同軸接觸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)性能測試方法淺析

摘要：在對同軸接觸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)簡要介紹的基礎(chǔ)上，結(jié)合其實(shí)際應(yīng)用過程中性能參數(shù)的測試經(jīng)驗(yàn)，提出了精確測試和粗略測試兩種測試方法，并對這兩種測試方法的測試情況進(jìn)行了對比分析和總結(jié)，為此類產(chǎn)品的測試提供了相關(guān)借鑒經(jīng)驗(yàn)和方法。

關(guān)鍵詞：微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；同軸接觸式；測試方法

1、引言

微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是一種用于實(shí)現(xiàn)兩個相對轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)間射頻信號傳送的連接器件，主要用于連續(xù)旋轉(zhuǎn)平臺在360°無限連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中保持射頻信號連續(xù)不斷的向固定平臺傳輸。例如，在雷達(dá)天線系統(tǒng)中微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是其中一個保證天線正常工作的關(guān)鍵部件，在天線360°不停旋轉(zhuǎn)的情況下，可將微波信號從發(fā)射機(jī)傳輸?shù)教炀€，或從天線傳輸給接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)方位和俯仰的搜索；在機(jī)載光電吊艙系統(tǒng)中，高清相機(jī)、紅外相機(jī)等在360°旋轉(zhuǎn)過程中將采集到的高速圖像視頻信號也通常通過微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)將其傳送到接收機(jī)中進(jìn)行觀測和存儲。微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)按接觸形式可分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式主要以同軸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為主，其具有傳輸頻帶寬、體型小、通用性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是一般壽命較短、環(huán)路較少；非接觸式主要以波導(dǎo)式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為主，其主要優(yōu)點(diǎn)是壽命長、結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是一般體積較大、傳輸頻帶窄等。同時也可將兩種接觸形式的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)集成在一起形成集成式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以滿足不同應(yīng)用場合的需求。本文在此基礎(chǔ)上，主要分析介紹同軸接觸式單路、雙路、三路微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在實(shí)際工程應(yīng)用中快速有效測試分析其性能的方法及經(jīng)驗(yàn)。

2、同軸接觸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

同軸接觸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以其傳輸頻帶寬、體型小、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越廣泛的應(yīng)用，其一般應(yīng)用在安裝空間小、需求環(huán)路少（一般1-3路）、傳輸頻率相對低（一般在20GHz以下）的場合。此類旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)一般兩端均為標(biāo)準(zhǔn)的射頻同軸接頭，如SMA、N型、BNC、2.92mm、3.5mm等，十分方便與帶有同類型射頻接頭的同軸線纜直接連接在一起使用。目前，國外已有多家公司生產(chǎn)出多種此類適用于不同場合的通用型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，例如德國的斯必能公司（如Spinner BN 835047、Spinner BN 153127等）、美國鉆石公司（如Diamond Antenna 18-2124-0，2244A-0等）、美國科巴姆公司Cobham、Kevlin等公司以及瑞典Siverslab公司（PM7892等）等，這些公司的產(chǎn)品技術(shù)和工藝都已比較成熟，其壽命一般能達(dá)到500萬轉(zhuǎn)及以上。如圖1為斯必能公司的Spinner BN 835047型單路微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，圖2為鉆石公司的2244A-0型雙路微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，圖3為斯必能公司的某型三路微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。國內(nèi)也有多家研究院所和企業(yè)研究生產(chǎn)出此類產(chǎn)品，如航天科工二院二十三所、中電14所等，以同軸式單路微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為例，同國外相比國內(nèi)主要表現(xiàn)出兩方面的不足：一是壽命較短，二是體型較大。

圖1、Spinner BN 835047

圖2、Diamond Antenna 2244A-0

圖3、Spinner 3-Channel Rotary Joint

3、主要技術(shù)指標(biāo)分析

以單路同軸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)Spinner BN 835047主要參數(shù)指標(biāo)為例（如表1所示），對影響同軸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳輸性能的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析。

表1、Spinner BN 835047主要參數(shù)指標(biāo)

