CN101138127A - 大直径rf旋转耦合器 - Google Patents
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Abstract
一种旋转耦合器包括具有第一表面(3a)的定子(1)和具有第二表面(4a)的转子(2)，所述第一和第二表面(3a，4a)分隔开并且彼此正对。第一导电线路(5)设置在所述定子(1)的第一表面(3a)上，形成传输线并具有分隔开的末端(A，B)，第二导电线路(6)设置在所述转子(2)的第二表面(4a)上，也形成传输线并具有分隔开的末端(C，D)。所述第一线路(5)的一端(A)使用时连接到信号发生装置上，所述第一线路的另一端(B)通过大致等于所述传输线的特性阻抗的电阻器接地，所述第一线路(5)沿大致围绕所述定子(1)的第一表面(3a)的基本圆形圆弧延伸，所述第一线路(5)具有一长度，该长度大致等于使用时由所述信号发生装置所产生的信号的波长整数。所述第二线路(6)沿大致围绕所述转子(2)的第二表面(4a)的基本圆形圆弧延伸，所述第二线路(6)具有一长度，该长度大致等于或小于使用时由所述信号发生装置所产生的信号的四分之一波长。
Description
技术领域
本发明涉及一种RF旋转耦合器，尤其涉及一种以无线或机械非接触方式基于旋转轴上的谐振器或延迟线将无源RF传感器电结合到固定询问电子件上的耦合器。
背景技术
WO96/37921和GB2 328 086公开了许多系统，其中，耦合的微带线用于无线连接到传感器上。尤其是，它们使用两种名义上等圆周的环形耦合传输线，以便固有的耦合量总是随着旋转而变化。然而，这些系统具有如下缺陷，它们对显著大于1/4λ的微波传输带不是非常有效，其中λ是传送信号的波长。
GB2 368 470描述的另外的系统允许尺寸在1/4λ以上的微带线之间进行360度耦合。通过连接1/4λ耦合的微波传输带的多个部分和围绕更大直径展开这些线来使这些系统进行工作。这些系统也存在如下缺陷：直径越大，所需要的1/4λ元件也越多，馈电网络也变得相当繁多。它们还存在与上述提及的系统相同的问题，即固有的耦合量随着旋转而变化。
发明内容
根据本发明，提供一种旋转耦合器，其包括具有第一表面的定子和具有第二表面的转子，所述第一和第二表面分隔开并且彼此正对；设置在所述定子的第一表面上、形成传输线并具有分隔开的末端的第一导电线路和设置在所述转子的第二表面上、也形成传输线并具有分隔开的末端的第二导电线路，所述第一线路的一端使用时连接到信号发生装置上，所述第一线路的另一端通过等于传输线的特性阻抗的电阻器接地，所述第一线路沿大致围绕所述定子的第一表面的基本圆形圆弧延伸，所述第一线路具有一长度，该长度大致等于使用时由所述信号发生装置所产生的信号的波长整数，所述第二线路沿大致围绕所述转子的第二表面的基本圆形圆弧延伸，所述第二线路的长度小于第一线路的长度。
在上下文中，术语“基本圆形圆弧”用于覆盖沿平滑圆形圆弧延伸的路径，并且具有等于圆形圆弧长度的长度和波浪形的路径，但是其平均路径或平均半径限定大致圆形圆弧，从而路径的实际长度大于由所述路径限定的平均圆形圆弧的长度。
本发明的耦合器具有如下优点：在本领域中，在定子传输线中没有不连续分布，因此连接到转子输出端并在定子输入端进行测量的传感器的谐振频率(或不同的相位延迟)没有角变量。
对于最佳的耦合来说，所述第二线路的长度大致等于使用时由所述信号发生装置所产生信号的四分之一波长。但是，所述第二线路也设置成一长度，该长度不同于依赖转子所需的输出阻抗在使用时由所述信号发生装置所产生信号的四分之一波长。
优选的是，转子和定子中的每一个由一基片形成，所述基片具有形成在其上设置线路的接地平面的导电衬垫。更特别的是，所述转子线路的一个端部优选直接或间接连接到所述接地平面上。然后，传感器优选连接在转子线路的一个端部和大地之间，然后转子线路的另一端部直接短接到接地平面上，在这种最佳耦合的情况下，所述第二线路具有一长度，该长度大致等于使用时由所述信号发生装置所产生信号的四分之一波长，或者连接到接地的电容器上，在这种情况下，所述第二线路优选具有一长度，该长度小于由所述信号发生装置所产生信号的四分之一波长，以获得最佳耦合。可选择的是，感应器可以与连接到转子线路的一个端部的传感器并联。
