一種用于信號傳輸?shù)男滦头墙佑|耦合裝置*

余 莉，馬子懿，馮涌泉，胡廣明

(航天科工慣性技術(shù)有限公司·北京·100074)

0 引 言

近幾年，在電動汽車充電樁、石油旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、智能家居、醫(yī)療、軌道交通、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中，開展了大量信號非接觸傳輸技術(shù)的研究。在非接觸通信系統(tǒng)中，耦合裝置是一種能形成電磁耦合的介質(zhì)?；ハ嗤ㄐ诺碾p方稱作原邊和副邊，傳輸裝置與原/副邊電路參數(shù)配合組成耦合諧振電路，實(shí)現(xiàn)原、副邊的模擬信號傳輸。通常，組成非接觸信號耦合的傳輸裝置是由能形成一定磁路互傳的兩組繞制在鐵磁材料的線包組成，由于作為重要組成部分的鐵磁材料[1-2]的存在，此類介質(zhì)存在以下諸多缺陷：

1)當(dāng)溫度變化范圍比較大時，鐵磁材料的磁導(dǎo)率會發(fā)生較大變化，相應(yīng)地，傳輸裝置上所測得的電感量也會發(fā)生較大變化，影響到耦合諧振電路的耦合參數(shù)，從而形成一些潛在的不穩(wěn)定性因素，影響到非接觸通信系統(tǒng)的可靠性。

2)由于鐵磁材料的易碎性，傳統(tǒng)的信號傳輸裝置在諸多振動量級較大的場合應(yīng)用受限。

3)由于磁芯材料無韌性，成型后的磁材都有一定的厚度，傳統(tǒng)的傳輸裝置不能實(shí)現(xiàn)軟接觸安裝和超薄安裝。

4)在實(shí)際生產(chǎn)中，特殊定制的磁芯加工存在著開模費(fèi)價格高、廢品率高的問題，這就決定了應(yīng)用者即使付出高昂代價，也不一定能夠得到一致性非常好的磁芯。

針對上述傳統(tǒng)非接觸磁材耦合裝置成本高，感量寬溫易變性、大量級振動應(yīng)用和旋轉(zhuǎn)端面安裝受限性，以及無法實(shí)現(xiàn)軟接觸安裝、超薄安裝等諸多問題，本文提出了一種新型的非接觸耦合裝置，利用印制銅線組或是多組導(dǎo)線繞制成型螺旋盤狀的方式形成電磁耦合介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了原、副邊通信。該新型裝置具有成本低、抗振性強(qiáng)、安裝方式靈活、能寬溫應(yīng)用等特點(diǎn)，同時適用于需要原、副邊相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的信號傳輸系統(tǒng)。

1 新型非接觸耦合裝置分析

一種用于信號傳輸?shù)男滦头墙佑|耦合裝置，包括原邊線包、副邊線包和可旋轉(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)，原邊線包、副邊線包均安裝在可旋轉(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)上，原邊線包、副邊線包之間形成信號耦合路徑，其組成示意圖如圖1所示。

圖1 一種用于信號傳輸?shù)鸟詈涎b置組成示意圖Fig.1 Composition of a coupling device for signal transmission

如圖1所示，原邊線包和副邊線包實(shí)際是一組或多組導(dǎo)線，或是一組或多組印制銅線組[3-5]；信號耦合路徑是指能夠在兩組線包間形成信號耦合的路徑。可旋轉(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)為一對獨(dú)立驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)軸，原邊線包或副邊線包分別固定在原、副邊軸上。原邊線包、副邊線包兩端或是同時靜止；或是一端靜止，另一端旋轉(zhuǎn)；或是兩端同時同向旋轉(zhuǎn)；或是兩端同時反向旋轉(zhuǎn)。

