МНОГОКАНАЛЬНОЕ СВЧ ВРАЩАЮЩЕЕСЯ СОЕДИНЕНИЕ
MULTICHANNEL MICROWAVE ROTATING CONNECTION

Изобретение относится к радиотехнической промышленности, а именно к технике сверхвысоких частот, и может быть использовано в радиолокационных системах (РЛС) кругового обзора для сопряжения неподвижной и вращающейся частей многоканального антенно-фидерного тракта. Необходимо отметить, что к многоканальным СВЧ вращающимся соединениям современных многофункциональных РЛС кругового обзора предъявляются достаточно жесткие требования в части эксплуатационных и электрических характеристик (вносимых потерь, уровня согласования, развязки между каналами и стабильности указанных параметров в широком диапазоне частот при вращении). Кроме того, с целью снижения потерь в приемном тракте усиление и оцифровка принятых сигналов по отдельным каналам РЛС, работающих, как правило, на частотах Х-диапазона и выше, производится на выходе вращающейся антенной системы. При этом передача информации от вращающейся аппаратуры РЛС к неподвижной осуществляется посредством волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) с волоконно-оптическим вращающимся соединением, а конструктивное построение СВЧ вращающегося соединения должно обеспечивать возможность прохождения ВОЛС через ось вращения и сопряжения с подвижной частью волоконно-оптического вращающегося соединения. Такое конструктивное построение также позволяет устанавливать датчик углового положения антенной системы со стороны неподвижной части СВЧ вращающегося соединения, что обеспечивает удобство обслуживания РЛС.
Известно трехканальное СВЧ вращающееся сочленение (патент №2446519 С2 (RU), опубл. 27.03.2012, бюл. №9), разработанное ОАО "Муромский завод РИЛ" и серийно изготавливаемое ПАО «НПО «Алмаз» (ТОП «ЛЭМЗ») с 2012 г. по настоящее время. Устройство представляет собой единую конструкцию, объединяющую три канала, два внутренних, выполненных в виде двойной коаксиальной линии, при этом внешний проводник второго канала является центральным проводником первого канала, и третий канал - тороидальный, внешний по отношению к первым двум, выполненный по схеме многомодового коаксиала, возбуждаемого равномерно по окружности с помощью симметрирующей схемы. Для обеспечения электрической развязки между внешним проводником второго канала и центральным проводником первого канала введен поглотитель на основе карбонильного железа и втулки из термопластичного углепластика. Устройство позволяет обеспечить высокую развязку между каналами (не менее 50 дБ) и высокую стабильность параметров в широком диапазоне частот при вращении каналов.
Недостатками такого построения являются отсутствие возможности вывода дополнительных элементов от вращающейся к неподвижной части антенно-фидерного тракта через ось вращения устройства, высокая трудоемкость изготовления, обусловленная сложностью конструкции, и высокий уровень вносимых потерь (до 1,5 дБ в полосе рабочих частот) в третьем тороидальном канале.
Также известно многоканальное вращающееся соединение (авторское свидетельство №1290434 Al (SU), опубл. 15.02.1987, бюл. №6), которое является близким аналогом в части общего подхода к построению устройства. Указанное вращающееся соединение (ВС) состоит из одноканальных микрополосковых ВС, установленных соосно одно над другим и разделенных экранами. Каждое ВС содержит две кольцевые микрополосковые линии, установленные соосно одна над другой с возможностью поворота относительно друг друга. Между проводниками кольцевых микрополосковых линий и между их заземленными пластинами и экранами установлены контактные пружины. Данная конструкция позволяет улучшить равномерность коэффициента передачи в полосе рабочих частот.
Недостатками данной конструкции являются низкая надежность устройства ввиду применения пружинных контактных элементов, снижение коэффициента запаса электрической прочности (по сравнению с конструкциями вращающихся соединений на основе коаксиальных линий), а также высокий уровень вносимых потерь в каналах устройства, что обусловлено использованием микрополосковых линий.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства, является многоканальное вращающееся соединение (патент №2260229 С1 (RU), опубл. 10.09.2005, бюл. №25), которое содержит три концентрично расположенные охватывающие одна другую коаксиальные линии с четвертьволновыми короткозамкнутыми изоляторами и согласующие переходы на концах, подвижно сочленяемые посредством системы четвертьволновых дроссельных зазоров. Короткозамкнутые изоляторы выполнены на основе плоскопараллельной радиальной линии, а согласующие переходы выполнены на полосковой линии в виде двух параллельных ветвей, содержащих многоступенчатые трансформаторы сопротивлений. Указанное изобретение в трехканальном варианте исполнения позволяет уменьшить габариты конструкции вдоль оси вращения и обеспечить по каждому из каналов в полосе рабочих частот ±23% вносимые потери в пределах 0,2…0,5 дБ при уровне КСВН не более 1,5.
