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?fù)p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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)SMA連接器中d=1.27mm，D=4.1mm，則通過計算得f_c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

4、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(biāo)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）。

5、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。

6、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)

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本文刊登于微波射頻網(wǎng)旗下《微波射頻技術(shù)》雜志 2016微波技術(shù)專刊，未經(jīng)允許謝絕轉(zhuǎn)載。