免調(diào)螺釘圓極化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉波

西南電子技術(shù)研究所，成都 610036

免調(diào)螺釘圓極化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉波

西南電子技術(shù)研究所，成都 610036

本文結(jié)合工程實(shí)踐，介紹一種新型的螺釘圓極化器。該螺釘圓極化器利用現(xiàn)有的三維仿真技術(shù)與機(jī)械加工工藝手段，通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的可調(diào)螺釘圓極化器結(jié)構(gòu)形式，使極化器實(shí)物結(jié)果與仿真模型保持一致，實(shí)現(xiàn)了極化器的免調(diào)。

螺釘；圓極化器；免調(diào)；天線

前言

螺釘圓極化器是金屬螺釘在圓波導(dǎo)的管壁上對(duì)稱插入，等距排列。由于螺釘對(duì)V極化波呈容性、對(duì)H極化波呈感性，因此這兩個(gè)分量有不同的相位，H極化波的相位超前，V極化波的相位滯后，通過(guò)適當(dāng)選擇圓波導(dǎo)的直徑、金屬螺釘?shù)闹睆?、螺釘間距和螺釘穿入深度，就可以使同相輸入的V極化波和H極化波經(jīng)過(guò)極化器后，形成90°，從而形成圓極化波[1]。

在衛(wèi)星通信、遙測(cè)及測(cè)控系統(tǒng)中，螺釘圓極化器由于調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，且具有插損小，帶寬適中的優(yōu)點(diǎn)[1-2]，使其成為進(jìn)行線-圓極化轉(zhuǎn)換的一種重要形式。本文結(jié)合工程實(shí)踐，介紹一種在傳統(tǒng)可調(diào)螺釘圓極化器基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的免調(diào)螺釘圓極化器。

1 可調(diào)螺釘圓極化器

圖1是某天線局部，該天線采用傳統(tǒng)的可調(diào)螺釘圓極化器進(jìn)行線-圓極化轉(zhuǎn)換。

圖1 可調(diào)螺釘圓極化天線

該圓極化器前期設(shè)計(jì)分為3個(gè)步驟：1）確定圓波導(dǎo)外形尺寸；2）計(jì)算耦合孔的分布和間距；3）確定各個(gè)孔的大小尺寸[3]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果在圓波導(dǎo)腔壁上設(shè)計(jì)3組對(duì)稱M4調(diào)諧螺釘，零部件完成組裝后由調(diào)試人員通過(guò)調(diào)整螺釘進(jìn)入波導(dǎo)腔內(nèi)的長(zhǎng)短來(lái)調(diào)試電性能。

調(diào)諧螺釘完成調(diào)諧后，需要對(duì)其進(jìn)行加固，目前常用的幾種加固方式有：焊接、雙螺紋鎖緊和粘固等。圖1所示天線就采用了螺釘與波導(dǎo)外緣接合處焊接的加固方式。如果調(diào)諧螺釘與波導(dǎo)外緣結(jié)合部為平面，也可以采用雙螺紋鎖緊的方式進(jìn)行加固。2 免調(diào)螺釘圓極化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某彈載設(shè)備對(duì)天線組件外形要求如圖2所示。極化器外徑10mm，通過(guò)對(duì)極化器的前期設(shè)計(jì)，確定波導(dǎo)腔內(nèi)徑7mm，需使用6組等間距3.2mm的M1.4調(diào)諧螺釘。

圖2 天線外形要求

2.1 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)輸入要求，按照傳統(tǒng)可調(diào)螺釘圓極化器設(shè)計(jì)將存在多方面困難。

1) 波導(dǎo)外徑10mm，內(nèi)徑7mm，波導(dǎo)壁厚只有1.5mm，在這么薄的壁面上攻絲，螺紋的失效率高。而且后續(xù)在調(diào)試過(guò)程中，也存在因多次調(diào)試導(dǎo)致螺紋損壞而使產(chǎn)品報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)；

