一種中頻差動匯流環的研制

康成彬

（1.南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016；2.華東電子工程研究所，安徽 合肥 200031)

0 引言

作為典型的特種機電一體化部件，匯流環用于實現在設備的固定部分與旋轉部分之間傳輸各類電氣信號。因為整機的電氣信號均匯集于匯流環傳輸，故它直接關系到整機的正常運行。而對于不同的傳輸信號，相應匯流環所涉及的專業領域、電氣指標、設計方法、結構形式、材料選用等也有所不同。

本文介紹的是一種中頻差動匯流環。由于該匯流環尺寸要求緊，電氣指標多樣性以及各項指標的要求較高，使得原來用于匯流環的一些結構形式、設計方法和經驗等已不完全適用。針對上述情況，經過方案論證、工程設計、加工裝配、跑合調試、環境試驗及交驗等，突破了一些技術難點，在中頻匯流環的設計制造等各方面獲得了很多寶貴的經驗。

1 匯流環的電性能指標和結構要求

該設備需要用匯流環傳輸48路的中頻信號，并要求結構外形尺寸D·H≤Φ370 mm×180 mm。

對中頻信號環的要求如下：

頻 率： 10 MHz±2 MHz

隔離度： ≥45 dB

幅度起伏：＜0.5 dB（rms值）

相位起伏：＜1°（rms值）

插入損耗：＜0.5 dB

2 設計特點

（1）結構型式

由于匯流環的尺寸要求緊，且路數較多，故決定采用差動型式[1-2]。中頻匯流盤的內、外徑與其他信號匯流盤模塊相同，便于在以后的設計中根據匯流環傳輸信號的不同特征，采用模塊化分段布置與其他信號匯流盤模塊組合。

中頻信號環由兩層中頻匯流盤模塊組成，按每層24路設計，提供共計48路中頻信號的傳輸。在尺寸允許的范圍內，適當增加組成每路的接觸塊數量及轉動中每路電刷與接觸塊的接觸數。這樣不僅保證了匯流環在轉動過程中各路電路連續接通，相鄰電路不致錯接，而且可以減小轉動過程中的幅度起伏。

圖1 中頻匯流環總體示意圖

（2）材料選用

為了降低接觸電阻和提高使用壽命，電刷使用了導電性和耐磨性俱佳的銀石墨碳刷。銀石墨電刷材料耐磨、抗腐蝕、接觸電阻低而穩定，能與匯流盤獲得較好的匹配。所選用的電刷是用石墨纖維增強的電刷，具有高硬度、高導電性、低摩擦系數和高耐磨性。

匯流盤上的接觸塊則采用銀銅合金板。銀本身具有最高的導電率和導熱率，而且具有較好的抗氧化性和良好的加工性，但熔點低、硬度低、易產生硫化物膜。添加適當元素如鎳可以克服銀的缺點，制成接觸電阻穩定的接觸塊。

絕緣環采用絕緣性和穩定性較好的環氧酚醛玻璃布板。

匯流盤之間的隔離環采用銅棒，精加工后表面鍍銀涂覆。

（3）線纜長度

匯流環環芯內部接線用等長電纜連接，以減小在轉動過程中各路之間的相位起伏。試驗表明，如果環芯在裝配過程中，電纜按實際需要取最短值時匯流環相位起伏的絕對值約為8°左右，見表1；而用等長電纜連接環芯，匯流環相位起伏的絕對值約為3°～4°，見表2。

（4）電刷、刷盒

電刷、刷盒等根據傳輸中頻信號的要求以及與中頻匯流盤的匹配進行了設計，達到提高使用頻率的目的。

電刷采用活塞型電刷[1]。這種電刷可在刷盒中滑動，利用彈簧產生壓力，彈簧壓力可用螺釘調節，并用柔性刷線傳輸信號。每個電刷的接觸面應修整成與環芯外環的曲率吻合，要求經過跑合調試接觸面積大于80%以保證電刷的傳輸能力。

電刷的接觸壓力直接影響差動匯流環的接觸電阻和電刷的磨損量，從而影響差動匯流環的性能和維護間隔周期及壽命。壓力小了，易造成電接觸副之間的接觸不良。壓力過大，必然會使機械性磨損增加，使電刷磨損增大。通過對電刷彈簧質量的控制，對電刷的壓力通過螺釘進行一定范圍內的調節，以保證電刷的壓力在設計要求的范圍內，滿足差動匯流環接觸電阻的性能要求，延長電刷的使用壽命。

表1 環芯內部電纜按實際需要取最短值時匯流環的相位起伏絕對值

表2 環芯內部電纜取等長時匯流環的相位起伏絕對值

（5）輸入、輸出連接方式

中頻信號的輸入、輸出不但要求有良好的接觸，而且必須很好屏蔽。在樣機中選用的是國產的快速插拔的連接器連接。但在樣機的使用中發現該連接器插拔多次后，容易產生接觸不良等問題。由于匯流環尺寸要求較緊，經多方調研，決定采用進口連接器D101連接，從而使匯流環的輸入、輸出更可靠。