优选的是，所述第二线路沿与所述轴同心设置的大致平滑的圆形圆弧延伸，使用时转子安装在所述轴上。在一个实施例中，所述定子线路同样沿大致平滑的圆形圆弧延伸，但是稍微小于360度。在应用中，其中波长的整数大于圆形圆弧的周长，但是所述定子线路围绕以波浪形的面延伸，其向后和向前越过限定其平均路径的圆形圆弧延伸。例如，所述线路可以以更多不规则的方式围绕所述面或行程成Z字形，无论怎样，所述线路的实际长度大于限定平均路径的圆形圆弧长度。
在一个实施例中，每一个转子和定子由同心安装在轴上的环形盘形成，所述转子和定子彼此轴向分隔开，并且第一面和第二面由定子和转子的正对轴向环形面形成。
可选择的是，每一个转子和定子可形成圆柱件，所述转子与所述定子同心设置，并且具有稍微小于定子的内部直径的外部直径，以便在它们之间形成空隙。所述第一和第二面通过定子的内圆柱面和转子的外圆柱面分别形成，所述线路围绕各自的面沿圆形圆弧延伸，或者大致沿与轴的中心同心的圆形圆弧延伸。那么，所述定子线路的任何波浪形或曲折形均处于轴向。
优选的是，限定转子路径的圆形圆弧和定子线路具有大致相同的半径，但是在圆柱体转子和定子的情况下，定子线路的曲率半径必须稍微大于转子线路的曲率半径。
可任意提供多个转子线路，并且彼此分离。多个传感器也任意串连或并联连接到所述转子线路上或每一个转子线路上。
所述耦合器是基于不同长度的两条机械独立微波传输带。所述定子组件的微波传输带是圆形的，并且名义上具有长度为一个波长(λ)(或波长的整数)的电长度。所述转子微波传输带名义上与定子具有相同半径的弧，但是其优选具有大约1/4λ或更小的电长度。所述定子微波传输带终止在类似于所述线路的特性阻抗的负载上，同时转子可以是任何一个。图1示出了一种结构的例子。
图1所示的耦合器的两半定位在旋转轴上，以便两条微波传输带彼此正对，但是分隔开，以便没有直接的机械接触。信号输送到终端‘A’和基片衬垫上的接地平面之间的定子微波传输带内。终端‘B’也通过大约等于所述线路的特性阻抗的电阻器连接到接地平面上。在所述转子上，所述定子连接在终端‘C’和接地平面之间，终端‘D’直接短接到基质的接地平面上。所示的设计在两个平面上具有微波传输带，但是它们和所述轴彼此同轴。
为了能够更好地理解本发明，现在通过给出的例子并且参考附图描述一些实施例，其中：
附图1是本发明第一实施例的旋转耦合器的示意图。
参考图1，根据本发明，示出了旋转耦合器的两半，其包括定子1和转子2。在示出的轴向实施例中，转子2和定子1通过环形盘3，4形成，使用时其定位在旋转轴(未示出)上，并且具有彼此定向和彼此间隔开的环形面3a，4a，以便在它们之间没有直接的机械接触。
所述定子和转子盘3，4的正对环形面3a，4a中的每一个具有设置在其上的导电微波传输带5，6，其作为用于分别传输和接收信号的天线。所述定子的微波传输带5由与定子盘3同心的大致圆形圆弧限定，并且大致围绕定子盘3的面3a延伸，但是其末端A，B彼此分开，并且具有大致等于λ的电长度，所述λ是通过定子传输的信号的波长，因而在本领域中在终端‘A’和‘B’上使其不连续性达到最小。如果线路长度刚好等于1λ，那么线路损失最小，然后在终端‘A’所看到的瞬时信号的相位和幅度等于在‘B’端所看到的。这一特性很重要，以致耦合到转子微波传输带上的耦合量随着旋转而保持恒定。当信号的有效路径长度随着旋转而改变时，所改变的信号的唯一特性是相位。
信号从电路到终端‘A’和由形成定子盘3的主体的基质形成的接地平面之间进行输送。终端‘B’由电阻器连接到接地平面上，所述电阻值大致等于将信号输送到定子微波传输带5上的电路的特性阻抗。
所述转子的微波传输带6形成仅仅部分围绕轴延伸的圆形圆弧，所述转子使用时安装在终端‘C’和‘D’之间的所述轴上，所述微波传输带6具有等于λ/4的长度，其等于输送到定子上的信号的四分之一波长。所述转子盘4的主体也形成用于微波传输带6的接地平面，并且具有连接在终端‘C’和所述接地平面之间的传感器，以用于直接探测由所述定子和短接的终端‘D’传输到接地平面的信号。当然，应该理解的是，选择如上所述的特殊连接的端部也是适宜的，并且也可以进行互换，即终端‘C’可以短接到接地平面上，传感器连接在终端‘D’和接地平面之间。
在图1所示的实施例中，转子和定子微波传输带的弧的半径是相同的，但是它们不需要严格相同。另外，代替直接将终端‘D’短接到接地平面上，可以将电容器连接在终端‘D’和接地平面之间，以允许这种线路的有效长度的转变。在这种情况下，转子的微波传输带6的长度应该减小到小于最佳耦合的λ/4。另外，感应器可平行于终端‘C’的传感器设置，以允许从传感器反射的信号的幅度最佳。
