ВРАЩАЮЩЕЕСЯ СОЕДИНЕНИЕ
ROTARY CONNECTION

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокационной техники, в частности, к устройствам антенно-фидерной системы, используемым для передачи сверхвысокочастотной энергии между неподвижной частью радиолокационной станции (РЛС), например стационарными (неподвижными) передатчиками, приемниками, и вращающейся антенной системой.
При разработке радиолокационной станции (РЛС) возникает задача создания высокочастотного вращающегося соединения для передачи СВЧ-сигналов от неподвижной части, в которой расположены передатчики и приемники, к вращающейся части с установленной на ней антенной системой. Вращающееся соединение должно обеспечивать передачу как мощных, поступающих с выхода передающего устройства на антенную систему, так и слабых, поступающих с антенной системы на вход приемных устройств, СВЧ-сигналов. При этом вращающееся соединение должно иметь хорошее согласование, малые потери СВЧ-сигнала. Кроме того, часто вращающееся соединение должно обеспечивать одновременно передачу различных СВЧ-сигналов по нескольким каналам.
Так, отдаленным аналогом заявляемого изобретения является вращающееся соединение (патент RU №1840482 кл. МПК: H01P 1/06, опубл. 27.03.2007), содержащее вращающиеся и неподвижные диэлектрические кольца, установленные с зазором, на соответствующие поверхности которых нанесены заземленные проводящие пластины и кольцевые полосковые линии, снабженные радиальными вводами, системы возбуждения с равноамплитудным и синфазным делением и трансформацией волновых сопротивлений, причем кольцевые полосковые линии расположены по двум концентрическим дорожкам, образованным сопряженными дугами окружностей одинакового радиуса, центры которых смещены относительно общей оси вращения и выполнены в виде переплетенных неполных колец с изломами в местах перехода с одной концентрической дорожки на другую, причем изломы и радиальные вводы сгруппированы и размещены симметрично и равномерно.
Данное бесконтактное вращающееся соединение имеет малые весогабаритные показатели.
Однако этому устройству присущи следующие недостатки:
- малый уровень рабочей мощности, обусловленный тем, что проводники диска выполнены на фольгированном материале. Ограничения по уровню рабочей мощности вызвано малыми поперечными размерами металлизированного слоя, который при больших значениях мощности нагревается, что вызывает, например, отслаивание металлизированного слоя от диэлектрического основания.
- малый диапазон рабочих частот, вызванный “тандемным” соединением нескольких секций направленных ответвителей с распределенной связью, каждая из которых является резонансным отрезком высокочастотной линии, так как предпочтительная электрическая длина каждой секции направленного ответвителя равна четверти длины волны рабочего диапазона;
- сложность при разработке и использовании в высокочастотном (дециметровом) диапазоне. Это связано с тем, что с увеличением диапазона рабочих частот уменьшаются геометрические размеры высокочастотных линий, так как каждая из высокочастотных линий, образующая секцию направленных ответвителей, имеет длину равную четверти длины волны рабочего диапазона. Это влечет за собой, как правило, уменьшение всех геометрических размеров, в том числе и ширины высокочастотных линий. Уменьшение всех геометрических размеров приводит к увеличению влияния неточностей и ошибок, появившихся в процессе производства, и, следовательно, к ужесточению требований (уменьшению допусков) при изготовлении узлов и деталей, входящих в устройство. Кроме того, уменьшение ширины высокочастотных линий приводит к еще большему уменьшению уровня рабочей мощности. Увеличение ширины высокочастотных линий приводит к увеличению относительной длины зигзагообразных изломов, что отрицательно сказывается на ширине диапазона рабочих частот и на стабильности параметров (согласования, потерь, стабильности фазового сдвига) при вращении, т.е. трудностям при создании вращающегося соединения данного типа для работы в высокочастотном диапазоне.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является вращающееся соединение (R №2260229, МПК: H01P 1/06, опубл. 10.09.2005), содержащее концентрично расположенные отрезки коаксиальных линий с четвертьволновыми короткозамкнутыми изоляторами, выполненными на основе плоскопараллельной радиальной линии, и согласующие переходы на концах, подвижно сочленяемые посредством системы четвертьволновых дроссельных зазоров, выполнены в виде двух параллельных ветвей полосковой линии, содержащих многоступенчатые трансформаторы сопротивлений.
