一种中频差动汇流环的研制

康成彬

（1.南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016；2.华东电子工程研究所，安徽 合肥 200031)

0 引言

作为典型的特种机电一体化部件，汇流环用于实现在设备的固定部分与旋转部分之间传输各类电气信号。因为整机的电气信号均汇集于汇流环传输，故它直接关系到整机的正常运行。而对于不同的传输信号，相应汇流环所涉及的专业领域、电气指标、设计方法、结构形式、材料选用等也有所不同。

本文介绍的是一种中频差动汇流环。由于该汇流环尺寸要求紧，电气指标多样性以及各项指标的要求较高，使得原来用于汇流环的一些结构形式、设计方法和经验等已不完全适用。针对上述情况，经过方案论证、工程设计、加工装配、跑合调试、环境试验及交验等，突破了一些技术难点，在中频汇流环的设计制造等各方面获得了很多宝贵的经验。

1 汇流环的电性能指标和结构要求

该设备需要用汇流环传输48路的中频信号，并要求结构外形尺寸D·H≤Φ370 mm×180 mm。

对中频信号环的要求如下：

频 率： 10 MHz±2 MHz

隔离度： ≥45 dB

幅度起伏：＜0.5 dB（rms值）

相位起伏：＜1°（rms值）

插入损耗：＜0.5 dB

2 设计特点

（1）结构型式

由于汇流环的尺寸要求紧，且路数较多，故决定采用差动型式[1-2]。中频汇流盘的内、外径与其他信号汇流盘模块相同，便于在以后的设计中根据汇流环传输信号的不同特征，采用模块化分段布置与其他信号汇流盘模块组合。

中频信号环由两层中频汇流盘模块组成，按每层24路设计，提供共计48路中频信号的传输。在尺寸允许的范围内，适当增加组成每路的接触块数量及转动中每路电刷与接触块的接触数。这样不仅保证了汇流环在转动过程中各路电路连续接通，相邻电路不致错接，而且可以减小转动过程中的幅度起伏。

图1 中频汇流环总体示意图

（2）材料选用

为了降低接触电阻和提高使用寿命，电刷使用了导电性和耐磨性俱佳的银石墨碳刷。银石墨电刷材料耐磨、抗腐蚀、接触电阻低而稳定，能与汇流盘获得较好的匹配。所选用的电刷是用石墨纤维增强的电刷，具有高硬度、高导电性、低摩擦系数和高耐磨性。

汇流盘上的接触块则采用银铜合金板。银本身具有最高的导电率和导热率，而且具有较好的抗氧化性和良好的加工性，但熔点低、硬度低、易产生硫化物膜。添加适当元素如镍可以克服银的缺点，制成接触电阻稳定的接触块。

绝缘环采用绝缘性和稳定性较好的环氧酚醛玻璃布板。

汇流盘之间的隔离环采用铜棒，精加工后表面镀银涂覆。

（3）线缆长度

汇流环环芯内部接线用等长电缆连接，以减小在转动过程中各路之间的相位起伏。试验表明，如果环芯在装配过程中，电缆按实际需要取最短值时汇流环相位起伏的绝对值约为8°左右，见表1；而用等长电缆连接环芯，汇流环相位起伏的绝对值约为3°～4°，见表2。

（4）电刷、刷盒

电刷、刷盒等根据传输中频信号的要求以及与中频汇流盘的匹配进行了设计，达到提高使用频率的目的。

电刷采用活塞型电刷[1]。这种电刷可在刷盒中滑动，利用弹簧产生压力，弹簧压力可用螺钉调节，并用柔性刷线传输信号。每个电刷的接触面应修整成与环芯外环的曲率吻合，要求经过跑合调试接触面积大于80%以保证电刷的传输能力。

电刷的接触压力直接影响差动汇流环的接触电阻和电刷的磨损量，从而影响差动汇流环的性能和维护间隔周期及寿命。压力小了，易造成电接触副之间的接触不良。压力过大，必然会使机械性磨损增加，使电刷磨损增大。通过对电刷弹簧质量的控制，对电刷的压力通过螺钉进行一定范围内的调节，以保证电刷的压力在设计要求的范围内，满足差动汇流环接触电阻的性能要求，延长电刷的使用寿命。

表1 环芯内部电缆按实际需要取最短值时汇流环的相位起伏绝对值

表2 环芯内部电缆取等长时汇流环的相位起伏绝对值

（5）输入、输出连接方式

中频信号的输入、输出不但要求有良好的接触，而且必须很好屏蔽。在样机中选用的是国产的快速插拔的连接器连接。但在样机的使用中发现该连接器插拔多次后，容易产生接触不良等问题。由于汇流环尺寸要求较紧，经多方调研，决定采用进口连接器D101连接，从而使汇流环的输入、输出更可靠。

