| (11) | EP 2 601 706 B1 |
(12) | EUROPEAN PATENT SPECIFICATION |
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(54) | POWER DUAL-BAND ROTARY JOINT OPERATING ON TWO DIFFERENT BANDS DUALBAND-DREHVERBINDUNG MIT BETRIEB AUF ZWEI VERSCHIEDENEN FREQUENZBÄNDERN JOINT ROTATIF ÉLECTRIQUE BIBANDE FONCTIONNANT SUR DEUX BANDES DE FRÉQUENCES DIFFÉRENTES |
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Note: Within nine months from the publication of the mention of the grant of the European patent, any person may give notice to the European Patent Office of opposition to the European patent granted. Notice of opposition shall be filed in a written reasoned statement. It shall not be deemed to have been filed until the opposition fee has been paid. (Art. 99(1) European Patent Convention). |
Field of invention
Background
[2] Smirnov, A.V. ,Yu, D.U. L.,"Symmetrized coupler converting circular waveguide TM01 mode to rectangular waveguide TE10 mode", US Patent No. 20080068110, 2008;
[3] Tavassoli Hozouri, Behzad, "Mode transducer structure", US Patent No. 7446623, 2008;
[4] Fisher W. Clifford, "Radar rotary joint", US Patent No. 4654613, 1987;
[6] Y. Aramaki, N. Yoneda, M. Miyazaki, Moriyasu, A. Iida, I. Naito, T. Horie, Y. Yutaka, "Rotary joint", US Patent No. 7091804, 2006.
[7] O.M. Woodward, "A Dual-Channel Rotary Joint For High Average Power Operation", IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., Vol .18, no. 12, pages 1072-1077, Dec 1970;
in such a way that the conversion is independent of the angle.
[8] S.Ghosh, L.C. Da Silva, "Waveguide rotary joint and mode transducer structure therefor", US Patent No. 5442329, 1995 for "Antenna Feed Systems", Artech House, Norwood, MA, 1993; and TM01 and TE01 in:
[10] the US patent No. 3 026 513 A (Kurtz Louis) which discloses a rotary joint, comprising first and second transducers, each transducer connecting two rectangular waveguides to a nested coaxial waveguide. The transducers are connected through the nested waveguides.
The subject matter claimed by the present invention differs from this known rotary joint in that the waveguides operate on different frequency bands.
US 3 026 513 does also not mention the chokes integrated in the nested waveguides and the other technical details present in claim 1 with regard to the nested coaxial waveguide, which improve the electrical properties of the dual-band rotary joint.
Disclosure of invention
[13] J.C. Lee, 'Compact Broadband Rectangular to Coaxial Waveguide Junction', US Patent Nr 4558290, 1985;
Very recently, it been used in the rotary joint developed for the antenna designed for the Bepi-Colombo mission:
[14] J. A. Mürer, R. Harper, "High Temperature Antenna Pointing Mechanism for BepiColombo Mission", 11th European Space Mechanisms and Tribology Symposium, ESMATS 2005, 185-194;
from which, the present patent differs just for the modal transducer designed for coupling the two rectangular waveguides to the 'nested coaxial' waveguide.
(201) External coaxial waveguide, CXA.
(202) Internal circular waveguide , WCB.
(203) Wall, whose internal surface delimits the internal circular waveguide, while the external surface delimits the internal conductor of the coaxial.
(204) Transition WRA1-CXA1 between rectangular and coaxial waveguides working on band A.
(205) Transition WRB1-WCB1 between rectangular and circular waveguide B.
(206) Gap between the two circular waveguides WC1 and WC2.
(207) Choke for the circular waveguide WCB.
(208) Gap between the coaxial waveguides CX1 and CX2, including the choke.
the transition operating on Ka band, uses a circular waveguide fed in such a way that only the TM01 mode is excited. Such a transition is similar to the one proposed in [1] D.G. de Mesquita, A.G. Bailey, "A Symmetrically Excited Microwave Rotary Joint" IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 18, No. 09, pages 654-656, Sep. 1970.
a) a first transducer T1 (11) connecting two rectangular waveguides WRA1 and WRB1 operating on the bands A and B, respectively, 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 on bands A and B, respectively (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 arrangement 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 (11) being arranged in the order WRB1-WRA1-WN1 (21)-(22)-(23), in such a way that the more internal pipe, TUB1 (24), defining the waveguide WCB1, passes though WRA1, without any interruption or discontinuities,
the waveguides forming the transducer T2 (12) 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 electromagnetic continuity on 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 electromagnetic continuity on band B in the circular waveguide bounded by the internal surface of the internal pipe and able to provide a large isolation between the parts working on band A and B.
