CN101836368B - 应用于无接触汇流环的传输线路 - Google Patents

Abstract

一种非接触式旋转接口，具有第一芯和第二芯，所述第一芯具有被耦合到第一芯的第一对平衡传输线路，且所述第二芯可相对于所述第一芯移动，具有被耦合到第二芯的第二对平衡传输线路且被配置为从第一对平衡传输线路接收信号。第一对平衡传输线路具有在第一发送线的第一末端处被耦合到第一收发机的第一发送线、在第一发送线的第二末端处被耦合到第一发送线的第二收发机、在第二发送线的第一末端处被耦合到第三收发机的第二发送线、以及在第二发送线的第二末端处被耦合到第二发送线的第四收发机。平衡传输线路可以是电路板上的电迹线。

Description

应用于无接触汇流环的传输线路

技术领域

本发明总体上涉及非接触式接口中的信号传输，更特别地涉及非接触式接口中的功率和信息传输。 

背景技术

许多系统要求在运动中的表面之间、诸如在旋转表面之间传输功率和/或信息。通常，这使用接触式或非接触式汇流环(slip rings)来实现(例如旋转变压器、旋转电接口、旋转电连接器、集电器、转环(swivels)、电旋转接头等)。汇流环系统耦合彼此相对旋转的汇流环的两部分之间的电信号。 

接触式汇流环通常由安装在轴上并与之绝缘的导电圈或带组成。系统旋转部分(诸如发电机的转子)被电连接到导电圈。固定接触件或刷与导电圈接触地运行，向系统的静态部分传输电功率或信号。 

接触式汇流环具有许多缺点，包括机械故障、火花、噪音引入、有限的功率和/或数据速率传输能力等。已经采用了非接触式汇流环来克服由接触式汇流环系统引入的某些缺点。 

非接触式汇流环系统已采用用于跨越汇流环系统的旋转和非旋转部分之间的小间隙传送信息的各种手段。例如，题为“Rotating headoptical transmitter for position measurement system”的美国专利No.6,452,668、题为“Method and optical receiver with easy setup meansfor use in position measurement systems”的美国专利No.6,630,993、题为“Versatile transmitter and receiver for position measurement”的美国专利No.6,870,608和题为“Contact-free slip ring for surveyinstrumentation”的美国专利No.7,187,823描述了跨越汇流环系统的旋转与非旋转部分之间的空隙发送信息的光学发送器的各种使用。此类系统需要高度精确的对准(例如微米水平对准)以保证正确的信号传输。因此，这些系统需要难以实现的制造和对准容差以便正确地运行。 

因此，需要有用于无接触汇流环中的数据和/或功率传输的改善的系统和方法。 

发明内容

本发明总体地提供非接触式旋转接口中的信息传输。在一个实施例中，非接触式旋转接口具有第一芯和第二芯，所述第一芯具有被耦合到第一芯的第一对平衡传输线路，且所述第二芯可相对于所述第一芯移动，具有被耦合到第二芯的第二对平衡传输线路且被配置为从第一对平衡传输线路接收信号。第一对平衡传输线路具有在第一发送线(transmit wire)的第一末端处被耦合到第一收发机的第一发送线、在第一发送线的第二末端处被耦合到第一发送线的第二收发机、在第二发送线的第一末端处被耦合到第三收发机的第二发送线、以及在第二发送线的第二末端处被耦合到第二发送线的第四收发机。在某些实施例中，平衡传输线路是电路板上的电迹线。 

通过参考以下详细说明和附图，本发明的这些及其它优点对于本领域的技术人员来所将是显而易见的。 

附图说明

图1描绘根据本发明的实施例的旋转接口的顶视图； 

图2描绘旋转接口顶芯的底侧透视图； 

图3描绘旋转接口底芯的顶侧透视图； 

图4描绘根据本发明的实施例的旋转接口的横截面侧视图； 

图5描绘根据本发明的实施例的单端平衡传输线路发送机； 

图6描绘根据本发明的实施例的平衡传输线路发送机； 

图7描绘根据本发明的实施例的传输线路接收机； 

图8描绘根据本发明的另一实施例的旋转接口的横截面侧视图；以及 

图9描绘根据本发明的一个实施例的非接触式接口的顶视图。 

具体实施方式

本发明的至少一个实施例提供利用传输线路跨越接口的旋转和非旋转部分之间的间隙发送信息的旋转接口。虽然在本发明中根据图1～4和图8的示例性实施例进行描述，但可以使用旋转接口(例如无接触汇流环等)的任何适当布局或实施方式。为了说明简单和明了，下面描述类似于转子-定子接口或旋转变压器的旋转接口。除非是为了描述本发明的需要，否则在本文中不对一般旋转接口的各种方面和元件进行详细描述。本领域的技术人员将认识到省略或简要提及的各种元件及其使用。 

