張 琳

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

中頻信號匯流環(huán)是中頻信號的傳遞裝置，用于實現(xiàn)在設備的固定部分與旋轉(zhuǎn)部分之間傳遞多路頻率為幾十兆赫至上百兆赫的中頻信號。中頻信號匯流環(huán)是典型的特種機電部件，其電氣性能與其結(jié)構(gòu)形式、材料選用和加工安裝等密切相關(guān)，除了與一般信號匯流環(huán)有某些共同之處外，主要還涉及微波傳輸線、微波網(wǎng)絡等方面的理論問題，在具體的工程設計中，還要兼顧電氣指標和結(jié)構(gòu)布局等方面的綜合要求。針對上述情況，結(jié)合工程實例，從理論上研究中頻信號匯流環(huán)設計中遇到的技術(shù)難點，提出解決建議經(jīng)過論證、設計、加工裝配、調(diào)試試驗，得到了一些實踐經(jīng)驗，為以后同類產(chǎn)品設計提供參考借鑒。

2 中頻信號匯流環(huán)分析

中頻信號匯流環(huán)的典型結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，兩端電纜的中心導體通過電刷與導電環(huán)的滑動接觸而導通，電纜的屏蔽網(wǎng)通過接地極與地環(huán)接觸連接。對于中頻信號來說，匯流環(huán)的每一環(huán)均可看作為一個由矩形同軸線構(gòu)成的圓環(huán)。信號從圓環(huán)的一點輸入，而從另一點輸出，輸入輸出點之間的相對位置是隨時變化的。信號在匯流環(huán)中流經(jīng)的路線如圖2所示。若匯流環(huán)的環(huán)平均周長為S，圖中下半段傳輸線的長度為L，上半段傳輸線長度則為S－L，則可將該中頻信號匯流環(huán)作為等效并聯(lián)網(wǎng)絡進行分析，從微波網(wǎng)絡角度來看，匯流環(huán)相當于在整個傳輸電路中插入了一個四端網(wǎng)絡。

圖2 信號流經(jīng)路線示意圖

對于中頻信號匯流環(huán)，降低插入損耗是主要難點，當匯流環(huán)接入于信號源與負載之間時信號傳輸功率的衰減量即為匯流環(huán)的插入損耗。插入損耗包括有功損耗和無功損耗。有功損耗包括介質(zhì)損耗、導電環(huán)及電刷的電阻損耗和接觸電阻損耗等。經(jīng)計算和測試，上述這些損耗均很小，一般為0.1dB左右，而由匯流環(huán)引入的無功損耗相對較大，由傳輸線理論可知，網(wǎng)絡插損[2]可表示為:

式中 a11、a12、a21、a22與匯流環(huán)的電壓轉(zhuǎn)移矩陣A中系數(shù)有關(guān)，設定為:

式中Zc=Zh/Z0為匯流環(huán)的歸一化阻抗;Zh為匯流環(huán)的特性阻抗;Z0為連接電纜的特性阻抗。

a=2π/λ;λ為傳輸信號的波長;S為匯流環(huán)中心導體的平均周長;L為信號輸入點與信號輸出點距離，見圖2所示。

由式(2)可知，a11=a22，設 X=a12－a21則式(1)可簡化為:

從中頻信號匯流環(huán)的工作原理來看，上述插入損耗是客觀存在的，并且隨著動環(huán)轉(zhuǎn)角變化而變化(即L為變化值)，從工程使用來說，在匯流環(huán)直徑和傳輸信號頻率一定的情況下，降低匯流環(huán)插入損耗，特別是降低插入損耗在轉(zhuǎn)動中的波動值成為主要的設計難點。

3 降低中頻信號匯流環(huán)插入損耗方法

一般工程應用場合中，由于匯流環(huán)的傳輸頻率較低(＜30MHz)，故插入損耗較容易達到0.5dB以下，對于傳輸頻率較高(＞60MHz)的情況，插入損耗的指標就難以達到，所以研究插入損耗與傳輸信號頻率之間的關(guān)系，找到降低插入損耗的方法，對解決工程實際問題非常有意義。

3.1 當Zc=2時

工程設計中，傳統(tǒng)上均選用Zc=2，這樣當匯流環(huán)輸入輸出電纜相對成180°時，理論上達到完全匹配。

當s≤λ/2時，匯流環(huán)的特性參數(shù)X隨匯流環(huán)轉(zhuǎn)角θ變化為單調(diào)上升函數(shù)[2]，當 Zc=2時，－1≤X≤0，其中X0°= －tan(αs/2)，X180°=0。由此可推得插入損耗L 為匯流環(huán)轉(zhuǎn)角θ的單調(diào)下降函數(shù)，在極限位置有:

圖3 ΔLmax與 關(guān)系曲線

3.2 Zc的最佳選取問題

從圖3可知，隨著s的增大，插入損耗將隨之增

計中極需解決的關(guān)鍵問題。

圖4 =1/4時，L與θ的關(guān)系曲線

4 實測結(jié)果

研制匯流環(huán)的實物如圖5所示。

圖5 小型中頻信號積疊式匯流環(huán)實物圖

分析式(3)可知，L與X2有關(guān)，即只與X的絕對值有關(guān)。若選擇某Zc使X180與X0的J絕對值相等，符號相反，則可使ΔLmax為最小。

研制匯流環(huán)為典型的接觸式中頻匯流環(huán)，傳輸信號頻率為 30～60MHz，表 1為 Z0=50Ω，Zh=150Ω(Zc=3)的匯流環(huán)計算和實測結(jié)果。

表1 匯流環(huán)計算和測試結(jié)果(Zc=3)

表2為Z0=50Ω，Zh=100Ω(Zc=2)的匯流環(huán)計算和實測結(jié)果。

表2 匯流環(huán)計算和測試結(jié)果(Zc=2)

表中實測值均大于計算值0.2～0.3dB，這是由有功損耗和截面等效阻抗計算誤差所致。

5 結(jié)束語

從以上分析和實測結(jié)果可知，只要合理選擇匯流環(huán)特性阻抗值，可以將中頻信號匯流環(huán)工作引起的插入損耗波動值降到最低。在工程設計中，當匯流環(huán)的傳輸信號頻率和環(huán)心直徑確定，即一定的情況下，可利用上述方法求最佳Z，繼而c求得匯流環(huán)的截面等效阻抗值，再依此為依據(jù)，選用矩形同軸線特性阻抗計算式進行結(jié)構(gòu)尺寸計算和結(jié)構(gòu)設計。

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