在图1系统的另一实施例中，多个传感器设置在转子微波传输带上，其串连或并联连接到终端‘C’上。也可以在转子上设置多条微波传输带，每一条的长度为λ/4，每一条具有电连接到其终端‘C’上的传感器，每条所述的微波传输带通过相同的定子微波传输带进行询问。在另一种变更中，多条微波传输带可设置在定子上，并且具有不同的长度和以不同波长的信号进行操作，然后每条定子微波传输带通过其长度的适当固定接头转向成相应的转子微波传输带。
优选的是，所述定子微波传输带的长度稍微不同于λ，或者定子负载电阻稍微不同于特性阻抗，以便随着转动振幅上升。以这种方式，可以测量旋转的角度或速度。
在图1的实施例中，定子微波传输带需要长度λ，这一事实对系统的机械设计强加限制，至于给定的电介质其固定耦合器的直径。这种缺陷在图2的选择实施例中得以克服，通过构造定子微波传输带15以沿大致圆形的路径延伸，但是成波浪形远离平均半径，以增加线路的长度。例如，这通过在平均半径的每一侧径向具有Z字形线路或者通过不规则的波浪形路径来获得。图2清楚地示出，转子微波传输带仍然为平滑的圆形圆弧，其等于大致λ/4并且具有大致等于由定子线路限定的基本圆形圆弧路径的平均半径的半径。以这种方式，可以以更小的平均直径包装具有相同电长度的定子线路。
在图2实施例的另一改进中，如图4所示，改变转子32的转子微波传输带36以包围径向宽度，该径向宽度大致等于设置在定子31上的波浪形定子微波传输带35的最大和最小半径位置之间的径向距离，即转子微波传输带36的有效宽度大致等于设置在定子31上的定子微波传输带35上的有效宽度。所述转子微波传输带的长度优选小于或等于λ/4。在该系统中，所述转子微波传输带可以由弓形带线路形成，所述平均弓形路径的长度优选小于或等于λ/4。
图3示出了另一实施例，其中转子22和定子21是圆柱形状并且转子22共心设置在定子21内，以便共同运转的内部和外部圆柱面彼此正对和分隔开且不接触。微波传输带25，26设置在正对面上，以便围绕内部和外部圆柱面周向延伸，所述定子微波传输带25具有大致等于λ的长度，所述转子微波传输带26具有大致等于λ/4的长度。所述定子微波传输带2 5沿大致圆形路径延伸，其端部如前述实施例一样彼此间隔开，并且可以构成波浪形路径，所述波浪形从平均路径轴向延伸，以便在不增加定子圆柱体的半径的情况下来增加电长度。
Claims (21)
1.一种旋转耦合器，其包括具有第一表面(3a)的定子(1)和具有第二表面(4a)的转子(2)，所述第一和第二表面(3a，4a)分隔开并且彼此正对；设置在所述定子(1)的第一表面(3a)上、形成传输线并具有分隔开的末端(A，B)的第一导电线路(5)和设置在所述转子(2)的第二表面(4a)上、也形成传输线并具有分隔开的末端(C，D)的第二导电线路(6)，所述第一线路(5)的一端(A)使用时连接到信号发生装置上，所述第一线路的另一端(B)通过大致等于所述传输线的特性阻抗的电阻器接地，所述第一线路(5)沿大致围绕所述定子(1)的第一表面(3a)的基本圆形圆弧延伸，所述第一线路(5)具有一长度，该长度大致等于使用时由所述信号发生装置所产生的信号的波长整数，所述第二线路(6)沿大致围绕所述转子(2)的第二表面(4a)的基本圆形圆弧延伸，所述第二线路(6)的长度小于第一线路(5)的长度。
2.如权利要求1所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第二线路(6)的长度小于或大致等于使用时由所述信号发生装置所产生信号的四分之一波长。
3.如权利要求1或2所述的旋转耦合器，其特征在于，定子(1)和转子(2)中的每一个由一基片形成，所述基片具有形成在其上设置线路(5，6)的接地平面的导电衬垫。
4.如上述权利要求任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，传感器连接在第二线路(6)一个端部(C)和大地之间。
5.如权利要求4所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第二线路(6)的另一端部(D)直接连接到大地上，所述第二线路优选具有一长度，该长度大致等于或小于使用时由所述信号发生装置所产生的信号的四分之一波长。