i) said transducer T1 (11), providing the coupling between waveguides WRA1 and CXA 1, on the one hand, and WRB1 and WCB1, on the other, has a symmetry which makes possible the excitation of the TM01 mode in WCB1, on band B, while lower order modes TE11V and TE11H, though above cut-off, are not excited at all,
ii) The symmetry of said transducer T1 (11), makes possible the excitation of only TEM mode in the waveguide CXA1, on band A, although other higher order not symmetrical modes can be above cut-off, on band A,
iii)one end of the internal pipe of said nested waveguide WN1 (23) is
welded to the broad wall of WRB1 in such a way that the portion of the wall of WRB1 bounded by the intersection with the internal pipe of WN1 is removed in order to create a circular aperture through which energy flows from WRB1 to WCB1 (25), on band B,
iv) one end of the external pipe of said nested waveguide WN1 (23) is welded to the broad wall of WRA1 in such a way that the portion of the wall of WRA1 in between the two concentric pipes of WN1 is removed to create an annular aperture through which energy flows from WRA1 to CXA1 (26), on band A,
v) said transducer T2 (12), providing the coupling between waveguides WRA2 and CXA2, on the one hand, and WRB2 and WCB2, on the other, has a symmetry which makes possible the excitation of the TM01 mode in WCB2 on band B, while lower order modes TE11V and TE11H, though above cut-off, are not excited at all,
vi) the symmetry of said transducer T2 (12), providing the coupling between waveguides WRA2 and CXA2, on the one hand, and WRB2 and WCB2, on the other, makes possible the excitation of only TEM mode in the waveguide CXA2, on band A, although other higher order non symmetrical modes can be above cut-off, on band A,
vii) one end of the internal pipe of said nested waveguide WN2 (33) is welded to the broad wall of WRB2 in such a way that the portion of the wall of WRB2 bounded by the intersection with the internal pipe of WN2, is removed in order to create a circular aperture through which energy flows from WRB2 to WCB2 (35), on band B,
viii) one end of the external pipe of said nested waveguide WN2 (33) is welded to the broad wall of WRA2, while the internal pipe passes through WRA2 undisturbed, in such a way that the portion of the wall of WRA2 in between the two concentric pipes of WN2 is removed to create an annular aperture through which energy flows from WRA2 to CXA2 (36), on band A,
ix)just below WRA2, in the space between the broad wall of WRA2 and
WRB2, the internal pipe is cut into two parts, TUB2_INF (35) and TUB2_SUP (34), separated by a gap, in such a way that the lateral surface of the lower part, TUB2_INF (35), intersects the broad wall of WRB2, thus making the aperture through which energy flows from WRB2 to WCB2, while the higher part, TUB2_SUP is actually the continuation of the pipe TUB1, extending, without any discontinuity (105), from the broad wall of WRB1, passing through WRA2, to the break separating from the end of TUB2_INF,
x) electromagnetic continuity at the break of the internal pipe is restored through a choke (109), built by thickening the two juxtaposed collars which the two pipes TUB2_INF (35) and TUB2_SUP (34) end on, the aforementioned choke (109) also producing the high isolation required between signals on A and B bands, necessary to prevent the leakage of the signal on band B to the waveguides operating on band A.
