МНОГОКАНАЛЬНОЕ ВРАЩАЮЩЕЕСЯ СОЧЛЕНЕНИЕ
MULTICHANNEL ROTARY JOINT

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в антенно-фидерных трактах многоканальных систем диапазона СВЧ, в частности при построении полноповоротных антенных постов с механическим сканированием диаграммы направленности.
11
Известно из авторского свидетельства SU 1709436 волноводное вращающееся сочленение, содержащее два отрезка гофрированного волновода круглого поперечного сечения с рабочей волной ЕН, сочлененные между собой торцами, перпендикулярными их оси с возможностью относительного осевого вращения.
Однако данное устройство содержит один канал передачи энергии и без применения дополнительных фильтрующих устройств не может обеспечить распространение в этом канале более двух сигналов с круговой поляризацией, имеющих противоположное направление вращения плоскости поляризации.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является многоканальное вращающееся сочленение, описанное в патенте JP S 6239842 и содержащее концентрично расположенные коаксиальные линии с различными диаметрами. Внешний проводник внутренней линии используется в качестве внутреннего проводника соседней смежной линии. На коаксиальных линиях установлены дроссели. С внешними линиями основные линии, составляющие вращающееся сочленение, соединены уголковыми соединениями коаксиальных линий, подключенными через четвертьволновые изоляторы от закороченных коаксиальных линий.
Однако данное техническое решение имеет ряд ограничений, обусловленных конструкцией устройства. Так как все коаксиальные концентрические линии, составляющие это вращающееся сочленение, должны работать в одномодовом режиме, то их размеры должны удовлетворять условию:
n
где R - радиус экрана коаксиальной линии n;
n
r - радиус внутреннего проводника коаксиальной линии n;
λmin - минимальная длина волны рабочего диапазона коаксиальной линии п.
n
n
Для диапазона частот с верхней рабочей частотой 50 ГГц для удовлетворения условия (1) размеры коаксиальной линии должны быть следующими: R=1,33 мм, r= 0,57 мм. Уровень допустимой мощности для такой линии не должен превышать величину 4 Вт. [Миниатюрные радиочастотные соединители. К.Б. Джуринский, Москва, «Компоненты и технологии», 2014 г.] что не позволяет использовать данное устройство в антенно-фидерных трактах, в которых в высокочастотном диапазоне требуется передавать мощности, превышающие указанную величину.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании многоканального вращающегося сочленения, обеспечивающего передачу в одном высокочастотном канале высокочастотного сигнала в диапазонах К (18…27 ГГц), Ка (27…40 ГГц) или Q (33…50 ГГц) с уровнем мощности не менее 1 кВт, а в другом высокочастотном канале - высокочастотного сигнала в диапазоне не выше L (1…2ГГц) с уровнем мощности до 100 Вт, а также формирование нескольких низкочастотных каналов передачи, позволяющих передавать по вращающемуся сочленению сигналы управления и питающие напряжения постоянного тока.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении передачи двух сигналов в диапазоне СВЧ, значительно разнесенных между собой по частоте, и передачи сигналов управления и питания в количестве от 1 до N через один узел вращения.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что многоканальное вращающееся сочленение содержит два волноведущих элемента, объединенных друг с другом соосно на подшипнике с возможностью вращения друг относительно друга, при этом один волноведущий элемент содержит изолированную обойму с контактными кольцами, и каждый волноведущий элемент содержит корпус с внутренней цилиндрической поверхностью, уголковое соединение с разъемом, проводники и круглый гофрированный волновод, причем круглый гофрированный волновод одного волноведущего элемента отделен от круглого гофрированного волновода другого волноведущего элемента разрывом, образуя один высокочастотный канал передачи, внешняя поверхность круглого гофрированного волновода и внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса каждого волноведущего элемента образуют коаксиальную линию, причем коаксиальная линия одного волноведущего элемента отделена от коаксиальной линии другого волноведущего элемента разрывом, совместно с уголковым соединением и разъемом образуя второй высокочастотный канал передачи, в корпусе каждого волноведущего элемента размещены проводники, выполненные с возможностью контакта с проводниками другого волноведущего элемента посредством контактных колец, закрепленных на изолированной обойме на внешней поверхности корпуса одного волноведущего элемента, образуя низкочастотные каналы передачи.
