ITAP20100011A1 - Giunto rotante di potenza a microonde funzionante su due bande distinte - Google Patents

Description

Giunto Rotante di potenza a microonde funzionante su due bande distinte -Descrizione

1. Motivazioni e finalità della tecnica

Sempre maggiore interesse riveste ta costruzione di sistemi radar dual-band in grado di operare su due frequenze diverse, corrispondenti a guide d'onda distinte, ad esempio la banda X (8-12.4 GHz, guide WR90) e la banda Ka (26-40 GHz. guide WR28). Una prima frequenza - minore - viene di solito impiegata per il rilevamento di ostacoli distanti. La frequenza più alta viene invece utilizzata per la fecalizzazione dell<'>ostacolo, una volta avvicinato. Per tali sistemi diventa essenziale il giunto rotante, che accoppia le guide alle antenne che sono montate su un supporto girevole, in modo da effettuare una scansione in azimut dello spazio circostante. Il giunto deve quindi connettere due coppie dì guide d’onda di diversa sezione trasversale e diversa banda di lavoro, consentendo la rotazione di ciascuna coppia rispetto all'altra e. al contempo, garantendo un adattamento di impedenza molto buono (Return loss maggiore di 20 dB, su entrambe le bande), isolamento tra guide che operano su bande diverse (Isolatìon maggiore di 60 dB), perdite di inserzione su ciascuna banda contenute {IL minore di 1 dB su entrambe le bande), trasmissione indipendente dall’angolo di rotazione (WOW maggiore di 0,5 dB) e infine possibilità di lavorare con potenze di picco maggiori di 15 KW (power handling capability).

2, Stato dell’arte

Il mercato offre una gran quantità di giunti rotanti a singola banda di lavoro [1j*[6]· Essi sono costituiti da una coppia di giunzioni (o trasduttori) guida cilìndirica -guida rettangolare, connesse attraverso cuscinetti che consentono la rotazione di una giunzione rispetto all'altra Le due parti vengono dette rotore e statore.

Ε<'>essenziale che nella guida cilindrica sia eccitato un modo a simmetria azimutale, se si vuole che la trasmissione tra le due guide rettangolari, che rappresentano le porte di ciascun rotary joint, sia indipendente dall’angolo di rotazione

Per realizzare tale obiettivo vi sono le seguenti possibilità:

1 ) guida coassiale, che lavori sut modo fondamentale TEM;

2) guida circolare, che lavori sui modo TM01, che è il modo a simmetria azimutale di ordine più basso Purtroppo, il TM01 non è il modo fondamentale giacché i TE11, in polarizzazione V e H, hanno frequenza di taglio minore;

3) guida circolare, che lavori sui modo TE11 con polarizzazione circolare (RHCP o LHCP). Questa soluzione richiede però l’inserimento di una coppia di polarizzatori, uno per giunzione, che complica il dispositivo

Tipicamente, quando il giunto rotante lavora su un’unica banda, o su bande vicine, si preferisce la prima opzione.

D’altra parte, quando è richiesto il funzionamento<*>dual band<'>e te bande di lavoro delle guide d’onda (I/O) sono alquanto diverse, l’impiego di un unico tratto coassiale dì connessione presenta notevoli inconvenienti, sostanzialmente dovuti alla necessità di dimensionare il coassiale in modo che lavori in regime monomodaie alla frequenza più atta, con conseguente aumento delle perdite e diminuzione del ‘power handling capability' [7], Una soluzione alternativa molto intelligente fa uso di una guida circolare nella quale sono in propagazione almeno 4 modi , cioè i due modi TE11 con polarizzazione V e H, il modo TE01 e il modo TM01 , Due guide rettangolari sono accoppiate tra toro attraverso II modo TMOl (frequenza più bassa), le altre due mediante il TECH (frequenza più alta). Ciascuna coppia di guide rettangolari che lavorano su bande diverse e che costituiscono lo statore o il rotore sono affiancate in modo che il lato maggiore dell’ una corrisponda al lato minore dell’altra In questa maniera, i campi elettrici dei due modi TE10 sono tra loro ortogonali e si accoppiano soltanto con il modo TEDI o TM01 della guida circolare [8]. L'isolamento dei modi TE11 V e H della guida circolare si ottiene ancora attraverso la particolare simmetria delle transizioni. Fisicamente vi è un'unica guida circolare e la separazione è prodotta dalla ortogonalità del modo TE01 e TM01

Si deve notare che, in entrambi t casi, la guida a simmetria azimutale di connessione non è continua meccanicamente ma deve contenere un taglio in modo da consentire la rotazione del rotore rispetto allo statore. D’altra parte, il taglio non deve produrre discontinuità elettromagnetica che causerebbe spifferi di campo elettromagnetico e aumenterebbe sensibilmente la perdita di inserzione del giunto rotante.

