Зачем нужно вращающееся сочленение
Антенна обзорного радара вращается непрерывно, антенна на опорно-поворотном устройстве поворачивается по азимуту на сотни оборотов в день, а передатчик и приёмник стоят неподвижно. Кабель через такое вращение провести нельзя — он скрутится. Вращающееся сочленение, или вращающийся переход, передаёт СВЧ-сигнал между неподвижной и вращающейся частью без ограничения угла поворота.
Сигнал переходит через круглый волновод или коаксиальную линию в центре; стык двух частей замкнут для СВЧ дроссельным зазором без трения.
Как оно работает
Главная задача — чтобы поле в месте вращения не зависело от угла поворота. В коаксиальном сочленении это обеспечивает сама коаксиальная линия: её поле симметрично. В волноводном сигнал переводят из прямоугольного волновода в круглый с симметричной волной, пропускают через вращающийся стык и переводят обратно. Стык делают бесконтактным: дроссельная канавка длиной в четверть волны создаёт для СВЧ короткое замыкание без механического контакта. Поэтому нет трения по СВЧ-тракту, и ресурс определяется только подшипниками.
Форма: прямое, угловое, U-образное
Прямое сочленение — входной и выходной волноводы на одной оси. Угловое (L) — один выход под 90°, U-образное — оба выхода сбоку. Форму выбирают под компоновку опорно-поворотного устройства: как проходит волновод через ось вращения и куда уходит к антенне.
Ключевые параметры
| Параметр | Что значит | У моделей каталога |
|---|---|---|
| Вносимые потери | сколько теряется в сочленении | 0,2–0,8 дБ у волноводных |
| КСВН | согласование входа и выхода | 1,15–1,35 |
| Изменение КСВН и потерь при вращении | насколько «мигает» сигнал за оборот | важно для радаров |
| Мощность непрерывная и импульсная | предел нагрева и пробоя | до 4 кВт и до 600 кВт |
| Полоса | широкополосные — всё сечение, узкополосные — до 5 % | П и УМ |
| Скорость вращения и ресурс | обороты в минуту и срок службы подшипников | по задаче |
Для радара важнее всего стабильность за оборот: если потери меняются с углом, дальность обнаружения «пульсирует» по азимуту. Хорошие сочленения держат изменение потерь в сотых долях децибела и КСВН в пределах паспортного значения на любом угле.
Мощность волноводных сочленений
Мощность определяется сечением: чем больше волновод, тем больше мощности он пропускает без пробоя и перегрева. Широкополосные сочленения работают во всей полосе сечения, узкополосные высокой мощности — в полосе до 5 %, но держат в несколько раз больше. Импульсная мощность крупных сечений достигает сотен киловатт:
Значения из таблиц серий каталога: непрерывная мощность широкополосных и узкополосных сочленений и импульсная мощность широкополосных.
Пиковая и средняя. Для импульсного радара проверяйте обе: средняя определяет нагрев, пиковая — пробой. Наддув тракта сухим воздухом поднимает порог пробоя.
По графику видно, как мощность падает с уменьшением сечения: сочленения на WR284–WR187 держат 600 Вт непрерывной и 600 кВт импульсной мощности, на WR28–WR19 — 30 Вт и 300 Вт соответственно. Узкополосные исполнения высокой мощности поднимают непрерывную мощность до 2–4 кВт на средних и крупных сечениях — конструкция оптимизирована под узкую полосу, где проще получить малые потери и хороший отвод тепла.
Где стоит сочленение в антенной системе
Сочленение ставят на ось вращения: под антенной в опорно-поворотном устройстве или в основании вращающейся радарной антенны. У двухосного ОПУ сочленений нужно два — по азимуту и по углу места, — и их потери складываются. Между ними часть тракта идёт гибким волноводом или кабелем. Поэтому при проектировании антенной системы сначала выбирают ОПУ и способ прокладки тракта, а затем сочленения под него: форму, диаметр вала и фланцы.
Коаксиальные сочленения
Коаксиальные сочленения работают от постоянного тока до 18, 40 и 50 ГГц с разъёмами SMA, 2,92 и 2,4 мм. Они компактны — наружный диаметр от 7 до 13 мм у одноканальных — и подходят для антенн сопровождения, поворотных столов на полигонах и камер ЭМС, где мощность невелика. Двух- и многоканальные коаксиальные сочленения передают через одну ось несколько независимых сигналов, например две поляризации или приём и передачу. Мощность коаксиальных сочленений — десятки ватт непрерывной и сотни импульсной: для мощных передатчиков выбирают волноводные.