试验表明，如果在汇流环中外壳上是两个插座紧挨着装在同一支架上，插座之间会产生一定的耦合，使中频信号的隔离度相对于技术要求较为临界，见表3。后经试验发现，只要将两插座分别装于各自的支架上，即可将隔离度提高近5 dB，见表4，使之无论是层与层之间的相邻两路，还是同一层中的相邻两路的隔离度均达到了理想的效果。

表3 在同一支架上安装两个插座时汇流环的隔离度

表4 在同一支架上安装一个插座时汇流环的隔离度

（6）其他

设计中，在隔离环、线缆选用等有关方面采取了加强屏蔽等措施，以达到提高隔离度的目的。

3 加工装配

汇流环加工装配的核心是环芯[3]。由于该汇流环中，中频信号环的要求较高，因此环芯的装配尤为重要。具体体现在用等长电缆和电缆的抽头长度上。环芯内部用等长电缆焊接在前面已论述。

关于电缆的抽头长度，从已有的研究和大量的试验均可以看出，抽头对屏蔽电缆低频耦合影响不大；但当频率增大到一定程度（8 MHz）时，抽头对屏蔽芯线耦合泄露的影响非常明显，这种情况随抽头长度的增加愈加严重，由于抽头的存在，屏蔽层在频率较高时的屏蔽作用大大降低。这种现象的原因是因为在电短的情况下，耦合可分为电感耦合和电容耦合。这样，带抽头的屏蔽电缆的耦合将由以下4部分组成：屏蔽体的电感耦合和电容耦合；抽头的电感耦合和电容耦合。当屏蔽体两端都接地，屏蔽体的电容耦合可以忽略。低频时，在各耦合分量中起主要作用的是屏蔽体的电感耦合，因此增加抽头长度，对于芯线的耦合串扰影响不大。随着频率的增大，在各耦合分量中，抽头的电感耦合变成了主要影响因素，使得在频率较高时抽头长度的变化直接影响电缆的耦合量，屏蔽体的屏蔽作用大大降低。

为了降低屏蔽电缆的耦合泄露问题，一方面在选用时应注意选用屏蔽效能较好的屏蔽电缆；另外，焊接屏蔽电缆时，应尽可能减少电缆两端抽头部分的长度，这样，才能最大限度地减少由于端接效应而引起的串扰，真正提高屏蔽电缆的电磁兼容性，以提高中频信号环的隔离度。

4 测试方法

对于中频信号的相位起伏、幅度起伏指的是某路信号在转动过程中各点的相位、幅度的一致性。要求每路信号以任一瞬间的相位值、幅度值为零点，直接用矢量网络分析仪依次读取转动过程中240个点的相位、幅度相对于零点的起伏大小，再统计数据算出各路相位起伏、幅度起伏的均方根值。

由于需要测试的路数及测试点总计需要12000个数据，在测试时需要每个通道依次取点读取数据，完全靠人工测试既费时又费工，效率比较低，而且人工测试容易带进主观性误差，遗漏部分关键数据，使测试的可信度降低。

为了解决这个问题，开发了一套汇流环相位、幅度测试系统，采用常见的PC机做控制器，基于NI公司的数据采集卡和VB6.0软件编写了测试程序，控制矢量网络分析仪进行相关测试。

该测试系统可实时控制矢量网络分析仪同时进行转动过程中相位、幅度的自动测试，利用数据采集卡等进行通信，基于VB6.0软件编写的程序将测试信息实时显示、保存并处理测试数据。在这个新的测试系统中，由于采用了PC机控制、读取和处理测试数据的方式，把以前全手动的测量方式变成了自动的测量方式，大大提高了效率，增强了系统的可操作性，同时使得数据更加可靠。

5 测试结果

汇流环装配完成后，即进行了调试和测试。在多次测试中，中频信号环的电性能指标均达到了技术要求。其中中频信号环的端电阻均＜0.2 Ω，端电阻的变化值均＜0.1 Ω，绝缘电阻均＞500 MΩ，隔离度均≥45 dB，相位起伏均＜＜1°，幅度起伏均＜0.5 dB，插入损耗均＜0.5 dB，各项试验均一次通过。

6 结束语

以上简述了该汇流环的研制情况。实际证明，该汇流环在总体型式、结构设计、材料选用和装配工艺等方面采取的措施是较为成功的。通过对该汇流环的使用，证明该汇流环满足了设备的实际要求，突破了差动汇流环在中频部分的应用，具有体积小、重量轻、工作性能稳定、可靠性高且经济实用等优点。

［1］吴凤高.天线座结构设计［M］.西安：西北电讯工程学院出版社，1986.

［2］李建军.一种差动汇流环的设计方法［J］.无线电工程，2005，35（2）：29-30.

［3］张军立.差动汇流环制造技术［J］.电子机械工程，2001（1）：56-58.