1.1 安裝優(yōu)勢和可旋轉(zhuǎn)特性

原/副邊線包采用螺旋盤狀線束的多組導(dǎo)線或印制銅線組，均不存在易碎性的問題，且制作成本低。對于采用螺旋盤狀線束的多組導(dǎo)線結(jié)構(gòu)安裝形式，由于線體本身是柔性的，灌膠成型工裝外形曲度可控，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要選擇張力、硬度適合的膠成型超薄且張力適度的線束體，實(shí)現(xiàn)超薄安裝和軟接觸安裝。對于印制板銅線組的實(shí)現(xiàn)方式，由于印制板的制造工藝越來越先進(jìn)，剛性印制板目前最高可達(dá)40層以上的銅線鋪疊，溫度適應(yīng)范圍在-70℃～200℃之間，其厚度可以輕松控制在1mm以內(nèi)。如果采用柔性印制板的實(shí)現(xiàn)方式，其生產(chǎn)工藝可以實(shí)現(xiàn)纖薄如紙片，彎曲度大，以及超薄安裝和軟接觸安裝。采用印制銅線組實(shí)現(xiàn)的原/副邊線包，其相對距離確定后，各自的電感量和互感在印制板可適應(yīng)的溫度范圍內(nèi)一致性非常好，完美地解決了傳統(tǒng)信號傳輸裝置的感量寬溫易變性、大量級振動應(yīng)用受限性的問題。

原邊線包或副邊線包可采用粘膠黏合、螺釘緊固或卡槽鑲嵌方式固定在原/副邊旋轉(zhuǎn)軸[6-7]上，如圖2(a)和(b)所示。

(a)粘膠黏合或螺釘緊固安裝方式 (b)卡槽鑲嵌固定方式圖2 線包在旋轉(zhuǎn)軸上的安裝方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of installation method of wire wrap on rotating shaft

如圖2(a)所示，用粘膠黏合的方式將原邊線包或副邊線包固定在旋轉(zhuǎn)軸的情況，主要針對導(dǎo)線灌膠成型螺旋盤狀線束和柔性印制板銅線組。這種灌膠成型后螺線盤線束合或柔性印制板銅線組中心位置均可以是實(shí)心或是空心，根據(jù)實(shí)際安裝空間，外形可以多變。原/副邊兩組線束在中心相對軸向偏差不大的前提下，可以找任一點(diǎn)黏合在原/副邊旋轉(zhuǎn)軸上。兩組線束中心不是指導(dǎo)線灌膠成型外形或是柔性印制板外圍的中心，而是指導(dǎo)線繞制的螺線盤中心或是柔性印制板中銅線組的中心。

如圖2(a)所示，用螺釘緊固的方式將原邊線包或副邊線包固定在旋轉(zhuǎn)軸的情況，適用于能在非磁材料和印制板上留出安裝孔位的原/副邊線包。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)原/副邊旋轉(zhuǎn)軸的安裝孔位，在原/副邊兩組線束中心相對軸向偏差不大的前提下，留出需要的安裝孔位，然后用螺釘將兩者固定，此種安裝方式牢固且易維修。

如圖2(b)所示，用卡槽鑲嵌的方式將原邊線包或副邊線包固定在旋轉(zhuǎn)軸的情況，適用于所有形式的原/副邊線包，此種安裝方式牢固且易維修。

如圖1所示，固定于旋轉(zhuǎn)軸的多種安裝方式不影響該裝置的互感耦合路徑，且相對運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)軸在空間放置可以是縱向的，可以是橫向的，也可以是任意角度偏移的。

1.2 線包實(shí)現(xiàn)的簡易性、多樣性和低成本特性

原邊線包和副邊線包可以是一組導(dǎo)線，一組導(dǎo)線是指用一根導(dǎo)線繞制成有兩個出線端的一組螺旋盤狀線束，螺旋盤可以為一層或多層。由于導(dǎo)線本體是柔性的，無法自成型固定成螺旋盤狀，一般采用灌膠成型或是將螺旋盤狀線束黏合在非磁性材料上成型的方式，成型后的線束外形根據(jù)實(shí)體安裝空間的需要是多變的，或是對稱形狀或是不對稱形狀。螺旋盤狀線束匝數(shù)N(1

圖3 空心螺旋盤狀線束示意圖Fig.3 Diagram of hollow rotary disc harness

原邊線包和副邊線包也可以是一組印制銅線組，一組印制銅線組是指在印制板上鋪設(shè)一根銅線繞制成有兩個出線端的一組非閉合環(huán)形銅線，印制板可以有一層或多層，多層間銅線通過過孔連接。印制板或是剛性印制板，或是柔性印制板，或是剛?cè)峤Y(jié)合印制板，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的安裝空間選擇，形狀多變。上述一組非閉合環(huán)形銅線，包括N匝環(huán)形銅線圈和兩個出線端(1

