CN101578743B - 高频鼓型滑动环模块 - Google Patents

Abstract

一种使用在接触型通信系统中的高频鼓型滑动环模块(100)。该模块使用PCB技术构造，从而构造多个层叠的导电环(102)以及将这些导电环电气隔离的多个介电层(104)。这些介电层中的每一个包括中央布置的孔(107)。该模块还包括布置在该中央布置的孔内的圆柱形接地面(108)。该模块被配置为在该模块的外表面处提供对每一个环的电气连接。每一组馈送线通路可以被设计为具有对每个环组的连接的阻抗受控传输线。本发明中描述的结构可以形成具有从DC到5GHz或者更高带宽的滑动环传输线结构，使得可以使用该滑动环来传输数G比特的数字信号流。

Description

高频鼓型滑动环模块

技术领域

本发明总地来说涉及一种电气滑动环(slip-ring)，并且，更具体地涉及能够传输高频信号的改进的鼓型滑动环模块。

背景技术

接触型滑动环已经被广泛地应用于在两个彼此之间相互转动的元件(如转子和定子)之间传输信号。现有技术的这种滑动环使用安装在定子上的由贵金属合金制成的导电探针以实现与转动环之间接触。这些探针，或者滑动接触件通常使用圆形电线、合成材料、按钮触头、或者多纤维光纤刷构成。滑动环的彼此协同的同心接触环通常被形成为提供一种适合于探针或滑动环接触件的剖面形状。典型的环形状包括V形槽，U形槽和平面状环。类似的设计被应用在表现出相对平移运动而非相对转动并且使用鼓型滑动环的系统中。

当通过滑动环传输高频信号时，限制传输速率的一个主要因素是波形的畸变，这是由于来自阻抗的不连续性的反射造成的。阻抗的不连续性会贯穿于滑动环在不同形式的传输线相互连接并且具有不同电涌阻抗之处发生。显著的阻抗不匹配经常发生在传输线将滑动环互连到外部接口处、在电刷接触结构处、以及传输线将这些电刷接触结构连接到它们的外部接口处。高频信号的严重畸变可能从传输线的这些阻抗不匹配转换中的任意一个中发生，将该畸变混合到每个不匹配接口上。进一步的，严重的畸变也可能由于来自多个并行电刷连接的相位错误和滑动环内在的多径效应而发生。

由于超出了传输线的正常介电和集肤效应损耗的多种效应，通过滑动环损失的能量随着频率的增大而增加。这些效应包括电路共振、来自不匹配阻抗的多个反射、以及寄生的电感和电容电抗。一般来说，这些损耗是限制传输线高频性能的一个主要因素，特别是对于滑动环。因为这些因素对于接触型滑动环非常敏感，已有其它的技术被开发出来。穿过转动接口的高频模拟和数字通信也已经被其它技术所实现或者提出，例如光纤接口、电容耦合、电感耦合、以及通过干涉空间直接传输电磁辐射。然而，使用这些技术的系统的成本相对来说较高。

因此需要提供一种用于滑动环系统的接触型滑动环模块，其可以解决上面提到的问题，并提供一种易于制造并且经济的滑动环系统。

发明内容

本发明主要涉及一种应用在接触型通信系统中的鼓型滑动环模块。尤其是，由于这些结构中的阻抗受控传输线的构造，本发明的技术可以在鼓型滑动环中实现扩展的高频性能。印刷电路板技术提供了一种新型的用于实现高频鼓型滑动环的方法，其相对于传统技术具有显著的优点。PCB构造技术的细节将在下面给出，其后是对更加传统的层叠环方法的描述，该层叠环方法使用了产生高频滑动环所需的一些技术。

改进的滑动环模块包括多个层叠导电环，以及布置在导电环之间并对其进行电气隔离的多个交替的中间介电层。鼓型滑动环可以使用能够制造一厘米量级的厚度的PC板的多层印刷电路板技术来形成。每个介电层包括用于构造内部传输线馈送结构的装置，包括定位在中央布置的孔内的圆柱形接地面，其与环系统同轴布置。该模块被配置为在外表面处提供对滑动环的内部传输线的连接。

导电环由金属PCB层制造，该金属PCB层包括用于容纳来自电刷块传输线结构的滑动触点的槽。对环结构的馈送连接通过导电通路(via)结构来实现，这些导电通路结构被设置来产生阻抗受控的传输线。根据本发明构造的这种滑动环将会具有数G赫兹的操作带宽，并且在相对较小的结构中其共振将会出现在高达5G赫兹。尽管该滑动环结构可以为任何希望的尺寸，高频性能将会通过直径小于两厘米的小规模单元而增强。