Сочленения с токосъёмником
Вращающейся части антенны нужны не только СВЧ, но и питание и сигналы управления: для приводов, усилителей на мачте, датчиков. Поэтому сочленение совмещают с токосъёмником — кольцами со щётками. В каталоге есть исполнения с числом силовых цепей на 10 А и сигнальных на 2 А до 120, в корпусах диаметром 56 и 86 мм. Примеры по кодам артикулов:
| Диаметр, мм | Силовых цепей 10 А | Сигнальных цепей 2 А | Частоты СВЧ, ГГц |
|---|---|---|---|
| 22 | 0 | 6 | 0–3 |
| 22 | 0 | 12 | 0–3 |
| 32 | 0 | 12 | 0–18 |
| 32 | 0 | 18 | 0–3 |
| 32 | 0 | 24 | 0–3 |
| 32 | 0 | 24 | 0–18 |
| 56 | 0 | 6 | 0–50 |
| 56 | 0 | 6 | 0–18 |
| 56 | 0 | 12 | 0–50 |
| 56 | 0 | 12 | 0–18 |
Двухканальные и особые сочленения
Через одну ось часто нужно пропустить два сигнала: две поляризации метеорадара, приём и передачу спутникового терминала, сумму и разность моноимпульсного облучателя. Двухканальное волноводное сочленение содержит соосно два тракта — центральный волноводный и внешний коаксиальный или второй волноводный. В каталоге есть двухканальные сочленения на сечениях от 2,6 до 40 ГГц и комбинированное для Ku и Ka: 13,75–14,5 ГГц в одном канале и 29,4–31 ГГц во втором.
Для круглых волноводов, в которых тракт уже круглый, сочленение проще — переходы не нужны. Для двухгребневых волноводов есть широкополосные сочленения на 1,5–3,6, 2–4,8, 11–26,5 и 18–40 ГГц — их ставят в поворотные системы испытательных полигонов, где одна антенна перекрывает несколько октав.
Откуда берётся изменение при вращении
Идеально симметричное сочленение не замечает поворота. На практике небольшая эксцентричность, неточность дроссельного зазора и остатки несимметричной волны дают модуляцию потерь и фазы с периодом в один оборот. Для связи это незаметно, для радаров и пеленгаторов — прямо влияет на точность. Поэтому в требованиях к радарным сочленениям отдельно указывают изменение потерь и КСВН за оборот, а в двухканальных — ещё и изменение развязки между каналами.
Ресурс, скорость и обслуживание
Скорость вращения обзорных радаров — от единиц до десятков оборотов в минуту, сочленения опорно-поворотных устройств вращаются медленнее, но в обе стороны. Ресурс задают подшипники и уплотнения: на высоких оборотах и при работе на улице их проверяют и меняют по регламенту. В токосъёмниках изнашиваются щётки, и их контакт проверяют по сопротивлению цепей. СВЧ-часть при исправных подшипниках практически не изнашивается, поэтому межсервисный интервал задают по механике, а не по радиотракту.
Волноводный тракт радара держат под наддувом сухого воздуха. Сочленение — его вращающаяся часть — должно быть герметичным: потеря давления через уплотнения снижает порог пробоя и пускает влагу в тракт. При выборе сочленения для наддувного тракта проверяют допустимое давление и уплотнения вращающегося стыка.
Как проверить сочленение
На стенде измеряют потери и КСВН на нескольких частотах, медленно поворачивая сочленение на полный оборот, и записывают максимальные отклонения. Для двухканальных сочленений отдельно проверяют развязку между каналами на всех углах. Мощные сочленения испытывают на рабочей мощности с контролем температуры корпуса и отсутствия пробоев, токосъёмники — на сопротивление и шум контактов при вращении.
Где применяют
- Обзорные радары: непрерывное вращение антенны, волноводные сочленения высокой мощности.
- Опорно-поворотные устройства антенн связи и сопровождения — одно- и двухканальные.
- Антенные полигоны и безэховые камеры: поворотные столы с коаксиальным сочленением.
- Спутниковые терминалы на подвижных объектах — сочленения каналов приёма и передачи.
- Метеорадары: два канала для двух поляризаций.
- Сканеры и поворотные платформы испытательных стендов.
Типичные ошибки
- Берут широкополосное сочленение для мощного узкополосного передатчика и упираются в мощность.
- Не проверяют импульсную мощность радара и получают пробой в сочленении.
- Забывают о токосъёмнике и тянут питание антенны отдельным кабелем через ось.
- Ставят сочленение без герметизации в наддувный тракт.
- Не учитывают изменение потерь за оборот в радаре с высокими требованиями к точности.
- Забывают, что у двухосного ОПУ сочленений два и их потери складываются.
- Выбирают коаксиальное сочленение с разъёмом ниже рабочей частоты тракта.
Как выбрать
- Линия: коаксиальная или волноводная, сечение и фланцы.
- Число каналов и их частоты.
- Мощность: непрерывная и импульсная с запасом.
- Полоса: вся полоса сечения или узкая, но с большей мощностью.
- Форма: прямое, угловое или U-образное — под компоновку.
- Токосъёмник: число силовых и сигнальных цепей, токи.
- Скорость вращения, ресурс, климат и защита от влаги.
- Для наддувного тракта — герметичность вращающегося стыка и допустимое давление.
Модели KADAMM
Все вращающиеся сочленения — в разделе KADAMM.
| Частоты | 2,6 – 59,6 ГГц |
| Моделей | 15 |
| Частоты | 1,13 – 75,8 ГГц |
| Моделей | 29 |
| Частоты | до 50 ГГц |
| Моделей | 74 |
| Частоты | 2,6 – 40 ГГц |
| Моделей | 14 |