Недостатками данного изобретения являются проблематичность обеспечения высокой электрической развязки между каналами при заявленных габаритах устройства, усложнение конструкции из-за необходимости возбуждения внешних отрезков коаксиальных линий по схеме многомодового коаксиала с помощью параллельных ветвей с многоступенчатыми трансформаторами сопротивлений, и также (как и в рассмотренном выше изобретении по патенту №2446519) отсутствие возможности вывода дополнительных элементов от вращающейся к неподвижной части тракта через ось вращения.
Технической задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции, повышение электрической развязки между каналами, а также создание конструктива, обеспечивающего возможность вывода дополнительных элементов, в частности волоконно-оптической линии связи, от вращающейся к неподвижной части антенно-фидерного тракта через ось вращения устройства и соосной установки со стороны его неподвижной части дополнительных подвижных соединений (датчика угла поворота, волоконно-оптического вращающегося соединения и т.п.).
Поставленная задача решена за счет того, что многоканальное СВЧ вращающееся соединение состоит из одноканальных вращающихся соединений, установленных соосно одно над другим, каждое из которых выполнено на основе коаксиальной линии с четвертьволновыми короткозамкнутыми шлейфами в виде радиальной линии и согласующими переходами на концах, при этом внешний и центральный проводники коаксиальной линии содержат четвертьволновые дроссельные зазоры, радиальная линия имеет переменную высоту, а через центральные проводники одноканальных соединений насквозь от вращающейся к неподвижной части конструкции проходит полый металлический стержень цилиндрической формы, образующий дроссельные зазоры с неподвижными центральными проводниками. Подвижные входы одноканальных вращающихся соединений выведены к вращающейся части конструкции устройства с помощью коаксиальных фидеров, проходящих (за исключением фидера верхнего одноканального соединения) через внутреннюю полость стержня.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется при помощи графического материала, где:
- на фиг. 1 приведена конструкция одного из каналов многоканального СВЧ вращающегося соединения в продольном разрезе;
- на фиг. 2 приведена конструкция трехканального СВЧ вращающегося соединения в продольном разрезе;
- на фиг. 3 приведена конструкция четырехканального СВЧ вращающегося соединения в продольном разрезе;
- на фиг. 4 представлен общий вид многоканального СВЧ вращающегося соединения, где показана возможность его соосного сопряжения с волоконно-оптической линией связи, волоконно-оптическим вращающимся соединением и датчиком угла поворота.
На фиг. 1-4 введены следующие позиционные обозначения:
1 - подвижная часть многоканального СВЧ вращающегося соединения; 2 -неподвижная часть многоканального СВЧ вращающегося соединения; 3 - ось вращения; 4 - одноканальное вращающееся соединение; 5 - коаксиальная линия; 6 - четвертьволновый короткозамкнутый шлейф; 7 - согласующий переход; 8 - четвертьволновый дроссельный зазор; 9, 10 - подшипник вращения; 11 - подводящая коаксиальная линия; 12 - полый металлический стержень; 13 - подвижный вход одноканального вращающегося соединения; 14 - коаксиальный фидер; 15 - неподвижный вход одноканального вращающегося соединения; 16 - неподвижный корпус; 17 - волоконно-оптическая линия связи; 18 - датчик угла поворота; 19 - волоконно-оптическое вращающееся соединение.