Tale continuità si ripostine mediante l'inserimento ad altezza del taglio di un particolare circuito elettromagnetico, detto choke, costituito da una combinazione di linee coassiali e linee radiali di lunghezza λ/4 In cui i due conduttori sono separati di una quantità pari ai taglio. La trasformazione di impedenza lungo tali linee è tale che, in corrispondenza della discontinuità meccanica provocata dal taglio, si abbia una condizione dì corto circuito elettromagnetico, che, di fato, ristabilisce cosi la continuità elettromagnetica tra i due conduttori delia linea [8]*[9].

Bibliografia

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3. Limitazioni e svantaggi dette soluzioni esistenti

Le limitazioni principali delia soluzione che fa uso di un'unica guida coassiale per l’accoppiamento fra le due coppie di guide sono:

1) Difficoltà nel realizzare un sistema di choke che funzioni nelle due bande distinte, quando vi è un'unica guida di connessione.

2) Soluzione non adatta per potenze di picco elevate.

La limitazione principale della seconda soluzione risiede nella difficoltà di lavorare con una guida molto surmodata e di riuscire al contempo 1) a tenere disaccoppiati ( due modi TE01 e TM01 fra loro, soprattutto nelle transizioni fra parti cilindriche e guide rettangolari e nei choke; 2) non eccitare i modi TE11 V e H, soprattutto nella transizioni, poiché, dipendendo la trasmissione dall'angolo fra rotore e statore, comprometerebbero la condizione di indipendenza dall'angolo di rotazione de! dispositivo (misurata dal WOW). J Inoltre, vi è una criticità nei choke che deve garantire 8 contatto elettromagnetico fra rotore e statore su due bande di frequenza distinte

4, Descrizione della soluzione proposta

Il giunto rotante a due canali proposto, funzionante nelle bande A (X nell'esempio) e B { Ka nell'esempio), è formato da una coppia di trasduttori T1 (11) e T2 (12), ciascuno fra due guide rettangolari e una guida d'onda cilindrica in cui devono propagarsi modi a simmetria azimutale La parte interna dei giunto rotante completo, comprendente i due trasduttori guide rettangolari- guida nested coaxial e fa coppia di choke per la banda A e la banda B_ è mostrato in disegno 1/6 (il disegno mostra per chiarezza soltanto metà essendo il giunto simmetrico). I detti trasduttori Tt e T2 sono rappresentati in disegno 2/6 e 3/6, rispettivamente (i disegni mostrano per chiarezza soltanto metà essendo i trasduttori simmetrici).

Le porte delle guide rettangolari sono individuate dai numeri (101) e (102), per la banda A , (103) e (104), per la banda B.

La parte cilindrica è invero una guida coassiale doppia costituita da due guide cilindriche concentriche, detta anche ‘coaxial nested waveguide’

Si tratta di due gusci cilindrici coassiali: la superficie interna del primo guscio delimita una guida circolare, in cui sìa in propagazione il TMQ1, nella banda B (105) La superficie esterna del primo guscio rappresenta il conduttore interno del coassiale in banda A (106), mentre la superficie interna del secondo guscio cilindrico rappresenta il conduttore esterno del coassiale, in banda A

Questo tipo di guida coassiale, ha trovato impiego principalmente in sistemi di illuminatori di antenna a doppia banda [10]-[12] ma anche, recentemente, nel giunto rotante sviluppato per l’antenna delta missione Bepi-Colombo [13], dal quale il brevetto presente si differenzia proprio per il; trasduttore modale impiegato per trasferire la potenza dalle due guide rettangolari alla guida coassiale nested.