Это устройство имеет больший уровень рабочей мощности, обусловленный тем, что в устройстве не используются фольгированные материалы, вращающиеся (роторные) и неподвижные (статорные) отрезки коаксиальных линий выполнены из металла. Площадь поперечного сечения проводников значительно больше площади поперечного сечения проводников диска, выполненных на фольгированном материале.
Конструктивное исполнение позволяет использовать устройство в более высокочастотной области.
Однако и этому устройству присущи недостатки:
- ограниченное количество каналов. Ограничение количества каналов обусловлено геометрическими размерами отрезков коаксиальной линии внешнего канала. При возрастании диаметра отрезков коаксиальной линии возникает необходимость увеличения (с 2-х до 4-х и более) точек соединения выходов вращающегося соединения с отрезками коаксиальных линий, так как при использовании всего 2-х точек соединения отрезки коаксиальных линий возбуждаются неравномерно, что приводит к росту потерь СВЧ сигнала и ухудшению согласования. Увеличение с 2-х до 4-х точек соединения выходов вращающегося соединения, как правило, достигается использованием делителя (сумматора) на 4, представляющего собой каскадное соединение делителей (сумматоров) на 2, которые могут осуществлять еще и функции трансформаторов сопротивлений. Делитель каждого каскада состоит из симметричного тройника, имеющего вход и 2 выхода, соединенных с входом отрезками линии передачи, имеющими длину, равную четверти длины волны, и волновое сопротивление, отличное от волнового сопротивления входа и выходов. Таким образом, делитель каждого каскада представляет собой делитель аналогичный делителю, описанному в работе: Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. Жук М.С. и Молочков Ю.Б. М., Энергия, 1973, стр. 428. Наличие в составе делителей резонансных отрезков (отрезков линии передачи, имеющие длину равную четверти длины волны) уменьшает диапазон рабочих частот. Каскадное соединение делителей еще более ограничивает диапазон рабочих частот. Таким образом, увеличение числа каналов приводит либо к возрастанию потерь СВЧ сигнала и ухудшению согласования, либо к сужению полосы рабочих частот;
- малый диапазон рабочих частот каждого отдельного канала, обусловленный наличием двух параллельных ветвей полосковой линии, содержащих резонансные многоступенчатые трансформаторы сопротивлений.
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение мощности и пропускной способности вращающегося соединения за счет увеличение количества каналов путем расширения диаметров концентрично расположенных отрезков коаксиальных линий с одновременным увеличением диапазона рабочих частот каналов, при сохранении хорошего согласования и малых потерь СВЧ сигнала.
Указанный технический результат достигается тем, что вращающееся соединение содержит концентрично расположенные отрезки коаксиальных линий, возбуждаемые в точках на торцах отрезков коаксиальных линий, согласующие переходы на концах, подвижно сочленяемые посредством системы четвертьволновых дроссельных зазоров. Согласно изобретению отрезки коаксиальных линий вращающегося соединения выполнены возбуждаемыми в четырех точках, равномерно расположенных по периметру на торцах отрезков коаксиальных линий, а согласующие переходы выполнены в виде двух каскадных делителей, представляющих собой соединения симметричных тройников, выходные плечи которых выполнены в виде трансформаторов, причем трансформаторы, являющиеся выходными плечами тройников первого каскада, выполнены составными из нескольких последовательно соединенных нерезонансных отрезков линии передачи, имеющих различные волновые сопротивления, уменьшающиеся от входа тройника первого каскада к входам тройников второго каскада, а трансформаторы, являющиеся выходными плечами тройников второго каскада, представляют собой нерезонансные отрезки линии, имеющие переменное волновое сопротивление, увеличивающееся от входов тройников к местам присоединения к отрезкам коаксиальных линий.