a) ein erster Wandler T1 (11) für den Anschluss zweier Rechteckhohlleiter WRA1 und WRB1 zum Betrieb in den Bändern A und B, wobei die Bandmittenfrequenz von A niedriger als die Bandmittenfrequenz von B ist, an einen geschachtelten Koaxial-Hohlleiter WN1 (23), bestehend aus zwei konzentrisch angeordneten Rohren mit den Innenradien RA und RB und einer internen Wandstärke von TB,
b) ein zweiter Wandler T2 (12) für den Anschluss zweier Rechteckhohlleiter WRA2 und WRB2 zum Betrieb in den Bändern A und B, wobei die Bandmittenfrequenz von A niedriger als die Bandmittenfrequenz von B ist, an einen geschachtelten Koaxial-Hohlleiter WN2 (33), bestehend aus zwei konzentrisch angeordneten Rohren mit den Innenradien RA und RB und einer internen Wandstärke von TB,
wobei die beiden Wandler (11) und (12) durch die beiden geschachtelten Hohlleiter WN1 und WN2 so verbunden sind, dass die vorgenannten Innenrohre durch einen kleinen Zwischenraum voneinander getrennt sind, während die beiden Außenrohre durch ein Lager miteinander verbunden sind, was durch die Drehung des einen Wandlers mit Bezug auf den anderen ermöglicht wird, ohne dass dabei die elektrischen Eigenschaften der Drehverbindung beeinflusst werden, wobei weiterhin die den Wandler T1 (11) bildenden Hohlleiter sich in der Anordnung WRB1-WRA1-WN1 (21)-(22)-(23) befinden, dergestalt dass das den Hohlleiter WCB1 begrenzende innerste Rohr, TUB1 (24), ohne Unterbrechungen oder Unstetigkeiten durch WRA1 verläuft,
wobei weiterhin die den Wandler T2 (12) bildenden Hohlleiter sich in der Anordnung WRB2-WRA2-WN2 (31)-(32)-(33) befinden, dergestalt dass das den Hohlleiter WCB2 (34) begrenzende Innenrohr ohne Unterbrechungen oder Unstetigkeiten durch WRA2 verläuft,
c) eine erste Drossel (108) zur Wiederherstellung der elektromagnetischen Kontinuität auf Band A im Koaxial-Hohlleiter, begrenzt durch die Außenfläche des Innenrohrs und die Innenfläche des Außenrohrs, welche den geschachtelten Hohlleiter bilden,
d) eine zweite Drossel (109) zur Wiederherstellung der elektromagnetischen Kontinuität auf Band B im Rundhohlleiter, begrenzt durch die Innenfläche des Innenrohrs und mit der Fähigkeit, eine hohe Isolation zwischen den auf Band A und Band B arbeitenden Teilen zu gewährleisten.
i) der Wandler T1 (11), welcher die Verbindung zwischen den Hohlleitern WRA1 und CXA1 einerseits und WRB1 und WCB1 andererseits darstellt, eine Symmetrie aufweist, welche die Erregung des TM01-Betriebsmodus in WCB1 auf Band B ermöglicht, während bei den unteren Betriebsmodi TE11V und TE11H, obgleich diese sich oberhalb der Abschaltschwelle befinden, keine Erregung erfolgt,
ii) die Symmetrie des Wandlers T1 (11) die ausschließliche Erregung des TEM-Betriebsmodus in Hohlleiter CXA1 auf Band A ermöglicht, obgleich sonstige höhere, nicht symmetrische Modi auf Band A sich oberhalb der Abschaltschwelle befinden können,
iii) ein Ende des Innenrohrs des geschachtelten Hohlleiters WN1 (23) mit der breiten Wand von WRB1 so verschweißt ist, dass der vom Schnittpunkt mit dem Innenrohr von WN1 begrenzte Teil der Wand von WRB1 entfernt wird und eine kreisförmige Öffnung entsteht, durch welche ein Energiefluss von WRB1 zu WCB1 (25) auf Band B erfolgt,
iv) ein Ende des Außenrohrs des geschachtelten Hohlleiters WN1 (23) mit der breiten Wand von WRA1 so verschweißt ist, dass der zwischen beiden konzentrisch angeordneten Rohren von WN1 befindliche Teil der Wand von WRA1 entfernt wird und eine ringförmige Öffnung entsteht, durch welche ein Energiefluss von WRA1 zu CXA1 (26) auf Band A erfolgt,
v) der Wandler T2 (12), welcher die Verbindung zwischen den Hohlleitern WRA2 und CXA2 einerseits und WRB2 und WCB2 andererseits darstellt, eine Symmetrie aufweist, welche die Erregung des TM01-Betriebsmodus in WCB2 auf Band B ermöglicht, während bei den unteren Betriebsmodi TE11V und TE11H, obgleich diese sich oberhalb der Abschaltschwelle befinden, keine Erregung erfolgt,
vi) die Symmetrie des Wandlers T2 (12), welcher die Verbindung zwischen den Hohlleitern WRA2 und CXA2 einerseits und WRB2 und WCB2 andererseits darstellt, die ausschließliche Erregung des TEM-Betriebsmodus in Hohlleiter CXA2 auf Band A ermöglicht, obgleich sonstige höhere, nicht symmetrische Modi auf Band A sich oberhalb der Abschaltschwelle befinden können,