Vi sono poi due choke che consentono di ottenere la continuità elettromagnetica in corrispondenza del taglio della guida ‘nested coaxiaf necessano per rendere la rotazione possibile .

tn realtà vi sono due tagli su due piani distinti il primo taglio (107} interessa soltanto il conduttore esterno della guida nested, producendo così una discontinuità per il solo modo TEM che si propaga nella guida coassiale delimitata dalla superficie esterna del conduttore interno e tra la superficie interna del conduttore esterno, mentre l’onda elettromagnetica in propagazione nella guida cilindrica (105) non viene influenzata. Il ripristino della continuità elettrica avviene mediante la choke A (108), che per le ragioni descritte lavora solo in banda A. A livello di questa sezione vengono posti anche i cuscinetti che permettono la rotazione. Vi è poi un secondo taglio (109} che interessa soltanto il cilindro interno delta guida ‘nested’ e che è posto al di sotto della transizione (inferiore nei disegno) per la banda A, Anche in questo caso viene ripristinata la continuità elettromagnetica in banda B mediante l’inserimento dela choke B (110) le cui caratteristiche sono tal da evitare tt trasferimento di energia dalle guide in banda B a quelle in banda A. La transizione guida circolare guida rettangolare in banda B viene vista dalie guide che lavorano in banda A come un carico puramente reattivo.

Il disegno 4/6 mostra una sezione della parte interna dello stesso giunto, per evidenziarne il funzionamento. Le parti salienti sono:

(201 ) Guida coassiale 'esterna' CXA

(202) Guida circolare ‘interna’ WCB

(203) Parete la cui superficie ‘interna' delimita la guida circolare’intema’, la superficie 'esterna’ rappresenta la superficie del conduttore interno de) coassiale.

(204) Transizione WRA1-CXA1 fra guida retangolare e guida coassiale funzionanti in banda A.

(205) Transizione WRB1-WC81 fra guida rettangolare e guida circolare funzionanti in banda B

(206) Gap fra le due guide WC1 e WC2

(207) Choke per la guida circolare WCB

(208) Gap fra le guide CX1 e CX2, che include la choke.

In dettaglio, facendo riferimento alle bande impiegate nell'esempio, ii trasduttore è in realtà costituito da due parti distinte;

TRANSDUCER IN BANDA Ka

Quello in banda Ka fa uso dì una guida d'onda circolare alimentata in maniera tale che sia eccitato il solo modo TM01, a simmetria cilindrica. II modello di giunzione è simile a quello presentato in [1], Nel nostro caso si sfrutta il fatto che ii modo TE1G in propagazione nelle guide rettangolari di accesso alimenta la guida circolare in modo perfettamente simmetrico Metà della giunzione guida rettangolare (WR28) - guida circolare (WC) (sezione piano H) è mostrata in Disegno 5/6 La geometria è scelta in modo tale che nel piano y=0 e x=0 vi sia un muro magnetico, così da impedire reco nazione dei modi TE11, H e V, benché siano entrambi sopra-taglio Il segnale che entra dalla bocca (301) viene diviso in due parti uguali attraverso la biforcazione su! piano H. Il gradino (302) e H setto (303) fungono da adattatori. Vi è un ulteriore gradino dì adattamento (304) impiegato per compensare il disadattamento prodotto dalla transizione guida guida circolare guida rettangolare (305). La guida circolare in banda Ka è dimensionata perché il modo TM01 sia in propagazione ,

Quello in banda X fa uso di una guida coassiale, il cui conduttore interno è costituito dalla

I

parete esterna della guida circolare impiegata nella banda Ka. Il diametro del conduttore

interno è dunque pari a quello della WC 2*t, essendo t lo spessore della parete della WC

In pratica, per ragioni meccaniche è difficile mantenersi sotto gli 0 8 mm. Il diametro interno

del conduttore esterno è invece scelto in modo tale che la guida coassiale lavori in regime

monomodale, oppure, nel caso in cui i valori del campo elettrico massimo eccedano i livelli

consentiti, il diametro viene aumentato lino ad un iimite corrispondente alla situazione in cut

all’estremo superiore della banda si abbia il taglio del modo TM01. in tal caso , il trasduttore

deve avere la medesima simmetria della giunzione Ka. in modo da impedire l'eccitazione

dei modi TE11 V e H, garantendo così Pindipendenza della risposta dall'angolo fra rotore e

statore.

