张 琳

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

中频信号汇流环是中频信号的传递装置，用于实现在设备的固定部分与旋转部分之间传递多路频率为几十兆赫至上百兆赫的中频信号。中频信号汇流环是典型的特种机电部件，其电气性能与其结构形式、材料选用和加工安装等密切相关，除了与一般信号汇流环有某些共同之处外，主要还涉及微波传输线、微波网络等方面的理论问题，在具体的工程设计中，还要兼顾电气指标和结构布局等方面的综合要求。针对上述情况，结合工程实例，从理论上研究中频信号汇流环设计中遇到的技术难点，提出解决建议经过论证、设计、加工装配、调试试验，得到了一些实践经验，为以后同类产品设计提供参考借鉴。

2 中频信号汇流环分析

中频信号汇流环的典型结构形式如图1所示，两端电缆的中心导体通过电刷与导电环的滑动接触而导通，电缆的屏蔽网通过接地极与地环接触连接。对于中频信号来说，汇流环的每一环均可看作为一个由矩形同轴线构成的圆环。信号从圆环的一点输入，而从另一点输出，输入输出点之间的相对位置是随时变化的。信号在汇流环中流经的路线如图2所示。若汇流环的环平均周长为S，图中下半段传输线的长度为L，上半段传输线长度则为S－L，则可将该中频信号汇流环作为等效并联网络进行分析，从微波网络角度来看，汇流环相当于在整个传输电路中插入了一个四端网络。

图2 信号流经路线示意图

对于中频信号汇流环，降低插入损耗是主要难点，当汇流环接入于信号源与负载之间时信号传输功率的衰减量即为汇流环的插入损耗。插入损耗包括有功损耗和无功损耗。有功损耗包括介质损耗、导电环及电刷的电阻损耗和接触电阻损耗等。经计算和测试，上述这些损耗均很小，一般为0.1dB左右，而由汇流环引入的无功损耗相对较大，由传输线理论可知，网络插损[2]可表示为:

式中 a11、a12、a21、a22与汇流环的电压转移矩阵A中系数有关，设定为:

式中Zc=Zh/Z0为汇流环的归一化阻抗;Zh为汇流环的特性阻抗;Z0为连接电缆的特性阻抗。

a=2π/λ;λ为传输信号的波长;S为汇流环中心导体的平均周长;L为信号输入点与信号输出点距离，见图2所示。

由式(2)可知，a11=a22，设 X=a12－a21则式(1)可简化为:

从中频信号汇流环的工作原理来看，上述插入损耗是客观存在的，并且随着动环转角变化而变化(即L为变化值)，从工程使用来说，在汇流环直径和传输信号频率一定的情况下，降低汇流环插入损耗，特别是降低插入损耗在转动中的波动值成为主要的设计难点。

3 降低中频信号汇流环插入损耗方法

一般工程应用场合中，由于汇流环的传输频率较低(＜30MHz)，故插入损耗较容易达到0.5dB以下，对于传输频率较高(＞60MHz)的情况，插入损耗的指标就难以达到，所以研究插入损耗与传输信号频率之间的关系，找到降低插入损耗的方法，对解决工程实际问题非常有意义。

3.1 当Zc=2时

工程设计中，传统上均选用Zc=2，这样当汇流环输入输出电缆相对成180°时，理论上达到完全匹配。

当s≤λ/2时，汇流环的特性参数X随汇流环转角θ变化为单调上升函数[2]，当 Zc=2时，－1≤X≤0，其中X0°= －tan(αs/2)，X180°=0。由此可推得插入损耗L 为汇流环转角θ的单调下降函数，在极限位置有:

图3 ΔLmax与 关系曲线

3.2 Zc的最佳选取问题

从图3可知，随着s的增大，插入损耗将随之增

计中极需解决的关键问题。

图4 =1/4时，L与θ的关系曲线

4 实测结果

研制汇流环的实物如图5所示。

图5 小型中频信号积叠式汇流环实物图

分析式(3)可知，L与X2有关，即只与X的绝对值有关。若选择某Zc使X180与X0的J绝对值相等，符号相反，则可使ΔLmax为最小。

研制汇流环为典型的接触式中频汇流环，传输信号频率为 30～60MHz，表 1为 Z0=50Ω，Zh=150Ω(Zc=3)的汇流环计算和实测结果。

表1 汇流环计算和测试结果(Zc=3)

表2为Z0=50Ω，Zh=100Ω(Zc=2)的汇流环计算和实测结果。

表2 汇流环计算和测试结果(Zc=2)

表中实测值均大于计算值0.2～0.3dB，这是由有功损耗和截面等效阻抗计算误差所致。

5 结束语

从以上分析和实测结果可知，只要合理选择汇流环特性阻抗值，可以将中频信号汇流环工作引起的插入损耗波动值降到最低。在工程设计中，当汇流环的传输信号频率和环心直径确定，即一定的情况下，可利用上述方法求最佳Z，继而c求得汇流环的截面等效阻抗值，再依此为依据，选用矩形同轴线特性阻抗计算式进行结构尺寸计算和结构设计。

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