中頻信號匯流環的研究

張 琳

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

中頻信號匯流環是中頻信號的傳遞裝置，用于實現在設備的固定部分與旋轉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。中頻信號匯流環是典型的特種機電部件，其電氣性能與其結構形式、材料選用和加工安裝等密切相關，除了與一般信號匯流環有某些共同之處外，主要還涉及微波傳輸線、微波網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構布局等方面的綜合要求。針對上述情況，結合工程實例，從理論上研究中頻信號匯流環設計中遇到的技術難點，提出解決建議經過論證、設計、加工裝配、調試試驗，得到了一些實踐經驗，為以后同類產品設計提供參考借鑒。

2 中頻信號匯流環分析

中頻信號匯流環的典型結構形式如圖1所示，兩端電纜的中心導體通過電刷與導電環的滑動接觸而導通，電纜的屏蔽網通過接地極與地環接觸連接。對于中頻信號來說，匯流環的每一環均可看作為一個由矩形同軸線構成的圓環。信號從圓環的一點輸入，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。信號在匯流環中流經的路線如圖2所示。若匯流環的環平均周長為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作為等效并聯網絡進行分析，從微波網絡角度來看，匯流環相當于在整個傳輸電路中插入了一個四端網絡。

圖2 信號流經路線示意圖

對于中頻信號匯流環，降低插入損耗是主要難點，當匯流環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。有功損耗包括介質損耗、導電環及電刷的電阻損耗和接觸電阻損耗等。經計算和測試，上述這些損耗均很小，一般為0.1dB左右，而由匯流環引入的無功損耗相對較大，由傳輸線理論可知，網絡插損[2]可表示為:

式中 a11、a12、a21、a22與匯流環的電壓轉移矩陣A中系數有關，設定為:

式中Zc=Zh/Z0為匯流環的歸一化阻抗;Zh為匯流環的特性阻抗;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，并且隨著動環轉角變化而變化(即L為變化值)，從工程使用來說，在匯流環直徑和傳輸信號頻率一定的情況下，降低匯流環插入損耗，特別是降低插入損耗在轉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插入損耗方法

一般工程應用場合中，由于匯流環的傳輸頻率較低(＜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，傳統上均選用Zc=2，這樣當匯流環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，匯流環的特性參數X隨匯流環轉角θ變化為單調上升函數[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 為匯流環轉角θ的單調下降函數，在極限位置有:

圖3 ΔLmax與 關系曲線

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

計中極需解決的關鍵問題。

圖4 =1/4時，L與θ的關系曲線

4 實測結果

研制匯流環的實物如圖5所示。

圖5 小型中頻信號積疊式匯流環實物圖

分析式(3)可知，L與X2有關，即只與X的絕對值有關。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。

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

表1 匯流環計算和測試結果(Zc=3)

表2為Z0=50Ω，Zh=100Ω(Zc=2)的匯流環計算和實測結果。

表2 匯流環計算和測試結果(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 結束語

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

[1]吳鳳高.天線座結構設計[M].北京:國防工業出版社，1980，12.

[2]微波工程手冊編譯組.微波工程手冊[M].北京:國防工業出版社，1972，6.

[3]馬伯淵.雷達中頻匯流環的設計[J].火控雷達技術，1993，22(3):25 －31.

[4]杜繼先.精密導電環的性能測試[C].電子機械工程分會第三屆學術論文年會論文集，1998，9.

[5]劉行文.環氧樹脂產品在開關電源變壓器上的應用[J].環氧樹脂應用技術，2001，(4).

[6]劉勵.匯流環加工工藝改進[J].雷達與對抗，2003，3:61－63.