002
引言
波导旋转关节（Waveguide Rotary Joint），有时也称之为波导旋转接头，简称旋转关节。它可以实现天馈系统在方位轴与俯仰轴上的大角度转动，是一种在各种雷达系统，天线系统中得以广泛应用的部件。在我国的深空探测系统、遥测系统、测控系统以及通信系统中，它属于天伺馈分系统天馈子系统中的一种无源器件[3，6]。
本论文着重讨论一种大功率双频段旋转关节的设计，该旋转关节工作在S/X频段，采用双模工作体制。
1 S/X双频段旋转关节通道设计
本双频段关节使用层层嵌套的形式，对于工作在S频段的关节将其设计在整体关节的外层。而关节内层部分的空间比较小，用來设计X频段旋转关节。
如文[1]所述，对于嵌套在外部的旋转关节结构一般采用同轴线的TEM模式作为主要的传输模式，对于位于旋转关节内部的X频段通道，可以进行较大的改进。常用的双通道旋转关节的两个通道一般均设计为工作在TEM模式，考虑旋转关节的工作带宽、结构复杂度、外形尺寸大小等因素，本设计将X频段通道的工作模式设计为TM01模式，工作在TM01模式的圆波导具有结构简单，易生产加工的特点，其功率容量也满足使用要求。
X频段旋转关节主体是圆波导，使用圆波导中的TM01模式作为信号的传输模式，关节的接口使用BJ84的矩形波导。矩形波导中传输的模式是TE10模式，而关节中使用TM01模式作为信号传输模式，本设计采用短路接头的方式，将矩形波导中的TE10模式转换成为圆波导中的TM01模式，同时抑制圆波导中基模TE11的激励，使关节工作在单纯的TM01模式当中。对于S频段旋转关节，采用对称激励的形式使S频段主通道工作在稳定的TEM模式中。
2 X频段通道设计
X频段关节主体为圆波导，采用TM01模式作为工作模式，因此波导半径在工作频段内必须保证具有TM01模式的传输条件，即最低工作波长应该小于2.614倍的波导半径。
根据文献[5]可知，对于圆波导中的TM01模式：
在圆波导内腔边缘处：
（1）
当取短路桶的高度的时候，且终端短路的时候，根据：
（2）
此时的TM01除了Hφ不等于0以外，其他电磁场分量全部为0，所以这里TM01模式只能是磁场耦合。
根据孔耦合理论，此处的TE11模式的电场Er不为0，但是矩形波导中的Ez为0，两者不产生耦合，而其Hφ=0，磁场也不产生耦合，因此不会激励TE11模式。
可采用HFSS软件对一根终端短路圆波导内的TM01模式的场分布与主模的场分布进行计算，结果如图1。考虑到耦合波导为矩形波导，波导内的磁场分布平行于矩形波导的长边，耦合TM01模式的矩形波导必须在圆波导上采取横槽耦合的方式，开孔位置位于图1中所示的B点；同理，为了避免激励主模，开孔位置应该位于图1中的A点。因此，如果将开孔位置同时位于A点与B点，那么可以实现TM01模式的激励，并且避免了圆波导中主模的激励。
可以从图1中看出，耦合孔的位置，也就是A点与B点重叠的位置距离短路面的距离（或者说圆波导短路桶的高度）在设计频点上满足：
（3）
而从上文中可以知道，当工作频率确定后，波导工作模式所对应的波导波长与波导物理尺寸关系密切，针对圆波导而言，波导半径就是关键尺寸。因此，对于设计频点，需要计算出合适的波导尺寸，使上式在工作频点成立。
通过计算，取X频段的圆导波半径为18.3mm，使A、B的取值位置一致。
X频段旋转关节计算模型如图2所示。短路桶的高度、半径以及耦合波导的尺寸决定了对TE11模式的抑制度以及对TM01模式的激励程度。
矩形波导中的TE10模式的归一化场表达式[4]：
（4）
圆形波导中的TM01模式的归一化场表达式：
（5）
磁耦合的表达式为：
（6）
其中
由于是驻波耦合，激励端与被激励端磁场强度为行波时的一倍：
（7）
当r=R的时候，
当r=0的时候，
当耦合孔为长条孔的时相关参数如图3所示。
（8）
同时根据文献[2]，在考虑到孔的厚度对耦合度的影响后，最终被激励端的幅度值应该乘以下列各因子以修正。
，这是电耦合时的修正因子。
，这是磁耦合时的修正因子。
，
这是电耦合时的修正因子。
，
这是磁耦合时的修正因子。 其中，对于3 cm和5 cm频段，
A=1+0.065d/t；