11
Технический результат заявляемого изобретения достигается благодаря тому, что в многоканальном вращающемся сочленении в качестве одного высокочастотного тракта передачи использован круглый гофрированный волновод с рабочей волной ЕН, позволяющий передавать сигнал в одном из диапазонов К, Ка или Q с уровнем мощности до 1 кВт [Результаты исследования круглых гофрированных волноводов с малыми потерями для миллиметрового диапазона волн // Теория и техника антенн. Сборник: Тезисы докладов на 25 Межотраслевой научно-технической конференции. Москва, 1987 г. Альховский Э.А., Воронов В.Ю., Ильинский А.С., Тупиков М.В., Цибизов Н.К.], а второй высокочастотный тракт представляет собой коаксиальную линию, внутренний проводник которой образован корпусом гофрированного волновода, а внешний экранный проводник сформирован корпусом вращающегося сочленения, на внешней поверхности которого на изолированной основе закреплены контактные кольца в количестве от 1 до N, обеспечивающие передачу низкочастотных сигналов или питающих напряжений постоянного тока.
Реализация заявляемого изобретения поясняется с помощью фигур 1-3, на которых изображены:
Фиг. 1-2 - продольное сечение многоканального вращающегося сочленения; Фиг. 3 - структурная схема двухдиапазонной радиолокационной станции.
На фиг. 1-3 позициями 1-37 показаны:
1 - первый волноведущий элемент;
2 - второй волноведущий элемент;
3 - подшипник;
4 - гофрированный волновод;
5 - разрыв круглого гофрированного волновода, разрыв центральной жилы коаксиальной линии;
6 - фланец;
7 - корпус волноведущего элемента;
8 - разрыв экранного проводника коаксиальной линии;
9 - короткозамыкающая диафрагма;
10 - уголковый коаксиальный соединитель;
11 - коаксиальный разъем;
12 - проводник низкочастотных цепей;
13 - токоведущее контактное кольцо;
14 - изолирующая обойма;
15 - низкочастотный соединитель;
16 - скользящий токосъемник;
17 - четвертьволновый изолятор;
18 - расстояние между разрывами,
19, 20 - расстояния от уголкового соединения до разрыва;
21 - присоединительный фланец;
22 - неподвижная часть антенного поста;
23 - выход;
24 - первый высокочастотный приемо-передающий модуль;
25 - подвижная платформа антенного поста;
26 - антенна;
27 - отрезок тракта передачи;
28 - двуканальный облучатель;
29 - второй высокочастотный приемо-передающий модуль;
30 - первый кабель;
31 - второй кабель;
32, 33 - низкочастотные контакты;
34 - блок питания;
35, 36 - цепи низкочастотных сигналов;
37 - устройство управления.
Многоканальное вращающееся сочленение содержит первый и второй волноведущие элементы 1 и 2, расположенные соосно с возможностью вращения относительно друг друга на общей оси посредством подшипника 3.