图1描绘根据本发明的实施例的旋转接口100的顶视图。在至少一个实施例中，旋转接口100包括两个基本上类似的芯-顶芯102和底芯104(图3所示)。在某些实施例中，顶芯102和底芯104中的一者或两者被布置为可彼此相对旋转。也就是说，可以使顶芯102和底芯104中的任一者或两者绕着中心轴106旋转。 

图2描绘旋转接口100顶芯102的底侧透视图。如下文相对于图3～7进一步详细描述的那样，顶芯102可以是具有与底芯104类似的元件和特征的基本上类似但反转的(inverted)芯。顶芯102可以包括容纳绕组110的绕组通道108。在某些实施例中，顶芯102还可以包括迹线路径112和/或电子装置通道114。 

类似地，图3描绘旋转接口100底芯104的顶侧透视图。如下文相对于图4～7进一步详细描述的那样，底芯104可以是具有与顶芯102类似的元件和特征的基本上类似但反转的芯。底芯104可以包括容纳绕组118的绕组通道116，类似于顶芯102的绕组通道108和绕组110。在某些实施例中，底芯104还可以包括类似于迹线路径112和/或电子装置通道114的迹线路径120和/或电子装置通道122。 

图4描绘根据本发明的实施例的旋转接口100的横截面侧视图。如上文所讨论的，旋转接口100包括顶芯102和底芯104，每个具有各自的绕组通道108和116及绕组110和118。顶芯102和底芯104可以是非接触式的。也就是说，顶芯102和底芯104可以间隔开距离 D。距离D可以是非恒定距离。也就是说，当顶芯102和/或底芯104关于中心轴106旋转时，顶芯102的某些部分比其它部分更接近于底芯104。 

在至少一个实施例中，可以将迹线路径112和120实现为包括迹线板124和126，每个具有各自的传输线128和130(例如印刷在电路板上的线路迹线等)。在同一或替换实施例中，迹线路径112和120、迹线板124和126、和/或传输线128和130可以位于绕组通道108和116中或周围或顶芯102和底芯104的任何其它适当部分上。 

顶芯102和顶芯104可以是由任何适当材料(例如铁氧体等)形成的基本环形的芯，位于彼此相邻的位置，但间隔开距离D。此距离可以是预定的且可以是任何适当距离，使得在服从顶芯102与底芯104的制造容差的情况下，芯102、104在其中一者或两者绕着中心轴106旋转时将不会相互接触。在至少一个实施例中，距离D可以是约5/1000英寸。如下文将讨论的，由于采用传输线128、130，顶芯102和底芯104比传统非接触式汇流环要求较不严格的对准，因此距离D可以是非恒定距离。也就是说，即使顶芯102和/或底芯104是不规则形状的和/或相互之间不对准，传输线128和130的使用取消了对高精度对准的需要。 

绕组110和118可以是分别在绕组通道108和116中对准的磁耦合线圈，且可以是关于中心轴106基本对称的。这样，旋转接口100包括用于容纳绕组110、118的一对基本相同的环形芯102、104，绕组110、118能够在其之间以电感方式耦合功率。各芯102和104中的绕组110和118可以具有预定数目的缠绕线或单根线的许多缠绕(wrappings)。导线和/或缠绕的数目可以取决于所使用的线的规格。如下文相对于图5～7所讨论的那样，绕组110、118的每一缠绕线可以具有通过电子装置通道114和/或122连接到诸如收发机或整流器等元件的第一和第二末端。在旋转接口100的此类实施例中，磁通提供从顶芯102到底芯104的耦合和/或从底芯104到顶芯102的耦合。换言之，在顶芯102与底芯104之间提供跨越旋转接口100中的距离D 耦合能量的互感。 

可以向例如安装在铁氧体底芯104内部的绕组118施加功率。磁场线可以经由芯之间的间隙(例如距离D)在很大程度上通过铁氧体材料的低磁阻路径进入匹配顶芯102。可以在安装在顶芯102中的绕组110中感生电压，允许在芯102、104的绕组110、118之间传输功率。以类似方式，可以向例如安装在铁氧体顶芯102内部的绕组110施加功率。磁场线可以经由芯之间的间隙(例如距离D)在很大程度上通过铁氧体材料的低磁阻路径进入匹配底芯104。可以在安装在底芯104中的绕组118中感生电压，允许在芯102、104的绕组110、118之间传输功率。 