表1中的14項(xiàng)參數(shù)是單路同軸接觸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)涉及到的比較重要的參數(shù)指標(biāo)，多路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在此基礎(chǔ)上需要增加一個重要參數(shù)指標(biāo)—隔離度，其中電壓駐波比跳動是指微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在旋轉(zhuǎn)過程中電壓駐波比最大值與最小值之差，插入損耗跳動、相位跳動均類似。表中標(biāo)注帶“★”的參數(shù)是所有參數(shù)指標(biāo)中最為關(guān)鍵的參數(shù)，這些參數(shù)指標(biāo)的好壞將直接決定其產(chǎn)品性能的好壞，因此，單路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在使用之前必須對這些關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測和測試驗(yàn)證，多路旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在此基礎(chǔ)上還需要增加隔離度參數(shù)的測試驗(yàn)證，進(jìn)而確定其能否滿足使用要求。以上標(biāo)注帶“★”的參數(shù)指標(biāo)目前主要通過微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來進(jìn)行測試，測試結(jié)果直接以圖形曲線顯示。目前，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀國外廠家（品牌）主要有美國是德科技（原安捷倫電子測量事業(yè)部）、德國羅德與施瓦茨（R&S）和日本安立，國內(nèi)僅有中電41所的種類相對齊全、測試頻率相對較高。

4、測試方法分析

對于生產(chǎn)制造企業(yè)來說，同軸接觸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)出廠前的最后一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是性能指標(biāo)測試，對于用戶來說，在使用前也必須對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的性能指標(biāo)再次進(jìn)行驗(yàn)證和測試，因此，找到一種合適的測試方法對其十分重要。根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，初步總結(jié)出兩大類測試方法，分別為精確測試和粗略測試，其中精確測試又包含三種不同的測試方法，而不同的測試方法具有不同的優(yōu)勢和缺點(diǎn)。

4.1、精確測試

根據(jù)被測關(guān)節(jié)連接方式不同分為三種測試方法：（1）被測關(guān)節(jié)連接測試負(fù)載；（2）被測關(guān)節(jié)連接測試跳線；（3）被測關(guān)節(jié)連接標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)。

（1）被測關(guān)節(jié)連接測試負(fù)載；該測試方法比較簡單，以兩端為SMA接口的單路微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為例，假設(shè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入/輸出端接口為3.5mm型，由于SMA與3.5mm接口兼容，所以可以直接將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的靜止端與矢網(wǎng)的其中一個輸入/輸出端相連，將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)端與校準(zhǔn)件中的負(fù)載直接相連，具體如圖4示意所示。如果輸入/輸出端為N型接口，還需要外加N轉(zhuǎn)SMA轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行連接。此種方式可以通過手動連續(xù)旋轉(zhuǎn)負(fù)載或者程控電機(jī)帶動負(fù)載連續(xù)旋轉(zhuǎn)即可測試電壓駐波比、電壓駐波比跳動、隔離度、壽命參數(shù)指標(biāo)。

（2）被測關(guān)節(jié)連接測試跳線；此種方式是最常用的測試方法，仍以（1）中的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為例，將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的兩端SMA接口分別與兩根帶3.5mm接口的測試線纜的一端相連，測試線纜的另一端分別連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個輸入/輸出端，具體如圖5示意所示。此種方式可以通過手動非連續(xù)旋轉(zhuǎn)（先慢速正向旋轉(zhuǎn)360°，再慢速反向旋轉(zhuǎn)360°，以此往復(fù)）被測關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)端或者程控電機(jī)帶動被測關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)端非連續(xù)旋轉(zhuǎn)（先慢速正向旋轉(zhuǎn)360°，再慢速反向旋轉(zhuǎn)360°，以此往復(fù)）即可測試電壓駐波比、電壓駐波比跳動、插入損耗、插入損耗跳動、相位跳動、隔離度參數(shù)指標(biāo)。

（3）被測關(guān)節(jié)連接標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)；此種方式需要備置一個與被測關(guān)節(jié)同類型的標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，仍以（1）中的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為例，將被測關(guān)節(jié)和標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)端的SMA接口通過測試轉(zhuǎn)接頭連接在一起，被測關(guān)節(jié)和標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)靜止端的SMA接口分別與兩根帶3.5mm接口的測試線纜的一端相連，測試線纜另一端分別連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個輸入/輸出端，具體如圖6示意所示。此種方式可以通過手動連續(xù)旋轉(zhuǎn)被測關(guān)節(jié)和標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)端之間的測試轉(zhuǎn)接頭或者程控電機(jī)帶動兩者之間的轉(zhuǎn)接頭連續(xù)旋轉(zhuǎn)即可測試電壓駐波比、電壓駐波比跳動、插入損耗、插入損耗跳動、相位跳動、隔離度、壽命參數(shù)指標(biāo)。