Отличительные особенности возбуждения коаксиальных линий, согласующих переходов и конструкции трансформаторов позволяют обеспечить достижение заявленного технического результата, а именно:
- обеспечение возбуждения отрезков коаксиальных линий в 4-х (в отличие от прототипа - в 2-х) точках и равномерное распределение по периметру на торцах позволяет увеличить количество каналов передачи СВЧ-сигналов и суммарную мощность энергии, передаваемой через вращающееся соединение;
- выполнение согласующих переходов в виде двух каскадных делителей, представляющих собой соединения симметричных тройников, выходные плечи которых выполнены в виде трансформаторов, причем трансформаторы, являющиеся выходными плечами тройников первого каскада, выполнены составными из нескольких последовательно соединенных нерезонансных отрезков линии передачи, имеющих различные волновые сопротивления, уменьшающиеся от входа тройника первого каскада к входам тройников второго каскада, а трансформаторы, являющиеся выходными плечами тройников второго каскада, представляют собой нерезонансные отрезки линии, имеющие переменное волновое сопротивление, увеличивающееся от входов тройников к местам присоединения к отрезкам коаксиальных линий, позволяет улучшить согласование переходов и тем самым уменьшить потери СВЧ-сигналов, увеличить пропускную способность вращающегося соединения.
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемого к нему чертежа, на котором изображено следующее:
На фиг. 1 показана схема делителя предлагаемого вращающегося соединения.
На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - концентрично расположенные отрезки коаксиальных линий;
2 - выходы тройника 1-го каскада, являющиеся одновременно входами тройников 2-го;
3 - выходы тройников 2-го каскада;
4 - вход тройника 1-го каскада;
5, 6, 7 - отрезки линии между выходами тройников 1-го и входами тройников 2-го каскада;
8 - отрезки линии между входами и выходами тройников 2-го каскада;
9 - подстроенные элементы.
Вращающееся соединение содержит концентрично расположенные отрезки коаксиальных линий 1, возбуждаемые в четырех парах точек, равномерно расположенных по периметру на торцах отрезков коаксиальных линий 1. Переходы на концах, подвижно сочленяемые посредством системы четвертьволновых дроссельных зазоров, выполнены в виде двух каскадных делителей. Двухкаскадные делители выполнены в виде соединения симметричных тройников, выходные плечи которых выполнены в виде трансформаторов. При этом выходы 2 тройников первого каскада являются входами тройников второго каскада, а выходы тройников второго каскада 3 соединены с торцами отрезков коаксиальной линии 1. Причем трансформаторы первого каскада выполнены составными из нескольких последовательно соединенных нерезонансных отрезков линии передачи 5, 6, 7, имеющих различные волновые сопротивления, уменьшающиеся от входов 4 к выходам тройников 2 первого каскада, являющимся одновременно входами тройников второго каскада. Трансформаторы, соединяющие выходы тройников второго каскада с отрезками коаксиальных линий 1, выполнены в виде коротких нерезонансных отрезков линии 8, имеющих переменное волновое сопротивление, увеличивающееся от входов 2 тройника к выходам 3 тройников 2-го каскада (т.е. к местам присоединения делителей к торцам отрезков коаксиальных линий 1). Подстроенные элементы 9 служат для получения необходимых значений параметров (согласования, потерь) в широком диапазоне частот и позволяют компенсировать влияние технологического разброса, получающегося при изготовлении деталей и узлов в процессе производства.
Вращающееся соединение работает следующим образом.
СВЧ сигнал, поступающий на вход 4 тройника первого каскада, делится и по отрезкам 5, 6, 7 высокочастотной линии передачи, образующим трансформаторы, приходит на выходы 2 тройника первого каскада, являющиеся одновременно входами тройников второго каскада, и через короткие нерезонансные отрезки 8 поступает на выходы 3 тройников второго каскада, соединенные с отрезками коаксиальных линий 1 в точках, равномерно расположенных по периметру отрезков коаксиальных линий 1. Подстроенные элементы 9 служат для получения необходимых значений параметров (согласования, потерь) в широком диапазоне частот и позволяют компенсировать влияние технологического разброса, получающегося при изготовлении деталей и узлов в процессе производства.
