一种旋转关节在天线轴比测试中的应用

Abstract： The antenna axial ratio is one of the important indicators for evaluating the polarization performance of an antenna. In wireless communication systems， accurate assessment and optimization of antenna polarization pe rformance is crucial for improving signal quality and system performance. This paper proposes the application of a rotary joint in antenna axial ratio testing， where the method employs a rotary joint to conduct antenna testing from multiple directions， thereby assessing the polarization performance and polarization mismatch of the antenna. The experimental results indicate that using a rotary joint for antenna axial ratio testing effectively evaluates and optimize s antenna performance.

Keywords： Rotary Joint， Antenna Axial Ratio Testing， Polarization Performance， Wireless Communication

1 引言

天线作为无线通信系统中的重要组成部分，对信号的辐射和接收起着至关重要的作用。随着无线通信技术的快速发展，天线的性能直接影响着整个通信系统的质量。在众多天线性能指标中，天线轴比是一个非常重要的参数，它直接关系到天线的极化性能。天线轴比定义为天线主极化方向与副极化方向上的增益比值，通常以分贝（dB）为单位表示。轴比越小，说明天线的极化纯度越高，信号传输质量越好；反之，轴比越大，则表明天线存在一定程度的极化失配，可能导致信号衰减和通信质量下降。

在无线通信系统中，准确评估和优化天线的极化性能对于提高信号质量和系统性能至关重要。特别是在全球定位系统（GPS）、北斗卫星导航系统（BD）等应用场景中，天线的极化性能直接影响着信号接收的稳定性和定位精度。因此，如何准确评估天线的极化性能，发现并解决极化失配问题，成为提高无线通信系统性能和可靠性的关键环节。

传统的天线轴比测试方法通常采用固定天线放置于特定方向进行测试，然后通过测量信号的极化方向来计算天线轴比。然而，这种方法存在单一方向测试、极化失配难以捕捉、人工操作依赖等局限性。

为解决上述问题，本文提出一种基于旋转关节的天线轴比测试方法。旋转关节可以使天线在 360 度范围内旋转，从而可以在不同方向上进行测试。通过使用旋转关节，可以轻松调整天线的方向和角度，获取多个方向上的轴比数据，并全面评估天线的极化性能。

1.设计思路

1.1 旋转关节的设计

旋转关节的设计要考虑到准确度、稳定性和可靠性等因素。在设计过程中，需要综合考虑旋转关节需要具备足够的承载能力，以适应不同尺寸和重量的天线。同时，旋转关节与天线的连接方式需要保证信号传输的连续性和稳定性。

1.2 旋转关节的工作原理

旋转关节的作用是保持天线在连续旋转过程中馈电传输线的射频信号连续不断。旋转关节一般使用扼流结构，利用扼流槽λ/4 后呈短路状态，保证旋转接头在旋转过程中的电连接来实现。这种设计既能保证信号的连续传输，又能实现天线的自由旋转。

1.3 旋转关节的关键性能指标在设计旋转关节时，需要关注以下几个关键性能指标：

（1）工作频率范围：旋转关节需要能够支持天线工作的频率范围，通常在DC＼～18GHz 之（2）驻波比：驻波比是衡量旋转关节信号传输质量的重要指标，一般要求驻波比小于1.3；

（3）插损：插损是指旋转关节对信号的损耗，一般要求插损小于0.5dB；

1.4 天线结构设计

考虑到 GPS/BD 系统不同的频率范围，GPS 在 L1、L2 和 L5 频段，BD 在 B1 频段。需要确保天线能覆盖以上频段。针对 GPS 和 BD 系统的频段选择合适的增益，天线阻抗匹配对信号的传输和接收非常重要，设计中需确保天线的输入阻抗与天线馈源的输出阻抗匹配良好。天线类型选用半波对称阵子天线，单个振子臂长度应等于 1/4λ，根据以上频段计算出振子臂辐射长度应不低于 59mm 。此外，根据适用频率范围和尺寸要求，天线和旋转关节的接口选用SMA-K，其尺寸小巧、频率范围广、耐用性好，保证电磁信号的有效传输。

在天线结构设计中，振子臂的长度和形状直接影响天线的辐射特性。为了确保天线在不同频段的性能，需要对振子臂进行精确的尺寸设计和加工。此外，天线的阻抗匹配也是设计中的一个重要环节。通过优化天线的馈电结构和匹配网络，可以实现天线与旋转关节之间的良好阻抗匹配，从而提高信号的传输效率。

2 具体实施和效果

2.1 旋转装置的实现

按上述设计思路实做了一套旋转装置，由对称振子天线、驱动装置、旋转关节三部分组成，各部分用途如表 1 所述。

其中对称阵子天线结构件由1 个金属馈电探针、2 个阵子臂、1 个直径Φ154mm 的金属圆盘组成，和 SMA-KFD285 的插座装配一起，组成天线。振子臂下端设计有安装支撑结构，通过螺钉直接固定在金属圆盘上，圆盘可局部加厚用于螺钉固定。金属探针顶部和振子臂焊接（如图1 所示），底部和侧面开孔，SMA 插座的内芯插入孔中，再从金属探针的侧面开孔处焊接。

驱动装置主要由电机和底座固定部分组成（如图2 所示）。直流电机选用万泰机电公司37GB-555 直流减速电机，该电机供电电压 12V，工作电流 0.2-0.6A ，空载转速 500r/min ，负载力矩 0.69kgf.cm （6.7N.cm） ，负载转速435r/min，调节供电电压可更改电机转速。结构件由底座、前后挡板、主齿轮、电机齿轮、主轴、电机轴、电机座、旋转关节座、撑板、球轴承组成。通过齿轮传动，带动安装架完成旋转功能。

旋转关节分转动部分和固定部分，固定部分通过电缆连接到矢量网络分析仪，测试时只有转动部分随齿轮旋转，能有效避免旋转过程中线缆缠绕折损等问题。选用西安艾力特电子实业公司RJ-1LSMA1 旋转关节。其频率可达到 DC＼～18GHz，电压驻波比小于1.3，插损小于0.25dB，输入输出接口：SMA-K/SMA-K，从动态性能、负载能力、精度要求等多方面均满足旋转机构需求。

2.2 测试效果

通过实验评估了旋转关节在天线轴比测试中的效果。实验使用了不同类型的天线，并通过控制旋转关节，分别在不同方向上进行了轴比测试。实验结果表明，旋转关节能够提供准确的天线旋转控制，并能获得不同方向上的轴比数据。通过这些数据，可以全面评估天线的极化性能并发现极化失配问题。

通过对比表 2 和表 3 可以看出，使用旋转关节进行天线轴比测试能够显著提高测试的准确性和一致性。传统测试方法由于只能在固定方向上进行测试，容易受到天线极化失配的影响，导致测试结果存在较大偏差。而使用旋转关节后，天线可以在360 度范围内自由旋转，从而能够全面评估天线在不同方向上的极化性能。此外，旋转关节的引入还能够有效减少测试过程中的信号衰减和干扰，进一步提高了测试结果的可靠性。

3 结论

本文介绍了一种旋转关节在天线轴比测试中的应用方法，并通过实验验证了其有效性。旋转关节可以提供多方向的天线测试，并全面评估天线的极化性能。该方法对于优化天线设计、提高无线通信系统性能具有重要意义。未来的研究可以进一步探索旋转关节在其他天线性能测试中的应用，并对旋转关节进行进一步改进和优化。

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作者简介：黄超（1989＼～），男，汉族，技师，研究方向：微波与电磁场、无线通信领域。