中頻信號(hào)匯流環(huán)的研究

張 琳

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

中頻信號(hào)匯流環(huán)是中頻信號(hào)的傳遞裝置，用于實(shí)現(xiàn)在設(shè)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(hào)。中頻信號(hào)匯流環(huán)是典型的特種機(jī)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(hào)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(luò)等方面的理論問(wèn)題，在具體的工程設(shè)計(jì)中，還要兼顧電氣指標(biāo)和結(jié)構(gòu)布局等方面的綜合要求。針對(duì)上述情況，結(jié)合工程實(shí)例，從理論上研究中頻信號(hào)匯流環(huán)設(shè)計(jì)中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，提出解決建議經(jīng)過(guò)論證、設(shè)計(jì)、加工裝配、調(diào)試試驗(yàn)，得到了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為以后同類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

2 中頻信號(hào)匯流環(huán)分析

中頻信號(hào)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(dǎo)體通過(guò)電刷與導(dǎo)電環(huán)的滑動(dòng)接觸而導(dǎo)通，電纜的屏蔽網(wǎng)通過(guò)接地極與地環(huán)接觸連接。對(duì)于中頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，匯流環(huán)的每一環(huán)均可看作為一個(gè)由矩形同軸線構(gòu)成的圓環(huán)。信號(hào)從圓環(huán)的一點(diǎn)輸入，而從另一點(diǎn)輸出，輸入輸出點(diǎn)之間的相對(duì)位置是隨時(shí)變化的。信號(hào)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(zhǎng)為S，圖中下半段傳輸線的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，上半段傳輸線長(zhǎng)度則為S－L，則可將該中頻信號(hào)匯流環(huán)作為等效并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，從微波網(wǎng)絡(luò)角度來(lái)看，匯流環(huán)相當(dāng)于在整個(gè)傳輸電路中插入了一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)。

圖2 信號(hào)流經(jīng)路線示意圖

對(duì)于中頻信號(hào)匯流環(huán)，降低插入損耗是主要難點(diǎn)，當(dāng)匯流環(huán)接入于信號(hào)源與負(fù)載之間時(shí)信號(hào)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(wú)功損耗。有功損耗包括介質(zhì)損耗、導(dǎo)電環(huán)及電刷的電阻損耗和接觸電阻損耗等。經(jīng)計(jì)算和測(cè)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(wú)功損耗相對(duì)較大，由傳輸線理論可知，網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(hào)的波長(zhǎng);S為匯流環(huán)中心導(dǎo)體的平均周長(zhǎng);L為信號(hào)輸入點(diǎn)與信號(hào)輸出點(diǎn)距離，見(jiàn)圖2所示。

由式(2)可知，a11=a22，設(shè) X=a12－a21則式(1)可簡(jiǎn)化為:

從中頻信號(hào)匯流環(huán)的工作原理來(lái)看，上述插入損耗是客觀存在的，并且隨著動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)角變化而變化(即L為變化值)，從工程使用來(lái)說(shuō)，在匯流環(huán)直徑和傳輸信號(hào)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(dòng)中的波動(dòng)值成為主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

3 降低中頻信號(hào)匯流環(huán)插入損耗方法

一般工程應(yīng)用場(chǎng)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(dá)到0.5dB以下，對(duì)于傳輸頻率較高(＞60MHz)的情況，插入損耗的指標(biāo)就難以達(dá)到，所以研究插入損耗與傳輸信號(hào)頻率之間的關(guān)系，找到降低插入損耗的方法，對(duì)解決工程實(shí)際問(wèn)題非常有意義。

3.1 當(dāng)Zc=2時(shí)

工程設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)上均選用Zc=2，這樣當(dāng)匯流環(huán)輸入輸出電纜相對(duì)成180°時(shí)，理論上達(dá)到完全匹配。

當(dāng)s≤λ/2時(shí)，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(dāng) Zc=2時(shí)，－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(wèn)題

從圖3可知，隨著s的增大，插入損耗將隨之增

計(jì)中極需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖4 =1/4時(shí)，L與θ的關(guān)系曲線

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

研制匯流環(huán)的實(shí)物如圖5所示。

圖5 小型中頻信號(hào)積疊式匯流環(huán)實(shí)物圖

分析式(3)可知，L與X2有關(guān)，即只與X的絕對(duì)值有關(guān)。若選擇某Zc使X180與X0的J絕對(duì)值相等，符號(hào)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(hào)頻率為 30～60MHz，表 1為 Z0=50Ω，Zh=150Ω(Zc=3)的匯流環(huán)計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果。

表1 匯流環(huán)計(jì)算和測(cè)試結(jié)果(Zc=3)

表2為Z0=50Ω，Zh=100Ω(Zc=2)的匯流環(huán)計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果。

表2 匯流環(huán)計(jì)算和測(cè)試結(jié)果(Zc=2)

表中實(shí)測(cè)值均大于計(jì)算值0.2～0.3dB，這是由有功損耗和截面等效阻抗計(jì)算誤差所致。

5 結(jié)束語(yǔ)

從以上分析和實(shí)測(cè)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(hào)匯流環(huán)工作引起的插入損耗波動(dòng)值降到最低。在工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)匯流環(huán)的傳輸信號(hào)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(jì)算式進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

[1]吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1980，12.

[2]微波工程手冊(cè)編譯組.微波工程手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1972，6.

[3]馬伯淵.雷達(dá)中頻匯流環(huán)的設(shè)計(jì)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，1993，22(3):25 －31.

[4]杜繼先.精密導(dǎo)電環(huán)的性能測(cè)試[C].電子機(jī)械工程分會(huì)第三屆學(xué)術(shù)論文年會(huì)論文集，1998，9.

[5]劉行文.環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)品在開(kāi)關(guān)電源變壓器上的應(yīng)用[J].環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)用技術(shù)，2001，(4).

[6]劉勵(lì).匯流環(huán)加工工藝改進(jìn)[J].雷達(dá)與對(duì)抗，2003，3:61－63.