La transizione coassiale guida rettangolare in banda A ha pertanto l’aspetto mostrato in

disegno 6/6.

Il segnale che entra dalla bocca (401) viene diviso in due parti uguali attraverso la

biforcazione sul piano H. I gradini (402) ed il setto (403) fungono da adattatori di impedenza.

Vi è un ulteriore gradino di adattamento (404) impiegato per compensare il disadattamento

prodotto dalla transizione guida guida coassiale guida rettangolare (405).

5. Vantaggi defla soluzione proposta rispetto agli schemi tradizionali

) Elevato disaccoppiamento, legato al fatto che le due guide cilindriche di connessione sono

meccanicamente separate

) Capacità di sopportare elevate potenze dì picco rispetto alla soluzione coassiale, non

essendo vincolati a ridurre la sezione del coassiale dì connessione per rendere possibile il

funzionamento alla frequenza più atta

) Indipendenza dei due choke che garantisce un contrailo accurato dell'isolamento.

) Assenza di WOW, dovuta alla simmetria dei modi eccitati nella nel tratto di guide cilindriche.

) Semplicità costruttiva.

Claims (2)

1. Giunto Rotante di potenza a microonde funzionante su due bande distinte -| Rivendicazioni 1) Innovativo giunto rotante di potenza a microonde a banda doppia (1), avente ottim prestazioni elettriche e bassi costi di fabbricazione, caratterizzato dal fatto di comprender almeno i seguenti componenti: a) un primo trasduttore T1 (11) che produce l’accoppiamento fra due guide d’ond rettangolari WRA1 e WRB1, funzionanti nelle bande A e B, rispettivamente, essendo l frequenza di centro banda dì B maggiore della frequenza di centro banda di A, e un guida nested coaxial WN1 (23), costituita da due tubi metallici concentrici, di raggi intern RA e RB e di spessore delle parete interna TB, b) un secondo trasduttore T2 (12) che produce l'accoppiamento fra due guide d’ond rettangolari WRA2 e WRB2, rispettivamente funzionanti nelle bande A e B (frequenza d centro banda di B maggiore frequenza di centro banda di A), e una guida nested coaxia WN2 (33), costituita da due tubi metallici concentrici, di raggi interno RA e RB e c spessore delle parete interna TB, essendo i detti due trasduttori (11) e (12) connessi attraverso le due guide nested WN1 WN2, in modo tale che i detti due tubi interni siano separati da una fessura mentre ì due tub esterni siano connessi mediante un cuscinetto, rendendo ciò possibile la rotazione di u trasduttore rispetto all’altro, senza che le caratteristiche elettriche del giunto rotant dipendano dall'angolo tra i due trasduttori, le guide che formano il trasduttore T1 (11) essendo disposte neH’ordine WRB1-WRA1-WIM (21)-(22)-{23), in modo tale che il tubo più interno, TUBI (24), che definisce la guida WCB| passi attraverso WRA1 senza subire interruzioni e discontinuità, | le guide che formano T2 (12) essendo disposte nell’ordine WRB2-WRA2-WN2 (31)-(32) (33), in modo tale che il tubo che definisce la guida WCB2 (34) passi attraverso WRÀ senza subire interruzioni e discontinuità, c) un primo choke (108), che permette di ristabilire la continuità elettrica in banda A ne coassiale delimitato dalla superficie esterna del tubo interno e dalla superficie interna de tubo esterno che costituiscono la guida nested d) un secondo choke (109), che permette di ristabilire la continuità elettrica fra ì tubi intern nella banda B e tale da garantire un isolamento molto elevato fra le parti che funzionan in banda A e quelle che funzionano in banda B.
2. 2) Innovativo giunto rotante di potenza a microonde a banda doppia (1), come definito ne U rivendicazione 1 , caratterizzato da! fatto che: i) detto trasduttore T1 (11), che produce l'accoppiamento tra le guide WRA1 e CXA1, d un lato, e fra le guide WRB1 e WCB1, dall’altro, ha una simmetria che rende possibil l'eccitazione del solo modo TM01 in WCB1, mentre i modi di ordine più basso TE11V TE11 H, sebbene soprataglio, non sono eccitati, ii) la simmetria del trasduttore TI è tale da consentire l’eccitazione del solo modo TEM nella guida d’onda CXA1, benché altri modi di ordine superiore non simmetrici possan essere sopra taglio in banda A, iiì) un’estremità del tubo interno di detta guida nested