試驗表明，如果在匯流環中外殼上是兩個插座緊挨著裝在同一支架上，插座之間會產生一定的耦合，使中頻信號的隔離度相對于技術要求較為臨界，見表3。后經試驗發現，只要將兩插座分別裝于各自的支架上，即可將隔離度提高近5 dB，見表4，使之無論是層與層之間的相鄰兩路，還是同一層中的相鄰兩路的隔離度均達到了理想的效果。

表3 在同一支架上安裝兩個插座時匯流環的隔離度

表4 在同一支架上安裝一個插座時匯流環的隔離度

（6）其他

設計中，在隔離環、線纜選用等有關方面采取了加強屏蔽等措施，以達到提高隔離度的目的。

3 加工裝配

匯流環加工裝配的核心是環芯[3]。由于該匯流環中，中頻信號環的要求較高，因此環芯的裝配尤為重要。具體體現在用等長電纜和電纜的抽頭長度上。環芯內部用等長電纜焊接在前面已論述。

關于電纜的抽頭長度，從已有的研究和大量的試驗均可以看出，抽頭對屏蔽電纜低頻耦合影響不大；但當頻率增大到一定程度（8 MHz）時，抽頭對屏蔽芯線耦合泄露的影響非常明顯，這種情況隨抽頭長度的增加愈加嚴重，由于抽頭的存在，屏蔽層在頻率較高時的屏蔽作用大大降低。這種現象的原因是因為在電短的情況下，耦合可分為電感耦合和電容耦合。這樣，帶抽頭的屏蔽電纜的耦合將由以下4部分組成：屏蔽體的電感耦合和電容耦合；抽頭的電感耦合和電容耦合。當屏蔽體兩端都接地，屏蔽體的電容耦合可以忽略。低頻時，在各耦合分量中起主要作用的是屏蔽體的電感耦合，因此增加抽頭長度，對于芯線的耦合串擾影響不大。隨著頻率的增大，在各耦合分量中，抽頭的電感耦合變成了主要影響因素，使得在頻率較高時抽頭長度的變化直接影響電纜的耦合量，屏蔽體的屏蔽作用大大降低。

為了降低屏蔽電纜的耦合泄露問題，一方面在選用時應注意選用屏蔽效能較好的屏蔽電纜；另外，焊接屏蔽電纜時，應盡可能減少電纜兩端抽頭部分的長度，這樣，才能最大限度地減少由于端接效應而引起的串擾，真正提高屏蔽電纜的電磁兼容性，以提高中頻信號環的隔離度。

4 測試方法

對于中頻信號的相位起伏、幅度起伏指的是某路信號在轉動過程中各點的相位、幅度的一致性。要求每路信號以任一瞬間的相位值、幅度值為零點，直接用矢量網絡分析儀依次讀取轉動過程中240個點的相位、幅度相對于零點的起伏大小，再統計數據算出各路相位起伏、幅度起伏的均方根值。

由于需要測試的路數及測試點總計需要12000個數據，在測試時需要每個通道依次取點讀取數據，完全靠人工測試既費時又費工，效率比較低，而且人工測試容易帶進主觀性誤差，遺漏部分關鍵數據，使測試的可信度降低。

為了解決這個問題，開發了一套匯流環相位、幅度測試系統，采用常見的PC機做控制器，基于NI公司的數據采集卡和VB6.0軟件編寫了測試程序，控制矢量網絡分析儀進行相關測試。

該測試系統可實時控制矢量網絡分析儀同時進行轉動過程中相位、幅度的自動測試，利用數據采集卡等進行通信，基于VB6.0軟件編寫的程序將測試信息實時顯示、保存并處理測試數據。在這個新的測試系統中，由于采用了PC機控制、讀取和處理測試數據的方式，把以前全手動的測量方式變成了自動的測量方式，大大提高了效率，增強了系統的可操作性，同時使得數據更加可靠。

5 測試結果

匯流環裝配完成后，即進行了調試和測試。在多次測試中，中頻信號環的電性能指標均達到了技術要求。其中中頻信號環的端電阻均＜0.2 Ω，端電阻的變化值均＜0.1 Ω，絕緣電阻均＞500 MΩ，隔離度均≥45 dB，相位起伏均＜＜1°，幅度起伏均＜0.5 dB，插入損耗均＜0.5 dB，各項試驗均一次通過。

6 結束語

以上簡述了該匯流環的研制情況。實際證明，該匯流環在總體型式、結構設計、材料選用和裝配工藝等方面采取的措施是較為成功的。通過對該匯流環的使用，證明該匯流環滿足了設備的實際要求，突破了差動匯流環在中頻部分的應用，具有體積小、重量輕、工作性能穩定、可靠性高且經濟實用等優點。

［1］吳鳳高.天線座結構設計［M］.西安：西北電訊工程學院出版社，1986.

［2］李建軍.一種差動匯流環的設計方法［J］.無線電工程，2005，35（2）：29-30.

［3］張軍立.差動匯流環制造技術［J］.電子機械工程，2001（1）：56-58.