Многоканальное СВЧ вращающееся соединение представляет собой единую конструкцию, состоящую из подвижной (1) и неподвижной (2) частей, и содержит установленные одно над другим соосно оси вращения (3) одноканальные вращающиеся соединения (4). Каждое из одноканальных вращающихся соединений, как показано на фиг. 1, выполнено на основе коаксиальной линии (5) с четвертьволновыми короткозамкнутыми шлейфами (6) в виде радиальной линии и согласующими переходами (7) на концах. Механическая развязка между подвижной и неподвижной частями конструкции, как и в прототипе, осуществляется с помощью четвертьволновых дроссельных зазоров (8) в центральных и внешних проводниках коаксиальных линий и двух подшипников вращения (9) и (10). В отличие от прототипа радиальная линия имеет переменную высоту, что определяет ее волновое сопротивление и обеспечивает широкополосное согласование в рабочем диапазоне частот. Кроме того, это позволяет уменьшить диаметр четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа (6), поскольку токи в нем распространяются как в радиальном направлении, так и в направлении, параллельном оси вращения (3). Согласующие переходы (7) на концах коаксиальной линии выполнены в виде трансформатора сопротивлений, предназначенного для согласования подводящей коаксиальной линии (11), с коаксиальной линией (5), сечение которой из конструктивных соображений выбрано максимально возможным при условии распространения в ней только основного типа электромагнитных колебаний (ТЕМ). Волновые сопротивления коаксиальных линий (5) и (11) составляют, соответственно, 38 Ом и 50 Ом. При этом длина трансформатора за счет его емкостной связи с внешним проводником коаксиальной линии (5), а также незначительного различия волновых сопротивлений согласуемых линий оказывается существенно меньше четверти длины волны и размещается на участке между центральным и внешним проводниками линии (5).
Отличительной особенностью многоканального СВЧ вращающегося соединения является то, что через центральные проводники одноканальных соединений насквозь от вращающейся к неподвижной части конструкции проходит полый металлический стержень (12), имеющий цилиндрическую форму и образующий дроссельные зазоры с неподвижными центральными проводниками. Подвижные входы (13) одноканальных вращающихся соединений выведены к вращающейся части конструкции устройства с помощью коаксиальных фидеров (14), проходящих (за исключением фидера верхнего одноканального соединения) через внутреннюю полость стержня (12). Неподвижные входы (15) выведены от одноканальных вращающихся соединений через подводящую линию (11) на неподвижный корпус (16).
Такое построение существенно упрощает конструкцию многоканального СВЧ вращающегося соединения за счет унификации конструктивного исполнения одноканальных вращающихся соединений (4), и обеспечивает возможность прохождения волоконно-оптической линии связи (17) через внутреннюю полость цилиндрического стержня (12), который со стороны неподвижной части устройства может быть соосно сопряжен с дополнительными подвижными соединениями, в частности датчиком угла поворота (18) и волоконно-оптическим вращающимся соединением (19).
На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация трехканального и четырехканального СВЧ вращающихся соединений, изготовлены их экспериментальные образцы, результаты испытаний которых подтвердили возможность практической реализации предлагаемого изобретения.
Трехканальное СВЧ вращающееся соединение в диапазоне частот от 1025 МГц до 1540 МГц имеет следующие характеристики: вносимые потери в каналах - 0,3…0,5 дБ; КСВН каналов - не более 1,4; развязки между соседними каналами - не менее 50 дБ, между крайними каналами - не менее 60 дБ; изменение фазы сигнала в каналах при вращении: ±1°. Конструкция трехканального СВЧ вращающегося соединения приведена на фиг. 2.
Характеристики трех каналов четырехканального СВЧ вращающегося соединения аналогичны реализованным характеристикам трехканального СВЧ вращающегося соединения. Четвертый канал работает в диапазоне частот от 2700 МГц до 3100 МГц и имеет следующие характеристики: вносимые потери - не более 0,3 дБ; КСВН - не более 1,4; развязка с каждым из каналов - не менее 60 дБ; изменение фазы сигнала при вращении: ±1°. Конструкция четырехканального СВЧ вращающегося соединения приведена на фиг. 3.
Разработанные трехканальное и четырехканальное СВЧ вращающиеся соединения по стойкости, прочности и устойчивости к воздействию механических и климатических факторов соответствуют группе 1.10 исполнения «О» по ГОСТ РВ 20.39.304-98.
Использование предлагаемого изобретения обеспечивает упрощение конструкции многоканального СВЧ вращающегося соединения, повышение электрической развязки между его каналами, и оказывается полезным в тех случаях, когда требуется вывод дополнительных элементов от вращающейся к неподвижной части многоканального антенно-фидерного тракта через ось вращения устройства, а также установка со стороны его неподвижной части дополнительных соосных подвижных соединений.