1.25cm频段
A=1+0.045d/t；
8mm频段
A=1+0.0425d/t；
在本方案中，对于采用不同形状的孔，最终可以得到的被激励端的幅度值如下式：
。
通过分析，采用合适的起始设计尺寸，再通过HFSS软件对计算模型进行进一步的计算分析。主要针对短路桶的高度h，半径r以及耦合波导的宽边a进行计算，主要分析这三个参数对圆形波导的TM01模式以及主模的抑制度。具体的计算结果如图4至图6所示。
通过计算与分析，综合考虑，短路桶及耦合波导尺寸为h=35mm，r=11.1mm，a=47mm作为最终设计参数。
X频段关节功率容量仿真结果（输入功率200000W）如图7所示。在仿真计算时对关节输入200000W的功率，可以看到，关节中最强电场强度为1.12×106V/m，明显小于空气的击穿场强。
计算了X频段关节在旋转了0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°与180°时的反射损耗以及转动相位结果如图8所示。可以认为旋转关节在0°～360°的范围内转动时，其反射特性和相位特性是稳定可靠的。
3 S频段通道设计
S频段关节的模型如图9可拆分为三个主要的波导模型，分别是大功率的波导功分器、大功率弯头过渡以及大功率的魔T。因为X频段的圆导波半径为18.3mm，加上波导壁厚以及扼流槽的间隙，S波导的内导体尺寸已经达到直径43mm，为了增强其功率容量的问题，S波导的外导体直径尺寸可选为102mm，设计将采用对称激励加魔T的方式来消除TE11模式，以达到关节主体中只存在TEM模式的目的。
使用HFSS软件，分别对波导功分器、大功率弯头过渡以及大功率的魔T进行计算，计算模型以及计算结果如图10至图12所示。
S频段关节整体连接计算模型如图13所示，同时计算在输入功率为100000W的旋转关节内的电场最大值为1.29×106V/m，也远远小于空气的击穿场强。
计算了S频段关节在旋转了0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°与180°时的反射損耗以及转动相位结果如图14所示。可以认为旋转关节在0°～360°的范围内转动时，其反射特性和相位特性是稳定可靠的。
4 双通道结构设计
最终考虑到旋转关节的安装等问题，在双频段旋转关节的输入口与输出口增加了一些性能良好的波导弯头，使旋转关节的整体布局更为合理，安装更为方便。关节主要外形尺寸如图15所示。
5 总结
该大功率双通道旋转关节可工作于S与X两个不同的频段，首次采用TEM模式与TM模式相结合的方式设计旋转关节。该旋转关节两个通道的VSWR指标设计值低于1.085，X频段通道功率容量大于200kW，S频段通道功率容量大于100kW。
从上面的分析、计算曲线与图表可以看到，双频关节在S/X频段电气性能的计算仿真结果均能满足指标要求，其具有电气性能良好，转动时各项指标性能稳定可靠的特点。关节各个通道功率容量的设计结果远远大于指标要求，体现出所设计的关节在功率容量上的巨大优势，证明所采用的设计方法是可行的。双频段旋转关节在要求带宽内的各项性能如表4所列。
参考文献
[1] 汤长岭.旋转关节结构设计探讨[J].电子机械工程，2002，（01）：32-34.doi：10.3969/j.issn.1008-5300.
[2] Evans E D.An analysis of a coupled-ring rotary joint design[J].IEEE MII，1992，（03）：577-581.doi：10.1109/22.121738.
[3] 王群杰，汪伟，李磊.可堆积饼式旋转关节的设计[J].雷达与对抗，2006，（04）：42-44.
[4] N Marcuvitz.Waveguide Handbook[M].McGraw-Hill Book Company，Inc，1951.
[5] 李嗣范.微波元件原理与设计[M].北京：人民邮电出版社，1982.
[6] 尹琴.S波段高功率旋转关节设计与调试[J].中国科技博览2012（3），（02）：22-25.