11
Каждый волноведущий элемент 1, 2 содержит участок гофрированного волновода 4 круглого сечения и участок коаксиальной линии. Два участка круглого гофрированного волновода 4, принадлежащие двум волноведущим элементам 1, 2, разделены узким разрывом 5, выполненным в плоскости симметрии впадины гофра, что обеспечивает минимизацию потерь рабочей волны ЕН [Авторское свидетельство №1709436 «Волноводное вращающееся сочленение» Альховский Э.А., Цибизов Н.К., Асафьев В.И., Воронов В.Ю., Ильинский А.С., Тупиков М.В., Голуб В.М. 29.12.1989], распространяющейся с круговой поляризацией [Авторское свидетельство №1583999 «Гибкий волновод» Альховский Э.А., Цибизов Н.К., Асафьев В.И., Воронов В.Ю., Ильинский А.С., Голуб В.М., Пасько В.А., Балашова Н.П. 27. 06.1988]. Внешняя поверхность каждого участка круглого гофрированного волновода 4 и цилиндрическая внутренняя поверхность корпуса 7 каждого волноведущего элемента 1, 2 образуют коаксиальные линии, разделенные друг от друга разрывом 5 и разрывом 8, имеющие уголковые коаксиальные соединители 10 с коаксиальным разъемом 11. Для предотвращения затекания токов на внешнюю поверхность корпуса 7 волноведущих элементов 1, 2 в экранной части в разрыве имеется дроссельная канавка. Для формирования низкочастотных каналов передачи на внешней поверхности корпуса 7 второго волноведущего элемента 2 на изолирующей обойме 14 закреплены токоведущие контактные кольца 13, к каждому из которых с внутренней стороны подключен проводник низкочастотных цепей 12, имеющий низкочастотный соединитель 15 на втором волноведущем элементе 2, а к верхней поверхности контактного кольца 13 прижат скользящий токосъемник 16, закрепленный на первом волноведущем элементе 1, и соединенный проводником низкочастотных цепей 12 с низкочастотным соединителем 15 на первом волноведущем элементе 1.
11
11
Высокочастотный канал передачи на основе круглого гофрированного волновода 4 с рабочей волной ЕН образован из отрезка, принадлежащего первому волноведущему элементу 1, и отрезка аналогичного гофрированного волновода 4, принадлежащего второму волноведущему элементу 2. Между собой они разделены узким разрывом 5 в сечении максимального радиуса гофрированного волновода 4, за счет чего минимизируется уровень потерь энергии распространяющегося сигнала. Гофрированный волновод 4 должен быть выполнен с геометрическими размерами, обеспечивающими распространение в нем волны ЕН [Результаты исследования круглых гофрированных волноводов с малыми потерями для миллиметрового диапазона волн // Теория и техника антенн. Сборник: Тезисы докладов на 25 Межотраслевой научно-технической конференции. Москва, 1987 г. Альховский Э.А., Воронов В.Ю., Ильинский А.С., Тупиков М.В., Цибизов Н.К.]. Распространяющаяся волна должна быть с круговой поляризацией для исключения поляризационных потерь сигнала при угловых перемещениях волноведущих элементов 1, 2 относительно друг друга. На внешних торцах отрезков круглого гофрированного волновода 4 расположены присоединительные фланцы 6 волноводного входа и выхода.
Второй высокочастотный тракт представляет собой отрезок коаксиальной линии, внутренний проводник которой образован корпусом гофрированного волновода 4, а внешний экранный проводник сформирован корпусом 7 волноведущего элемента 1 или 2. Между собой эти отрезки механически развязаны разрывом 5 центральной жилы -гофрированного волновода и узким разрывом 8 экранного проводника с дроссельным фильтром в корпусах 7 волноведущих элементов 1 и 2. Наружные концы отрезков коаксиальных линий закорочены короткозамыкающими диафрагмами 9. Каждый отрезок коаксиальной линии, принадлежащий волноведущему элементу 1 или 2, имеет уголковый коаксиальный соединитель 10, оканчивающейся коаксиальным разъемом 11, предназначенным для соединения с коаксиальным трактом антенно-фидерного устройства. Уголковый коаксиальный соединитель 10 изолирован от короткозамыкающей диафрагмы 9 четвертьволновым изолятором 17 длиной  где λо - длина рабочей волны, распространяющейся в коаксиальной линии.
Размеры элементов коаксиальных линий выбирают из условий соблюдения одномодового режима распространения рабочей волны (1) и для обеспечения требуемого волнового сопротивления этой линии, определяемого из соотношения:
где Z - волновое сопротивление коаксиальной линии;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика коаксиальной линии;
R - радиус экранного проводника коаксиальной линии;
r - радиус центрального проводника коаксиальной линии.