在同一或替换实施例中，可以使用此类旋转接口100来耦合元件之间的AC电功率，诸如通过在第一组与第二组功率电子装置(未示出)之间传递功率，其中，一组功率电子装置能够相对于另一组功率电子装置旋转。可以由旋转接口100的感应能量传输能力来提供电功率耦合。不同于传统接触式汇流环，此旋转接口100不实现顶芯102与底芯104之间的机械接触。因此，可以避免接触式汇流环的问题，诸如间断接触和火花。 

可以使用用于引导诸如电磁波或声波的能量的传输、以及电功率传输的任何适当装置来实现传输线128和130。例如，传输线128和130可以是印刷在诸如各个迹线板124和126等电路板上的传输线迹线，或者可以是导线、同轴电缆、电介质板、光纤、电源线、波导或其它等。在至少一个实施例中，传输线128和130是印刷在FR-4印刷电路板(PCB)上的迹线。当然，可以使用其它适当的PCB。 

可以使用传输线128和130来允许在顶芯102与底芯104之间传递电信号。虽然在本文中被表示为传输线128和130，本领域的技术人员应认识到在每个芯102、104中可以使用多个传输线。也就是说，传输线128和130每个可以包括一对或多对传输线。例如，传输线128和130可以包括用于每个通信方向的成对传输线(例如，用于从顶芯102向底芯104发送的一对和/或用于从底芯104向顶芯102发送的一 对)。传输线对可以是电驱动的并因此用作发送机(例如可以被配置为发送信号)。以互换方式，可以将传输线对用作接收机。通常，如下文所讨论的，传输线可以沿着其长度具有受控阻抗，并且被以类似匹配阻抗端接。 

在至少一个实施例中，传输线128和130可以是传输线对，其包括具有相等对地阻抗的相同类型的两个导体和其它电路。由于传输线迹线可能是相对小的，因此可以在旋转接口100中使用多对传输和/或接收传输线。由于传输线可以用作被“耦合”到另一芯中的接收传输线的一个芯中的传输线，所以传输线可以跨越距离D而相互紧密接近，无论顶芯102相对于底芯104的角位置如何。 

图5～7描绘使用旋转接口中的传输线的传输的各种实施例，诸如上文相对于图1～4所述的旋转接口100和下文相对于图8所述的旋转接口800。如下所示，可以跨越传输线和/或成对传输线使用单端和/或差分信号传送。这相对于跨越旋转接口中的空隙的信号传输的传统方法而言提供了改善，因为传输线不像在诸如光学传输的现有方法中需要的那样要求高度严格的对准。通常，以本发明的方式使用的传输线利用通常被视为缺点的传输线的某些方面。具体而言，在本发明中使用紧密接近于其它传输线的传输线。其之间的通信通常被视为有害效应，因此规定屏蔽作为结果的“串话”(例如传输线之间的干扰)。然而，在本发明中，使用此“串话”来以非传统方式发送信息。 

图5描绘根据本发明的实施例的单端平衡传输线发送机500。可以将发送机500实现为上述旋转接口100的一部分。例如，发送机500可以用作顶芯102中的传输线128和/或底芯104中的传输线130。 

发送机500包括被耦合到一对收发机504和506的信号发送机502。收发机504和506又被耦合到传输线512的第一线508(例如导线等)和第二线510(例如导线等)。在某些实施例中，第一线508和第二线510通过电阻器514和516被耦合到收发机504和506。传输线512被端接于终端电阻器518。 

发送机500可以被配置为发送任何适当信号，诸如沿着第一线508 和第二线510的互补信号。可以使用收发机504和506将来自信号发送机502的信号放大，并始终驱动传输线512阻抗。可以由诸如下文相对于图7所述的接收机700的任何适当传输线接收机来接收使用单端平衡发送机500发送的信号。 

图6描绘根据本发明的实施例的平衡传输线发送机600。可以将发送机600实现为上文相对于图1～4所述的旋转接口100和/或下文相对于图8所述的旋转接口800的一部分。例如，可以将发送机600用作顶芯102中的传输线128和/或底芯104中的传输线130。 

发送机600包括被耦合到多个收发机604的信号发送机602。收发机604又被耦合到传输线610(例如作为差分对等)的第一线6060(例如导线等)和第二线608(例如导线等)。在某些实施例中，第一线606和第二线608通过电阻器612被耦合到收发机604。 