WN1 (23) si innesta sulla parete larg della guida WRB1, definendo un’apertura anulare attraverso fa quale fluisce l’energ dalla WRB1 a WCB1 (25), nella banda B, iv) un’estremità del tubo esterno di detta guida nested WN1 (23) si innesta sulla paret larga di WRA1, definendo l'apertura circolare attraverso la quale fluisce l’energia dall WRA1 a CXA1 (26), v) detto trasduttore T2 (12), che produce l'accoppiamento tra le guide WRA2 e CXA2, d un lato e WRB2 e WCB2, dall’altro, ha una simmetria che rende possibile l'eccitazion del modo TM01 in WCB2 nella banda B, mentre i modi di ordine inferiore TE11V TE1 1 H, sebbene soprafaglio in banda B, non sono eccitati, vi) la simmetria di detto trasduttore T2 {12) fa si che il solo modo ΪΕΜ sia eccitato nella! guida d’onda CXA2, nella banda A, nonostante altri modi di ordine superiore non! simmetrici siano sopra taglio in banda A, vii) un'estremità del tubo interno dì detta guida nested WN2 (33) si innesta sulla parete larga)di WRB2 e la porzione di parete di WRB2 delimitata dal suddetto tubo è rimossa in modo da creare l’apertura circolare attraverso la quale fluisce l’energia da WRB2 sj WCB2, nella banda B, vili) un’estremità del tubo esterno dì detta guida nested WN2 (33) si innesta sulla parete larga di WRA2, mentre il tubo interno passa indisturbato attraverso WRA2, la porzione dj parete dì WRA2 delimitata dai tubi concentrici viene rimossa, in modo da creare l’apertura anulare attraverso la quale fluisce l’energia da WRA2 a CXA2, nella banda A, ix) appena al di sotto di WRA2, nello spazio fra WRA2 e WRB2, il tubo che definisce WCB2 viene tagliato in due parti, TUB2JNF (35) e TUB2_SUP (34), separate da un† fessura, in modo tale che la superficie laterale della parte inferiore TUB2JNF intersechi la parete larga di WRB2, formando l<'>apertura attraverso la quale fluisce l’energia da WRB2 a WCB2 , mentre la parte superiore dei tubo interno, TUB2_SUP è la continuazione di TUBI, che si estende, senza discontinuità (105), dalla superficie deità parete larga di WRB1 , attraversando WRA2, fino al taglio che io separa dall’estremità φ TUB2JNF, x) la continuità elettrica in corrispondenza del taglio viene ripristinata attraverso l’introduzione di un choke (109), ottenuto mediante un ispessimento dei colletti con CL|M vengono fatte terminare le due estremità dei tubi giustapposti, TUB2JNF e TUB2_SUF), il suddetto choke (109) producendo anche l'isolamento fra le guide che lavorano ih banda B e A, impedendo che i segnali in banda B possano accoppiarsi con le guide che lavorano in banda A, Giunto Rotante di potenza a microonde funzionante su due bande distinte - Claims! 1) A novel power dual-band rotary-joint simultaneously operating in two frequency band4, having very good electrical properties and low fabrication cost, characterized by the fact df being composed by the following parts: a) a first transducer T1 (11) connecting two rectangular waveguides WRA1 and WRB1 operating in bands A and B, the midband frequency of A being lower than the midband frequency of B, to a nested coaxial waveguide WN1 (23) made up of two concentric pipes, having internal radii RA and RB and whose internal wall thickness being TB, b) a second transducer T2 (12) connecting two rectangular waveguides WRA2 and WRB2 operating in bands A and B, the midband frequency of A being lower than the midband frequency of B, to a ‘nested coaxial waveguide' WN2 (33) made up of two concentric pipes, having internal radii RA and RB and whose internal wall thickness being TB, said two transducers (11) and (12) being connected through the two nested waveguides WN1 and WN2, in such a way that the aforementioned internal pipes are separated by a small gap while the two external pipes are connected through a bearing, making this arrangemerji possible the rotation of a transducer with respect to the other one, without affecting the electrical characteristics of the rotary joint, the waveguides forming the transducer T1 being arranged in the order WRB1-WRA1-WN1 (21 )j-(22)-(23), in such a way that the internal pipe, TUB1 (24), defining the waveguide WCB1j, passes though WRA1 , without any interruption or discontinuities, I