关键词：微波；旋转关节；波导；反射损耗；带宽；电磁场
中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：2095-8595 （2017） 03-005-006
电子科学技术 URL： http：//www.china-est.com.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.03.002
引言
波导旋转关节（Waveguide Rotary Joint），有时也称之为波导旋转接头，简称旋转关节。它可以实现天馈系统在方位轴与俯仰轴上的大角度转动，是一种在各种雷达系统，天线系统中得以广泛应用的部件。在我国的深空探测系统、遥测系统、测控系统以及通信系统中，它属于天伺馈分系统天馈子系统中的一种无源器件[3，6]。
本论文着重讨论一种大功率双频段旋转关节的设计，该旋转关节工作在S/X频段，采用双模工作体制。
1 S/X双频段旋转关节通道设计
本双频段关节使用层层嵌套的形式，对于工作在S频段的关节将其设计在整体关节的外层。而关节内层部分的空间比较小，用來设计X频段旋转关节。
如文[1]所述，对于嵌套在外部的旋转关节结构一般采用同轴线的TEM模式作为主要的传输模式，对于位于旋转关节内部的X频段通道，可以进行较大的改进。常用的双通道旋转关节的两个通道一般均设计为工作在TEM模式，考虑旋转关节的工作带宽、结构复杂度、外形尺寸大小等因素，本设计将X频段通道的工作模式设计为TM01模式，工作在TM01模式的圆波导具有结构简单，易生产加工的特点，其功率容量也满足使用要求。
X频段旋转关节主体是圆波导，使用圆波导中的TM01模式作为信号的传输模式，关节的接口使用BJ84的矩形波导。矩形波导中传输的模式是TE10模式，而关节中使用TM01模式作为信号传输模式，本设计采用短路接头的方式，将矩形波导中的TE10模式转换成为圆波导中的TM01模式，同时抑制圆波导中基模TE11的激励，使关节工作在单纯的TM01模式当中。对于S频段旋转关节，采用对称激励的形式使S频段主通道工作在稳定的TEM模式中。
2 X频段通道设计
X频段关节主体为圆波导，采用TM01模式作为工作模式，因此波导半径在工作频段内必须保证具有TM01模式的传输条件，即最低工作波长应该小于2.614倍的波导半径。
根据文献[5]可知，对于圆波导中的TM01模式：
在圆波导内腔边缘处：
（1）
当取短路桶的高度的时候，且终端短路的时候，根据：
（2）
此时的TM01除了Hφ不等于0以外，其他电磁场分量全部为0，所以这里TM01模式只能是磁场耦合。
根据孔耦合理论，此处的TE11模式的电场Er不为0，但是矩形波导中的Ez为0，两者不产生耦合，而其Hφ=0，磁场也不产生耦合，因此不会激励TE11模式。
可采用HFSS软件对一根终端短路圆波导内的TM01模式的场分布与主模的场分布进行计算，结果如图1。考虑到耦合波导为矩形波导，波导内的磁场分布平行于矩形波导的长边，耦合TM01模式的矩形波导必须在圆波导上采取横槽耦合的方式，开孔位置位于图1中所示的B点；同理，为了避免激励主模，开孔位置应该位于图1中的A点。因此，如果将开孔位置同时位于A点与B点，那么可以实现TM01模式的激励，并且避免了圆波导中主模的激励。
可以从图1中看出，耦合孔的位置，也就是A点与B点重叠的位置距离短路面的距离（或者说圆波导短路桶的高度）在设计频点上满足：
（3）
而从上文中可以知道，当工作频率确定后，波导工作模式所对应的波导波长与波导物理尺寸关系密切，针对圆波导而言，波导半径就是关键尺寸。因此，对于设计频点，需要计算出合适的波导尺寸，使上式在工作频点成立。
通过计算，取X频段的圆导波半径为18.3mm，使A、B的取值位置一致。
X频段旋转关节计算模型如图2所示。短路桶的高度、半径以及耦合波导的尺寸决定了对TE11模式的抑制度以及对TM01模式的激励程度。
矩形波导中的TE10模式的归一化场表达式[4]：
（4）
圆形波导中的TM01模式的归一化场表达式：
（5）
磁耦合的表达式为：
（6）
其中
由于是驻波耦合，激励端与被激励端磁场强度为行波时的一倍：
（7）
当r=R的时候，
当r=0的时候，
当耦合孔为长条孔的时相关参数如图3所示。
（8）
同时根据文献[2]，在考虑到孔的厚度对耦合度的影响后，最终被激励端的幅度值应该乘以下列各因子以修正。