发送机600可以被配置为发送任何适当信号，诸如被发送到第一线606和第二线608两者的两端的互补信号。可以使用收发机604将来自信号发送机602的信号放大并辅助在传输线610周围传播信号。可以由诸如下文相对于图7所述的接收机700的任何适当传输线接收机来接收使用平衡传输线发送机600发送的信号。 

图7描绘根据本发明的实施例的传输线接收机700。如上文一般讨论的，传输线接收机700可以位于靠近传输线发送机(例如单端平衡传输线发送机500、平衡传输线发送机600等)且信号可以在其之间传递。也就是说，位于芯(例如顶芯102或底芯104)中的发送传输线可以跨越空隙(例如距离D等)向位于相对(例如面对)芯中的传输线接收机700发送信号。由于发送传输线发送机500/600和接收传输线接收机700之间的“串话”的性质，传输线500/600可以相互接近(例如在小于200微米内)，但不要求严格的角对准。 

示例性传输线接收机700包括传输线702。在至少一个实施例中，传输线702是具有第一线704(例如导线等)和第二线706(例如导线等)的传输线对。传输线702通过第一线704和第二线706在平衡终端708中终止。平衡终端708可以包括具有匹配阻抗的一个或多个电 阻器710。由传输线接收机700通过传输线702接收到的信号可以通过平衡终端708被传递至差分接收机712以提升输入信号并降低共模干扰的噪声。 

在至少一个实施例中，平衡终端708可以具有约2dB的传输损耗以通过传输线702控制由于感生反向旋转信号而引起的输出回响(output ringring)。在同一或替换实施例中，差分接收机将具有一定迟滞和高增益。用某些链路几何结构，传输线之间的耦合可以稍微的弱；在这种情况下，在接收机中包括显著增益并提供某些接收机迟滞以排除噪声将是有利的。在来自传输线发送机500/600的信号变换(transition)时，将存在传输线发送机中流动的电流的变化，并且这将引起在接收传输线中流动的电流的变化；因此，导致与该单个变换相关的一部分信号被跨越空隙传递至传输线接收机700。由于跨越该间隙传递所有信号变换，所以可以在接收机的输出端处重构整个信号。当然，可以与本发明的上述各种实施例相结合地将传输线作为接收机的任何适当实施方式用作传输线接收机700。 

可以使用旋转接口的其它基本径向对称的布置来提供类似耦合和隔离，诸如图8所示的旋转接口800。与上文相对于图1～4所述相隔距离D的旋转接口100的顶芯102和底芯104相比，旋转接口800包括相隔管状间隙G的内同心圆筒802和外同心圆筒804。内圆筒802和外圆筒804两者均可以绕着中心轴106旋转。在操作中，这可以类似于如上所述的顶芯102和底芯104，但被修改为容纳圆筒802和804的同心布置。例如，内圆筒802可以具有用于容纳绕组808和/或传输线810的绕组通道806。在替换实施例中，可以将绕组808和/或传输线810中的一者或两者安装在内圆筒802上或周围的另一位置上，诸如在外边缘812上。类似地，外圆筒804可以具有用于容纳绕组816和/或传输线818的绕组通道814。在替换实施例中，可以将绕组816和/或传输线818中的一者或两者安装在外圆筒804上或周围的另一位置上，诸如在内边缘820上。如上文相对于图1～4一般描述和相对于图5～7具体描述的那样，可以将传输线810和818用作发送机和/或 接收机。 

当然，可以将跨越空隙发送信息的传输线的使用扩展至其它非旋转活动接口。例如，如图9所示，可以将传输线安装于间隔开小距离的两个横向部件。信息可以在其之间传递，因为横向元件中的一者或两者彼此之间纵向地和/或横向地移动。 

具体而言，图9描绘根据本发明的实施例的非接触式接口900的顶视图。非接触式接口900包括与第二部件904间隔开的第一部件902。也就是说，如上文相对于旋转接口100的芯102和104类似讨论的那样，第一部件902与第二部件904相隔距离D的间隙。第一部件902具有被耦合到部件的一部分的第一传输线906。类似地，第二部件904具有被耦合到部件的一部分的第二传输线908。如本领域的技术人员将理解的那样，可以将传输线906和908附着于、嵌入其各自部件中或其它方式与之相关联。在至少一个实施例中，传输线906和908被耦合到部件902和904的相对表面。 