新型非接觸耦合裝置由于直接采用線包成型或者印制板走線等方式實(shí)現(xiàn)，也就不存在特殊定制的磁芯加工的問題，省去了磁芯的開模費(fèi)和加工成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)性推廣價值。

1.3 多組信號同時傳輸特性

原邊線包和副邊線包還可以采用多組導(dǎo)線和多組印制銅線組，多組導(dǎo)線和多組印制銅線組就是指多個一組導(dǎo)線和多個一組印制銅線組，用于不同頻率信號同時傳輸。鑒于后端信號處理的問題，在多組導(dǎo)線和多組印制銅線組傳輸?shù)男盘栴l率必須是跨量級出現(xiàn)，最多只能是超高頻、高頻、中頻、低頻四組同時傳輸。

2 新型非接觸耦合裝置的電氣特性分析

2.1 信號傳輸路徑分解

新型傳輸裝置的兩組線包間形成了信號傳輸?shù)穆窂?，具體指電生磁、磁生電的傳導(dǎo)路徑。不論是一根導(dǎo)線灌膠成型或是黏合成型的螺旋盤狀線束，還是在剛性或是柔性或是剛?cè)峤Y(jié)合的印制板上排布一組環(huán)形銅線，都相當(dāng)于將一條長長的金屬導(dǎo)線沿順時針或逆時針一個方向纏繞，形成一個扁平的螺線盤A。當(dāng)螺線盤A通電以后，螺線盤的每一匝都會產(chǎn)生磁場，對于每一匝相鄰的銅線之間電流方向?qū)偻嚓P(guān)系，它們產(chǎn)生的磁場形成疊加關(guān)系，利用右手螺旋定則(即安培定則[8])可以得到圖4所示的磁場H分布圖。

圖4 磁場分布示意圖Fig.4 Magnetic field distibution diagram

如圖4所示，當(dāng)另一螺線盤B置于螺線盤A產(chǎn)生的磁場中且做切割磁場的運(yùn)動時，必定產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，螺線盤B的安裝一般不會相對磁力線做來回切割運(yùn)動，而呈靜止?fàn)顟B(tài)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；只要對螺線盤A加載交變信號，磁場H即變?yōu)榻蛔兇艌?，螺線盤B無論靜止或是旋轉(zhuǎn)都能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；反之，對螺線盤B加載交變信號，磁場H即變?yōu)榻蛔兇艌觯菥€盤A也能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

上述螺線盤A或螺線盤B產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的幅值與兩螺線盤的距離[9]相關(guān)。距離越近，耦合信號越強(qiáng)，幅值越大；距離越遠(yuǎn)，耦合信號越弱，幅值越低。當(dāng)螺線盤A和螺線盤B之間的距離超過一定的磁場寬度時，信號無法進(jìn)行耦合諧振，耦合路徑不復(fù)存在。

2.2 耦合電路拓?fù)浞治?/h3>

傳輸裝置與原/副邊電路參數(shù)配合組成耦合諧振電路，其電路等效示意圖如圖5所示，圖5(a)是串聯(lián)耦合諧振，圖5(b)是并聯(lián)耦合諧振。從原邊出線端等效的電路參數(shù)是線匝內(nèi)阻R1和電感L1串聯(lián)，從副邊出線端等效的電路參數(shù)是線匝內(nèi)阻R2和電感L2串聯(lián)，原、副邊電感之間的互感系數(shù)為M。

(a)串聯(lián)耦合諧振電路等效示意圖

(b)并聯(lián)耦合諧振電路等效示意圖圖5 串、并聯(lián)耦合諧振電路等效示意圖Fig.5 Equivalent diagram of series and parallel coupling resonant circuit

3 實(shí)例設(shè)計(jì)及測試結(jié)果

3.1 實(shí)例設(shè)計(jì)

用于信號傳輸?shù)男滦头墙佑|耦合裝置實(shí)例設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了原/副邊信號的雙向通信。本實(shí)例中，原邊進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，副邊進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖6 新型非接觸耦合裝置實(shí)例設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Example design diagram of new non-contact coupling device