，这是电耦合时的修正因子。
，这是磁耦合时的修正因子。
，
这是电耦合时的修正因子。
，
这是磁耦合时的修正因子。 其中，对于3 cm和5 cm频段，
A=1+0.065d/t；
1.25cm频段
A=1+0.045d/t；
8mm频段
A=1+0.0425d/t；
在本方案中，对于采用不同形状的孔，最终可以得到的被激励端的幅度值如下式：
。
通过分析，采用合适的起始设计尺寸，再通过HFSS软件对计算模型进行进一步的计算分析。主要针对短路桶的高度h，半径r以及耦合波导的宽边a进行计算，主要分析这三个参数对圆形波导的TM01模式以及主模的抑制度。具体的计算结果如图4至图6所示。
通过计算与分析，综合考虑，短路桶及耦合波导尺寸为h=35mm，r=11.1mm，a=47mm作为最终设计参数。
X频段关节功率容量仿真结果（输入功率200000W）如图7所示。在仿真计算时对关节输入200000W的功率，可以看到，关节中最强电场强度为1.12×106V/m，明显小于空气的击穿场强。
计算了X频段关节在旋转了0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°与180°时的反射损耗以及转动相位结果如图8所示。可以认为旋转关节在0°～360°的范围内转动时，其反射特性和相位特性是稳定可靠的。
3 S频段通道设计
S频段关节的模型如图9可拆分为三个主要的波导模型，分别是大功率的波导功分器、大功率弯头过渡以及大功率的魔T。因为X频段的圆导波半径为18.3mm，加上波导壁厚以及扼流槽的间隙，S波导的内导体尺寸已经达到直径43mm，为了增强其功率容量的问题，S波导的外导体直径尺寸可选为102mm，设计将采用对称激励加魔T的方式来消除TE11模式，以达到关节主体中只存在TEM模式的目的。
使用HFSS软件，分别对波导功分器、大功率弯头过渡以及大功率的魔T进行计算，计算模型以及计算结果如图10至图12所示。
S频段关节整体连接计算模型如图13所示，同时计算在输入功率为100000W的旋转关节内的电场最大值为1.29×106V/m，也远远小于空气的击穿场强。
计算了S频段关节在旋转了0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°与180°时的反射損耗以及转动相位结果如图14所示。可以认为旋转关节在0°～360°的范围内转动时，其反射特性和相位特性是稳定可靠的。
4 双通道结构设计
最终考虑到旋转关节的安装等问题，在双频段旋转关节的输入口与输出口增加了一些性能良好的波导弯头，使旋转关节的整体布局更为合理，安装更为方便。关节主要外形尺寸如图15所示。
5 总结
该大功率双通道旋转关节可工作于S与X两个不同的频段，首次采用TEM模式与TM模式相结合的方式设计旋转关节。该旋转关节两个通道的VSWR指标设计值低于1.085，X频段通道功率容量大于200kW，S频段通道功率容量大于100kW。
从上面的分析、计算曲线与图表可以看到，双频关节在S/X频段电气性能的计算仿真结果均能满足指标要求，其具有电气性能良好，转动时各项指标性能稳定可靠的特点。关节各个通道功率容量的设计结果远远大于指标要求，体现出所设计的关节在功率容量上的巨大优势，证明所采用的设计方法是可行的。双频段旋转关节在要求带宽内的各项性能如表4所列。
参考文献
[1] 汤长岭.旋转关节结构设计探讨[J].电子机械工程，2002，（01）：32-34.doi：10.3969/j.issn.1008-5300.
[2] Evans E D.An analysis of a coupled-ring rotary joint design[J].IEEE MII，1992，（03）：577-581.doi：10.1109/22.121738.
[3] 王群杰，汪伟，李磊.可堆积饼式旋转关节的设计[J].雷达与对抗，2006，（04）：42-44.
[4] N Marcuvitz.Waveguide Handbook[M].McGraw-Hill Book Company，Inc，1951.
[5] 李嗣范.微波元件原理与设计[M].北京：人民邮电出版社，1982.
[6] 尹琴.S波段高功率旋转关节设计与调试[J].中国科技博览2012（3），（02）：22-25.