部件902和904可以由任何适当的材料形成。在至少一个实施例中，部件902和904可以是系统中的必须相互通信的单独装置。传输线906和908可以是如上文相对于图5～7所述的传输线。在至少一个实施例中，传输线906和908可以类似于上述所讨论的发送传输线和接收传输线，但可以沿着各部件902和904基本上纵向地对准。在同一或替换实施例中，如上所述，传输线906和908可以是一个或多个电路板上的电迹线。 

应将前述详细说明理解为是在每个说明性和示例性而不是限制性方面，并且不应通过该详细说明、而是通过根据专利法许可的全部宽度所解释的权利要求来确定本文所公开的本发明的范围。应理解的是本文所示和所述的实施例仅仅说明本发明的原理，且在不脱离本发明的范围和精神的情况下本领域的技术人员可以实现各种修改。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员可以实现各种其它特征组合。 

Claims (6)

1.一种非接触式旋转接口，包括：

第一芯；

耦合到所述第一芯的第一对平衡传输线路；

相对于所述第一芯能旋转的第二芯；以及

第二对平衡传输线路，其被耦合到所述第二芯且被配置为从所述第一对平衡传输线路接收信号；

其中，所述第一对平衡传输线路包括：

第一发送线，其在所述第一发送线的第一末端处被耦合到第一收发机；

第二收发机，其在所述第一发送线的第二末端处被耦合到第一发送线；

第二发送线，其在所述第二发送线的第一末端处被耦合到第三收发机；以及

第四收发机，其在所述第二发送线的第二末端处被耦合到第二发送线。

2.一种非接触式旋转接口，包括：

第一芯；

耦合到所述第一芯的第一对平衡传输线路；

相对于所述第一芯能旋转的第二芯；以及

第二对平衡传输线路，其被耦合到所述第二芯且被配置为从所述第一对平衡传输线路接收信号；

其中，所述第一对平衡传输线路是被耦合到所述第一芯的第一电路板上的电迹线，且所述第二对平衡传输线路是被耦合到第二芯的第二电路板上的电迹线。

3.一种非接触式旋转接口，包括：

第一芯；

耦合到所述第一芯的第一对平衡传输线路；

相对于所述第一芯能旋转的第二芯；以及

第二对平衡传输线路，其被耦合到所述第二芯且被配置为从所述第一对平衡传输线路接收信号；

其中，所述第一对平衡传输线路包括：

第一发送线，其在所述第一发送线的第一末端处被耦合到终端点；

第一收发机，其在所述第一发送线的第二末端处被耦合到第一发送线；

第二发送线，其在所述第二发送线的第一末端处被耦合到所述终端点；以及

第二收发机，其在所述第二发送线的第二末端处被耦合到第二发送线。

4.一种非接触式接口，包括：

第一部件；

耦合到所述第一部件的第一传输线路；

相对于所述第一部件能旋转的第二部件；以及

第二传输线路，其被耦合到所述第二部件且被配置为从所述第一传输线路接收信号；

其中所述第一传输线路是一对平衡传输线路，并且所述第二传输线路是一对平衡传输线路；

其中，第一对平衡传输线路包括：

第一发送线，其在所述第一发送线的第一末端处被耦合到第一收发机；

第二收发机，其在所述第一发送线的第二末端处被耦合到第一发送线；

第二发送线，其在所述第二发送线的第一末端处被耦合到第三收发机；以及

第四收发机，其在所述第二发送线的第二末端处被耦合到第二发送线。

5.一种非接触式接口，包括：

第一部件；

耦合到所述第一部件的第一传输线路；

相对于所述第一部件能旋转的第二部件；以及

第二传输线路，其被耦合到所述第二部件且被配置为从所述第一传输线路接收信号；

其中所述第一传输线路是一对平衡传输线路，并且所述第二传输线路是一对平衡传输线路；

其中，第一对平衡传输线路是被耦合到所述第一部件的第一电路板上的电迹线，且第二对平衡传输线路是被耦合到第二部件的第二电路板上的电迹线。

6.一种非接触式接口，包括：

第一部件；

耦合到所述第一部件的第一传输线路；

相对于所述第一部件能旋转的第二部件；以及

第二传输线路，其被耦合到所述第二部件且被配置为从所述第一传输线路接收信号；

其中所述第一传输线路是第一对平衡传输线路，并且所述第二传输线路是第二对平衡传输线路；

其中，所述第一对平衡传输线路包括：

第一发送线，其在所述第一发送线的第一末端处被耦合到终端点；

第一收发机，其在所述第一发送线的第二末端处被耦合到第一发送线；

第二发送线，其在所述第二发送线的第一末端处被耦合到所述终端点；以及

第二收发机，其在所述第二发送线的第二末端处被耦合到第二发送线。

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