Так как трансформаторы первого каскада составлены из нескольких нерезонансных отрезков 5, 6, 7 линии передачи, имеющих различные волновые сопротивления, уменьшающиеся от входов 4 к выходам 2 тройников первого каскада, являющимся одновременно входами тройников второго, а соединения выходов 3 тройников второго каскада с отрезками коаксиальных линий 1 выполнены в виде трансформаторов на основе коротких нерезонансных отрезков линии передачи 8, имеющих переменное волновое сопротивление, увеличивающееся от выходов 2 тройников к местам присоединения к торцам отрезков коаксиальных линий 1, то диапазон рабочих частот определяется не длиной каждого из отрезков 5, 6, 7, 8 и не суммой длин отрезков 5, 6, 7. Следовательно, уменьшение диапазона рабочих частот, вызванных наличием нескольких резонансных отрезков (наличием резонансных отрезков в каждом из делителей и каскадным соединением делителей), не происходит. Это позволяет увеличить число каналов за счет увеличения диаметров концентрично расположенных отрезков коаксиальных линий и увеличить диапазон рабочих частот при хорошем согласовании и малых потерь СВЧ сигнала. Кроме того, отсутствие резонансных отрезков в делителях позволяет уменьшить габариты делителей и, как следствие, всего вращающегося соединения.
Отказ от использования в конструкции четвертьволновых короткозамкнутых изоляторов, служащих для крепления центральных проводников коаксиальных линий и изоляции их по высокой частоте от внешних проводников коаксиальных линий, за счет изменения способа крепления центральных проводников коаксиальных линий позволяет еще больше расширить полосу рабочих частот отдельного канала вращающегося соединения.
Использование подстроенных элементов позволяет получить необходимые значения параметров (согласования, потерь) в широком диапазоне частот и позволяет компенсировать влияние технологического разброса, получающегося при изготовлении деталей и узлов в процессе производства, что позволяет снизить требования к точности изготовления деталей и узлов, входящих в состав вращающегося соединения, и тем самым повысить технологичность устройства.
На дату подачи заявки изготовлен макет вращающегося соединения, делитель которого выполнен с использованием симметричных полосковых линий.
Волновые сопротивления отрезков 5, 6, 7, 8 высокочастотной линии передачи, входящих в делитель первого каскада, равны 100 Ом, 47 Ом и 40 Ом соответственно. Длина отрезка 5 составляет от 0.04λ до 0.07λ, длина отрезка 6 - от 0.15λ до 0.23λ, длина отрезка 8 - от 0.03λ до 0.05λ. Таким образом, ни один из отрезков не имеет длину кратную длине волны, т.е. ни один из отрезков не является резонансным. Сумма длин отрезков 5, 6, 7 составляет от 0.22λ до 0.35λ, следовательно, и длина всей высокочастотной линии передачи, содержащей отрезки 5, 6, 7, не является резонансной.
Волновое сопротивление отрезков линии передачи 8, входящих в состав делителей второго каскада, меняется от 40 Ом в начале в месте присоединения отрезков 8 к входу 2 тройников до 53 Ом в местах присоединения к торцам отрезков коаксиальных линий 1. Длина отрезков 8 составляет от 0.07λ до 0.11λ и тоже не является резонансной.
Так как ни длины отрезков линии передачи, входящих в состав делителей, ни их сумма не являются резонансными, следовательно, ширина полосы рабочих частот делителей не имеет ограничения, связанные с длиной отрезков 5, 6, 7, 8, входящих в состав делителей. В результате проведенных экспериментальных работ было установлено, что макет вращающегося соединения может иметь диаметр концентрично расположенных отрезков коаксиальных линий более четверти длины волны. При этом каждый отдельный канал работает в необходимой полосе рабочих частот и может быть с помощью подстроенных элементов перенастроен (при том же уровне КСВ и потерь СВЧ сигнала) в диапазоне рабочих частот от 1 ГГц до 1.6 ГГц при уровне КСВ не более 1,5 и потерь СВЧ сигнала не более 0,5дБ.
Использование данного изобретения позволит значительно увеличить количество каналов за счет увеличения диаметров концентрично расположенных отрезков коаксиальных линий при сохранении большого диапазона рабочих частот, хорошего согласования и малых потерь СВЧ сигнала, повысив при этом технологичность изготовления за счет снижения требования к точности изготовления деталей и узлов, входящих в состав вращающегося соединения.