2) 在調(diào)試完成后，需要對(duì)調(diào)諧螺釘進(jìn)行加固。由于天線外形尺寸的約束，采用焊接的方法加固后，需要切除螺釘?shù)亩嘤嗖糠?，外力的作用?huì)使天線的電性能產(chǎn)生波動(dòng)，影響調(diào)試結(jié)果；

3) 由于螺釘間距僅為3.2mm，且外緣為圓弧面，也無(wú)法采用雙螺紋鎖緊加固。另外小螺紋鎖緊也不利于彈載設(shè)備的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性。

2.2 仿真設(shè)計(jì)

由于使用傳統(tǒng)可調(diào)螺釘圓極化器設(shè)計(jì)方法無(wú)法滿足該彈載天線的設(shè)計(jì)要求，需要找到一種突破傳統(tǒng)的螺釘極化器結(jié)構(gòu)形式。

目前，使用數(shù)字化技術(shù)，利用專業(yè)應(yīng)用軟件對(duì)天線的理論模型進(jìn)行仿真已經(jīng)成為重要的設(shè)計(jì)手段，相關(guān)軟件的仿真精度已經(jīng)很高。實(shí)踐證明，如果極化器實(shí)物與理論模型趨近，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果也愈接近，在誤差范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)天線的免調(diào)[4]。

圖3是利用HFSS電磁仿真軟件建立的免調(diào)螺釘圓極化天線三維模型，利用它可以在HFSS中精確仿真天線的各種電性能，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，生成最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。圖4～圖6為仿真得到的駐波比、軸比及增益方向圖，可以滿足產(chǎn)品的電性能指標(biāo)要求。

圖3 圓極化天線三維模型

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)3.2中的分析，為使圓極化器免調(diào)，需要保證實(shí)物結(jié)果與仿真模型基本一致。

設(shè)計(jì)中將極化器的結(jié)構(gòu)分解為波導(dǎo)（圖7）與螺釘兩部分（圖8），并將傳統(tǒng)可調(diào)的6個(gè)調(diào)諧螺釘進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，利用高精加工中心加工后的零件形位公差及表面光潔度可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)精確定位焊接將其固定在圓波導(dǎo)腔壁上。

圖9 免調(diào)螺釘極化器剖面

圖9為免調(diào)螺釘圓極化器剖面圖，兩個(gè)整體設(shè)計(jì)的螺釘相對(duì)焊接在波導(dǎo)腔壁上，通過(guò)對(duì)零件的公差精度控制，實(shí)現(xiàn)零件的準(zhǔn)確定位。螺釘?shù)耐古_(tái)設(shè)計(jì)既能保證定位，也能防止焊料進(jìn)入波導(dǎo)內(nèi)壁，影響內(nèi)壁光潔度。

3 天線成果

天線材料選為銅，加工調(diào)試完成后的天線實(shí)物如圖10所示，在微波暗室進(jìn)行的實(shí)測(cè)結(jié)果顯示天線的駐波比≤1.5，增益≥3 dBi，軸比≤2，天線的外形尺寸與電性能指標(biāo)均滿足要求。

圖10 天線實(shí)物

4 結(jié)語(yǔ)

免調(diào)螺釘圓極化器充分利用了現(xiàn)有的仿真設(shè)計(jì)與機(jī)械加工工藝手段，使天線結(jié)構(gòu)外形尺寸和典型電性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，既滿足產(chǎn)品小型化設(shè)計(jì)要求，也能避免因調(diào)試產(chǎn)生的人力成本和性能不穩(wěn)。通過(guò)工藝改進(jìn)與固化，此方法也適用于產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)。

[1]蘇麗萍.圓波導(dǎo)螺釘極化器的分析與設(shè)計(jì).微波與衛(wèi)星通信，1999.3

[2]王佑貞等.X波段圓極化天線的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn).電子測(cè)量技術(shù)，2010.2

[3]劉昊等.圓波導(dǎo)TE11/TE21雙模自跟蹤饋源的研究設(shè)計(jì).遙測(cè)遙控，2007.11

[4]李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用詳解.人民郵電出版社，2010.5

圖4 仿真得到的駐波比

圖5 仿真得到的軸比

圖7 波導(dǎo)

圖8 螺釘

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.120