vii) ein Ende des Innenrohrs des geschachtelten Hohlleiters WN2 (33) mit der breiten Wand von WRB2 so verschweißt ist, dass der vom Schnittpunkt mit dem Innenrohr von WN2 begrenzte Teil der Wand von WRB2 entfernt wird und eine kreisförmige Öffnung entsteht, durch welche ein Energiefluss von WRB2 zu WCB2 (35) auf Band B erfolgt,
viii) ein Ende des Außenrohrs des geschachtelten Hohlleiters WN2 (33) mit der breiten Wand von WRA2 verschweißt ist, während das Innenrohr ungehindert durch WRA2 verläuft, sodass der zwischen beiden konzentrisch angeordneten Rohren von WN2 befindliche Teil der Wand von WRA2 entfernt wird und eine ringförmige Öffnung entsteht, durch welche ein Energiefluss von WRA2 zu CXA2 (36) auf Band A erfolgt,
ix) leicht unterhalb von WRA2, in dem Raum zwischen der breiten Wand von WRA2 und WRB2, das Innenrohr in zwei Teile TUB2_INF (35) und TUB2_SUP (34) geschnitten wird, durch einen Zwischenraum so voneinander getrennt, dass die Seitenfläche des unteren Teils, TUB2_INF (35), die breite Wand von WRB2 durchschneidet und so die Öffnung bildet, durch welche der Energiefluss von WRB2 zu WCB2 erfolgt, während der höhere Teil, TUB2_SUP, effektiv die Fortsetzung des Rohrs TUB1 darstellt und ohne jede Unterbrechung (105) von der breiten Wand von WRB1 durch WRA2 bis zur Bruchstelle vor dem Endstück von TUB2_INF verläuft.
x) die elektromagnetische Kontinuität an der Bruchstelle des Innenrohrs durch eine Drossel (109) wiederhergestellt wird, welche durch eine Verdickung der beiden gegenüberliegenden Manschetten am Ende der Rohre TUB2_INF (35) und TUB2_SUP (34), wobei die Drossel (109) ebenfalls die hohe Isolation zwischen den Signalen auf den Bändern A und B erzeugt, die zur Verhinderung von Leckverlusten des Signals auf Band B an die auf Band A arbeitenden Hohlleiter erforderlich ist.
a) un premier transducteur T1 (11) reliant deux guides d'ondes rectangulaires WRA1 et WRB1 opérant sur les bandes A et B, respectivement, la fréquence centrale de A étant inférieure à la fréquence centrale de B, à un guide d'onde coaxial imbriqué WN1 (23) constitué de deux tubes concentriques, ayant les rayons internes RA et RB et dont l'épaisseur de paroi interne est TB,
b) un deuxième transducteur T2 (12) reliant deux guides d'ondes rectangulaires WRA2 et WRB2 opérant sur les bandes A et B, respectivement (la fréquence centrale de A étant inférieure à la fréquence centrale de B) à un guide d'onde coaxial imbriqué WN2 (33) constitué de deux tubes concentriques, ayant les rayons internes RA et RB et dont l'épaisseur de paroi interne est TB,
lesdits deux transducteurs (11) et (12) étant reliés par l'intermédiaire des deux guides d'ondes imbriqués WN1 et WN2, d'une manière qui fait que les tubes internes précités soient séparés par un petit espace alors que les deux tubes externes sont connectés par l'intermédiaire d'un palier, cet agencement faisant en sorte que la rotation d'un transducteur par rapport à l'autre soit possible, sans affecter les caractéristiques électriques du joint rotatif,
les guides d'ondes constituant le transducteur T1 (11) étant disposés dans l'ordre WRB1-WRA1-WN1 (21)-(22)-(23), d'une manière qui fait que le tube plus interne, TUB1 (24), définissant le guide d'ondes WCB1, passe à travers WRA1, sans aucune interruption ou discontinuité,
les guides d'ondes constituant le transducteur T2 (12) étant disposés dans l'ordre WRB2-WRA2-WN2 (31)-(32)-(33), d'une manière qui fait que le tube interne, définissant le guide d'ondes WCB2 (34), passe à travers WRA2, sans aucune interruption ou discontinuité,
c) un premier piège (108), permettant le rétablissement de la continuité électromagnétique sur la bande A dans le guide d'onde coaxial délimité par la surface externe du tube interne et la surface interne du tube externe, formant le guide d'ondes imbriqué,
d) un second piège (109), permettant le rétablissement de la continuité électromagnétique sur la bande B dans le guide d'ondes circulaire délimité par la surface interne du tube interne et capable de fournir une isolation forte entre les pièces travaillant sur les bandes A et B.