以上三種測試方法在正式測試之前均需要按照要求對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和測試線纜進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后方可按照以上方式進(jìn)行精確測量。以上三種測試方式測試情況對比如表2所示。

圖4、被測關(guān)節(jié)連接測試負(fù)載

圖5、被測關(guān)節(jié)連接測試跳線

圖6、被測關(guān)節(jié)連接標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)

表2、三種測試方式測試情況對比表

4.2、粗略測試

由于同軸接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)其內(nèi)、外導(dǎo)體依靠彈性件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦接觸傳輸微波信號，所以相互摩擦的部件的彈性強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度的好壞直接影響和決定了此類關(guān)節(jié)的傳輸性能。因此，為了更好的掌握此類關(guān)節(jié)的性能情況和壽命，對其性能狀況和壽命做一些相應(yīng)的初步測試和驗(yàn)證是必不可少的。由于一套矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀價(jià)格一般達(dá)十幾萬甚至幾十萬，對于中小企業(yè)來說，特別是在此類關(guān)節(jié)產(chǎn)品用量較少的情況下，直接購買矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試其性價(jià)比較低，因此，采用一種粗略測試的方法相對比較實(shí)用。

同軸接觸式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以傳輸頻率從直流到上GHz的信號，因此，可以采用將1080P高清攝像頭拍攝的高清視頻信號通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)傳輸?shù)斤@示器進(jìn)行觀測視頻顯示質(zhì)量的方法。由于一旦旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)過程中性能表現(xiàn)不好，其在顯示器上的直接表現(xiàn)就是視頻出現(xiàn)閃屏、瞬間黑屏等現(xiàn)象，非常容易、直觀地觀測到。具體測試方法為：以單路微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為例（假設(shè)其兩端接口為SMA型），首先需要備置一臺1080P高清攝像頭、一套帶測試工裝的程控電機(jī)、一個顯示器和兩根BNC轉(zhuǎn)SMA的同軸線，其中攝像頭視頻輸出接口和顯示器輸入接口均為BNC型，并且可以通過可充電電池為其供電，其程控電機(jī)可以調(diào)速和正反轉(zhuǎn)即可；其次，將攝像頭的視頻輸出接口BNC與其中一根同軸線的BNC端相連，同軸線的SMA端連接旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)端，以上部分全部固定安裝在測試工裝上與電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的靜止端與另外一根同軸線的SMA端相連，同軸線的BNC端與顯示器的BNC接口進(jìn)行相連形成靜止部分；最后，整套系統(tǒng)搭建完畢后即可打開攝像頭和顯示器電源，并控制電機(jī)按預(yù)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，直接觀測顯示器顯示效果即可。

5、結(jié)語

同軸接觸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在本質(zhì)上可以看作是一種能360°無限旋轉(zhuǎn)的特殊同軸線。因此，本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，在借鑒同軸線性能測試方法的基礎(chǔ)上，對同軸接觸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及其測試方法進(jìn)行了分析和總結(jié)，并提出了兩種測試方法，分別是精確測試和粗略測試，其中精確測試中三種測試方式各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際測試時應(yīng)根據(jù)自身實(shí)際情況選擇相應(yīng)測試方式，從而達(dá)到投入少、測試效果好的效果。此外，采用粗略測試方法雖然無法直接測試出微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的各項(xiàng)具體參數(shù)指標(biāo)，但可間接檢測出其相關(guān)動態(tài)性能指標(biāo)的好壞和實(shí)現(xiàn)壽命驗(yàn)證，對于中小企業(yè)用戶來說其具有投入少、實(shí)現(xiàn)操作簡單、性價(jià)比高和觀測直觀的特點(diǎn)。

作者：王斌，周萍

（1九江精達(dá)檢測技術(shù)有限公司, 江西九江 332008）
（2中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第6354研究所, 江西九江 332000）

參考文獻(xiàn)：

[1] 范鴻健.航天器同軸式微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)特性研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.
[2] 田鋒偉.一種射頻同軸連接器回波損耗的測試方法[J].電子世界，2013（15）：66.
[3] 謝平，廖勇，楊周炳等.超寬帶高功率同軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)[J].強(qiáng)激光與粒子束，2011，23（11）：3095-3098.
[4] 一種同軸式微波旋轉(zhuǎn)連接器的設(shè)計(jì).http://www.mwrf.net/tech/conn/2016/18867.html.
[5] 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)測試系統(tǒng).http://pmof891f8.pic21.websiteonline.cn/upload/celiangxitong_3t11.pdf.