Расстояния между разрывами 18 и от уголковых соединений до разрывов 19 и 20 вычисляются для каждой конкретной конструкции многоканального вращающегося сочленения путем решения оптимизационной задачи по достижению максимума коэффициента передачи между коаксиальными разъемами 11 в заданном рабочем диапазоне частот.
Низкочастотные каналы передачи сигналов управления либо напряжений питания в количестве 1…N состоят из проводников 12, расположенных в волноведущих элементах 1 и 2, последовательно соединенных друг с другом через контактные кольца 13, закрепленные на изолированной основе 14 на втором волноведущем элементе 2. Проводники 12 соединены с низкочастотными соединителями 15, являющимися входами и выходами низкочастотных каналов, соответственно, расположенными на волноведущих элементах 1 и 2. Проводники 12, расположенные в первом волноведущем элементе 1, соединены с соответствующими контактными кольцами 13 с внутренней стороны фиксированными гальваническими контактами. Проводники 12, расположенные во втором волноведущем элементе 2 соединяются с соответствующими контактными кольцами 13 с внешней стороны посредством скользящих по поверхности колец токосъемников 16.
Количество низкочастотных каналов N разработчиком устройства определяется исходя из требуемого количества электрических цепей, обеспечивающих функционирование устройств, например, усилителей, двигателей, размещаемых на подвижной части вращающегося сочленения. Количество низкочастотных каналов N ограничивается физическими размерами вращающегося устройства, определяемыми диапазонами рабочих частот высокочастотных каналов и габаритными рамками на вращающееся сочленение, вытекающими из конструкции антенно-фидерного устройства.
Заявляемое устройство может быть изготовлено из меди или медного сплава, обладающего высокой поверхностной проводимостью.
Устройство может быть применено в антенно-фидерных постах, например, в двухдиапазонной радиолокационной станции, построенной по структурной схеме, изображенной на фигуре 3.
Заявляемое изобретение используют следующим образом.
Многоканальное вращающееся сочленение размещают вертикально и закрепляют присоединительным фланцем 21 второго волноведущего элемента 2 к неподвижной части антенного поста 22. Ко входному фланцу 6 гофрированного волновода 4 второго волноведущего элемента 2 подключен волновод выхода 23 первого высокочастотного приемо-передающего модуля 24. Первый волноведущий элемент 1 крепят к подвижной платформе антенного поста 25, обеспечивающей вращение антенны 26 в азимутальной плоскости вокруг оси вращения многоканального вращающегося сочленения. Выходной фланец 6 гофрированного волновода 4 многоканального вращающегося сочленения соединяют отрезком тракта передачи 27 со входом двухканального облучателя 28 зеркальной антенны. Так построен тракт приемо-передачи станции в одном высокочастотном диапазоне.
Второй тракт приемо-передачи устроен следующим образом. Коаксиальный разъем второго высокочастотного приемо-передающего модуля 10 соединяют первым кабелем 30 с входным коаксиальным разъемом 11 второго волноведущего элемента 2. От коаксиального разъема 11 первого волноведущего элемента 1 второй кабель 31 подключают ко второму входу двухканального облучателя зеркальной антенны.
Через низкочастотные контакты 32 и 33 передают напряжения питания от блока питания 34 приводов движения антенны в азимутальной и угломестной плоскости. Цепи 35, 36 обеспечивают передачу низкочастотных сигналов с датчиков отсчета угла поворота в азимутальной и угломестной плоскостях устройству управления 37. Эти цепи 35, 36 питания и управления коммутируются с низкочастотными соединителями 15, расположенными на первом волноведущем элементе 1, на соответствующие исполнительные устройства, расположенные на подвижной платформе.
Таким образом использование многоканального вращающегося сочленения позволяет обеспечить функционирование полноповоротной антенны в двух высокочастотных диапазонах.