i) ledit transducteur T1 (11), réalisant le couplage entre les guides d'ondes WRA1 et CXA1, d'une part, et WRB1 et WCB1, d'autre part, présente une symétrie qui rend possible l'excitation du mode TM01 en WCB1, sur la bande B, alors que les modes d'ordre inférieur TE11V et TE11H, bien que supérieurs à la fréquence de coupure, ne sont pas du tout excités,
ii) la symétrie dudit transducteur T1 (11), rend possible l'excitation uniquement du mode TEM dans le guide d'onde CXA1, sur la bande A, alors que les autres modes d'ordre supérieur non symétriques peuvent être supérieurs à la fréquence de coupure, sur la bande A,
iii) une extrémité du tube interne dudit guide d'ondes imbriqué WN1 (23) est soudée à la paroi large de WRB1 d'une manière qui fait que la partie de la paroi de WRB1 délimitée par l'intersection avec le tube interne de WN1 soit retirée pour créer une ouverture circulaire à travers laquelle l'énergie peut s'écouler de WRB1 vers WCB1 (25), sur la bande B,
iv) une extrémité du tube externe dudit guide d'onde imbriqué WN1 (23) est soudée à la paroi large de WRA1 d'une manière qui fait que la partie de la paroi de WRA1 entre les deux tubes concentriques de WN1 soit enlevée pour créer une ouverture annulaire à travers laquelle l'énergie s'écoule de WRA1 vers CXA1 (26), sur la bande A,
v) ledit transducteur T2 (12), réalisant le couplage entre les guides d'ondes WRA2 et CXA2, d'une part, et WRB2 et WCB2, d'autre part, présente une symétrie qui rend possible l'excitation du mode TM01 en WCB2, sur la bande B, alors que les modes d'ordre inférieur TE11V et TE11H, bien que supérieurs à la fréquence de coupure, ne sont pas du tout excités,
vi) la symétrie dudit transducteur T2 (12), réalisant le couplage entre les guides d'ondes WRA2 et CXA2, d'une part, et WRB2 et WCB2, d'autre part, rend possible l'excitation uniquement du mode TEM dans le guide d'onde CXA2, sur la bande A, alors que les autres modes d'ordre supérieur non symétriques peuvent être supérieurs à la fréquence de coupure, sur la bande A,
vii) une extrémité du tube interne dudit guide d'ondes imbriqué WN2 (33) est soudée à la paroi large de WRB2 d'une manière qui fait que la partie de la paroi de WRB2 délimitée par l'intersection avec le tube interne de WN2 est retirée pour créer une ouverture circulaire à travers laquelle l'énergie s'écoule de WRB2 vers WCB2 (35), sur la bande B,
viii) une extrémité du tube externe dudit tube du guide d'ondes imbriqué WN2 (33) est soudée à la paroi large de WRA2, alors que le tube interne passe sans encombre à travers WRA2, de manière à ce que la portion de la paroi de WRA2 entre les deux tubes concentriques de WN2 est enlevé pour créer une ouverture annulaire à travers laquelle l'énergie s'écoule de WRA2 à CXA2 (36), sur la bande A,
ix) juste en dessous de WRA2, dans l'espace compris entre la paroi large de WRA2 et WRB2, le tube interne est coupé en deux parties, TUB2_INF (35) et TUB2_SUP (34), séparés par un espace, d'une manière qui fait que la surface latérale de la partie inférieure, TUB2 INF (35), croise la paroi large de WRB2, ce qui crée l'ouverture à travers laquelle l'énergie s'écoule de WRB2 vers WCB2, alors que la partie supérieure, TUB2_SUP est en fait la continuation du tube TUB1, s'étendant, sans discontinuité (105), de la paroi large de WRB1, en passant à travers WRA2, à l'interruption séparant de la fin de TUB2_INF,
x) la continuité électromagnétique à l'interruption du tube interne est rétablie par un piège (109), créé par l'épaississement des deux colliers juxtaposés qui terminent les deux tubes TUB2_INF (35) et TUB2_SUP (34), le piège susmentionné (109) produisant également l'isolation forte requise entre les signaux sur les bandes A et B, nécessaire pour empêcher la fuite du signal sur la bande B vers les guides d'ondes opérant sur la bande A.
REFERENCES CITED IN THE DESCRIPTION
Patent documents cited in the description
Non-patent literature cited in the description