6.如权利要求4所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第二线路(6)的另一端部(D)通过电容器连接到大地上，所述第二线路优选具有一长度，该长度小于由所述信号发生装置所产生信号的四分之一波长。
7.如上述权利要求任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第一线路(5)沿正好小于360度的大致圆形圆弧延伸。
8.如上述权利要求任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第一线路(5)沿与所述轴同心的大致平滑的圆形圆弧延伸，使用时所述定子(1)安装在所述轴上。
9.如权利要求1-7任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第一线路(15)沿越过第一表面的波浪形路径延伸，该路径重复穿过限定第一线路(15)的平均路径的圆形圆弧。
10.如上述权利要求任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第二线路(6)沿与所述轴同心的大致平滑的圆形圆弧延伸，使用时所述转子(2)安装在所述轴上。
11.如权利要求1-9任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第二线路(37)沿越过第二表面的波浪形路径延伸，该路径重复穿过限定第一线路(35)的平均路径的圆形圆弧。
12.如权利要求11所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第二线路(36，37)包括基本圆形圆弧，其具有许多从其中延伸的周向间隔的径向路线。
13.如权利要求10-12任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第一线路的有效径向宽度大致等于所述第二线路的有效径向宽度。
14.如上述权利要求任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，所述定子(1)和转子(2)通过一对环形盘(3，4)形成，所述环形盘同心安装在所述轴上并且彼此轴向间隔，所述第一和第二表面(3a，4a)由正对所述盘(3，4)的轴向环形面形成。
15.如权利要求1-13任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，定子(21)和转子(22)中的每一个形成圆柱件，所述第一和第二线路设置在所述定子(21)和转子(22)的各自的圆柱面上。
16.如权利要求15所述的旋转耦合器，其特征在于，所述转子(22)同心设置在所述定子(21)内并且与所述定子(21)轴向对齐，所述转子具有稍微小于定子的内部直径的外部直径，以便所述第一和第二线路径向间隔开。
17.如权利要求16所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第一线路设置在所述定子的内部圆柱面上，所述第二线路设置在所述转子的外部圆柱面上。
18.如从属于权利要求8的权利要求15-17任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，第一线路波浪形轴向穿过所述第一表面。
19.如上述权利要求任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，所述第二线路(6)沿与所述轴同心的大致平滑的圆形圆弧延伸，所述转子(2，12)安装在所述轴上。
20.如上述权利要求任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，许多线路设置在所述转子(2，12，22)的第二表面上，转子上的每一条线路与转子上的其它线路分离。
21.如上述权利要求任一项所述的旋转耦合器，其特征在于，多个传感器连接到设置在转子上的线路上或者转子上的每条线路上。
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