the waveguides forming the transducer T2 being arranged in the order WRB2-WRA2-WN2 (31 )-(32)-(33), in such a way that the internal pipe defining the waveguide WCB2 (34), passes though WRA2, without any interruption or discontinuities, c) a first choke (108), permitting the restoring of the electrical continuity in band A in the coaxial waveguide bounded by the external surface of the internal pipe and the internal surface of the external pipe, forming the nested waveguide, d) a second choke (109), permitting the restoring of the electrical continuity in band B in t circular waveguide bounded by the internal surface of the internal pipe and able to provi a large isolation between the parts working in band A and B, 2) A novel power dual-band rotary-joint simultaneously operating in two frequency bands, defined in claim 1 , characterized by the fact that: i) said transducer T1 (11 ), providing the coupling between waveguides WRA1 a CXA1 , on the one hand, and WRB1 and WCB1 , on the other hand, possesses symmetry which makes possible the excitation of the TM01 mode in WCB1 , in ba B, while lower order modes TE1 1 V and TE11 H, though above cutoff, are not excit at all , ii) said transducer T1 (11), providing the coupling between waveguides WRA1 a CXA1 , on the one hand, and WRB1 and WCB1, on the other hand, possesses symmetry which makes possible only the excitation of mode TEM in the wavegui CXA1 , in band A, although other higher order not symmetrical modes can be abo cutoff, in band A, iii) one end of the internal pipe of said nested waveguide WN1 (23) is welded to t broad wall of WRB1 in such a way that the portion of the wall of WRB1 bounded the intersection with the interna! pipe of WN1 is removed in order to create a circu aperture through which energy flows from WRB1 to WCB1 (25), in band B, iv) one end of the external pipe of said nested waveguide WN1 (23) is welded to t broad wall of WRA1 in such a way that the portion of the wall of WRA1 in betwe the two concentric pipes of WN1 is removed to create an annular aperture throu which energy flows from WRA1 to CXA1 (26), in band A. v) said transducer T2 (12), providing the coupling between waveguides WRA2 a CXA2, on the one hand, and WRB2 and WCB2, on the other hand, possesses symmetry which makes possible the excitation of the TM01 mode in WCB2 in ba B, while lower order modes TE11 V and TE11 H, though above cutoff, are not excite at all , vi) said transducer T2 (12), providing the coupling between waveguides WRA2 an CXA2, on the one hand, and WRB2 and WCB2, on the other hand, possesses symmetry which makes possible the excitation of only mode TEM in the waveguid CXA2, in band A, although other higher order not symmetrical modes can be abov cutoff, in band A, vii) one end of the internal pipe of said nested waveguide WN2 (33) is welded to th broad wall of WRB2 in such a way that the portion of the wall of WRB2 bounded b the intersection with the internal pipe of WN2, is removed in order to create a circula aperture through which energy flows from WRB2 to WCB2 (35), in band B. viii) one end of the external pipe of said nested waveguide WM2 (33) is welded to th broad wall of WRA2, while the internal pipe passes through WRA2 undisturbed, such a way that the portion of the wall of WRA2 in between the two concentric pipe of WN2 is removed to create an annular aperture through which energy flows froi WRA2 to CXA2 (36), in band A. ix) just below WRA2, in the region between the broad wall of WRA2 and WRB2, th internal pipe is broken into two parts, TUB2JNF (35) and TUB2_SUP (34 separated by a small gap, in such a way that the lateral surface of the lower par TUB2JNF (35), intersects the broad wall of WRB2, thus making the apertur through which energy flows from WRB2 to WCB2, while the higher par TUB2_SUP (34) is actually the continuation of the pipe TUB1 (24), without an discontinuity (105), x) electrical continuity at the break of the internal pipe is restored through a chok (109), built by thickening the two juxtaposed collars which the two pipes TUB2_IN (35) and TUB1 end on, the choke also causing the high isolation required betwee signals in A and B bands.