如圖6所示，用于信號傳輸?shù)男滦头墙佑|耦合裝置，包括原邊線包A、副邊線包B和可旋轉(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)，原邊線包A、副邊線包B分別安裝在可旋轉(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)的原/副邊旋轉(zhuǎn)軸上，原邊線包A和副邊線包B之間形成信號傳輸路徑。本實(shí)例中，原邊線包A和副邊線包B均是一組單層的印制銅線組，信號傳輸路徑是指兩印制銅線組間形成的信號傳輸路徑。本實(shí)例中，可旋轉(zhuǎn)安裝結(jié)構(gòu)是用卡槽鑲嵌的方式，將原邊線包A和副邊線包B采用螺釘緊固印制板的方式安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，如圖2(b)所示。

該實(shí)例的印制銅線組是在剛性印制板上鋪設(shè)一層非閉合環(huán)形銅線，剛性印制板為中心為空心的環(huán)形板。其中一組非閉合環(huán)形銅線包括10匝環(huán)形銅線圈和兩個出線端，兩個出線端是印制板銅線組的起點(diǎn)和終點(diǎn)，其位置根據(jù)走線槽的位置需要任意確定。

該實(shí)例的信號傳輸路徑是指印制銅線組間形成的信號傳輸諧振路徑，具體指電生磁、磁生電的傳導(dǎo)路徑，如圖4所示。當(dāng)印制板上排布一組環(huán)形銅線時，相當(dāng)于將一條長長的金屬導(dǎo)線沿順時針或逆時針方向纏繞，形成一個扁平的螺線盤A。當(dāng)螺線盤A通電以后，螺線盤的每一匝都會產(chǎn)生磁場，對于每一匝相鄰的銅線之間電流方向?qū)偻嚓P(guān)系，它們產(chǎn)生的磁場形成疊加關(guān)系，利用右手螺旋定則(即安培定則)可以得到圖4所示的磁場H分布圖。當(dāng)另一塊印制銅線組形成的螺線盤B置于螺線盤A產(chǎn)生的磁場中且做切割磁場的運(yùn)動時，必定產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，螺線盤B的安裝一般不會相對磁力線做來回切割運(yùn)動，而呈靜止?fàn)顟B(tài)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；只要對螺線盤A加載交變信號，磁場H即變?yōu)榻蛔兇艌觯菥€盤B無論靜止或是旋轉(zhuǎn)都能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；反之，對螺線盤B加載交變信號，磁場H即變?yōu)榻蛔兇艌?，螺線盤A也能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。

(1)

(2)

3.2 實(shí)例測試及結(jié)果

表1 副邊耦合信號的主要技術(shù)參數(shù)

表2 原邊耦合信號的主要技術(shù)參數(shù)

由表1和表2所列數(shù)據(jù)可以看出，從常溫到175℃環(huán)境變化時,副/原邊耦合信號的頻率不超過1%，正弦波峰值和波谷值在155℃環(huán)境下衰減小于常溫值的10%，在175℃環(huán)境下衰減小于常溫值的20%。這樣的變化量可以滿足后期解碼電路的冗余度設(shè)計(jì)，說明該裝置能夠適應(yīng)寬溫的應(yīng)用環(huán)境。

4 結(jié) 論

針對非接觸通信系統(tǒng)中的傳統(tǒng)耦合裝置所用鐵磁材料存在感量寬溫易變性、大量級振動應(yīng)用和旋轉(zhuǎn)端面安裝受限性等問題，新型耦合裝置采用印制銅線組或是多組導(dǎo)線繞制成型螺旋盤狀的方式替代傳統(tǒng)鐵磁材料形成通信介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)了原、副邊高質(zhì)量通信。

用于信號傳輸?shù)男滦头墙佑|耦合裝置，因?yàn)椴淮嬖诖挪牡牟捎茫饨绛h(huán)境溫度的適應(yīng)性僅僅取決于線纜、黏合膠或灌封膠的溫度特性，或是印制板材質(zhì)的溫度特性。通常情況下，-55℃～200℃的線纜，黏合膠或灌封膠都比較容易選取和購買，且能應(yīng)用于該范圍內(nèi)的印制板基材也不少。結(jié)合實(shí)例設(shè)計(jì)的卡槽鑲嵌式印制板安裝形式和耦合信號的多溫度試驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置具有安裝靈活、寬溫適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。