内部馈送线结构用于支撑单端或者差分传输模式，使得可以实现对外部传输线，例如柔性或刚性PCB以及传统导线传输线的阻抗受控的接口。对环的多个馈送点扩展了滑动环的高频响应。滑动环通道间的串扰借助于中央接地面被控制，接地的金属层被包括在环组之间，并且位于滑动环内部的馈送线结构之间。

在括号中对于所公开的实施例中的相应部件、部分或表面的引用，仅仅是用于说明的目的而不是起限定作用，一方面，本发明提供一种改进的鼓型滑动环模块100，其主要包括：多个层叠的导电环(102)；用于电气隔离这些导电环的多个介电层(104)，其中每个介电层包括中央布置的孔(107)；以及布置在中央布置的孔内的圆柱形接地面(108)；其中该模块被配置为在模块外表面处提供对每个环的电气连接。

任意尺寸的改进的模块可以使用印刷电路板(PCB)技术而构成。滑动环可以具有优化的高频性能，具有数G赫兹的操作带宽。改进的模块可以被构造为具有任何尺寸的直径。每个环可以被耦合到掩埋的馈送线，该掩埋的馈送线通过馈送线通路被耦合到模块的外表面以便连接到外部设备。这些环可以被分为第一环组和第二环组，每组包括至少两个环，并且模块进一步包括耦合在第一环组和第二环组之间的屏蔽层，其中该屏蔽层被电气地耦合到圆柱形接地面。

另一方面，本发明提供一种改进的鼓型滑动环模块(200)，其主要包括：多个层叠的导电环(202)；将这些导电环电气隔离的多个介电层(204)，其中每个介电层包括中央布置的孔(207)；以及布置在中央布置的孔内的圆柱形接地面(208)，其中该模块被配置为在模块外表面处提供对每个环的电气连接，并且其中滑动环模块使用印刷电路板(PCB)技术构造。

该改进的滑动环模块可以使用单独层叠的环和绝缘体来构造。每个环可以被耦合到掩埋馈送线，该掩埋馈送线通过通路传输线结构被耦合到模块的外表面以便与外部设备相连接。

在另一个方面，本发明提供一种改进的鼓型滑动环模块(200)，其主要包括：多个层叠并垂直间隔的导电环(202)；布置在这些导电环之间并将这些导电环电气隔离的多个中间介电层(204)，其中每个介电层包括中央布置的孔(207)；布置在中央布置的孔内的圆柱形接地面(208)，其中该模块被配置为在模块外表面处提供对每个环的电气连接；以及至少一个布置在两个环之间并电气地耦合到圆柱形接地面的屏蔽层(212)。

通过参考下面的说明书、权利要求以及附图，本领域技术人员将会进一步的理解和认识到本发明的这些以及其它特征、优点以及目的。

附图说明

附图1是包括九个导电环和三个传输线结构的鼓型滑动环模块的透视图。

附图1A是附图1中模块的底部平面图。

附图2是具有六个导电环和一个屏蔽层的鼓型滑动环模块的轴向剖面视图。

附图3是鼓型滑动环模块的顶部平面视图，其示出了对一个导电环的单个馈送点连接。

附图4是鼓型滑动环模块的顶部平面视图，其应用了对导电环的正交馈送。

附图5是示出了一个具有电气连接器的完整滑动环组件的实施例的透视图，其示出了刚性和柔性的阻抗受控传输线结构。

具体实施方式

在开始，需要清楚地理解的是，在多个附图中相似的附图标记意味着标识相同的结构元件、部分或表面，这些元件、部分或表面可能进一步地通过整个说明书来描述或解释，此处的详细描述是整个说明书的一部分。除非另外说明，期望附图与说明书一起来理解(如交叉影线，元件的布置、比例、角度等)，并且它们都应被视为本发明整个说明书的一部分。如在下面的描述中使用的，术语“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”和“下”，以及由它们得到的形容词和副词形式(如“水平地”，“向右”，“向上”等)，仅是简单地表示当这个特定附图面对读者时，所示出的结构的方向而已。类似地，术语“向内”和“向外”一般指的是一个表面相对于其延长轴线或者转动轴线的适当的方向。

根据本发明的多个实施例，改进的高频鼓型滑动环模块可以使用新颖的印刷电路板(PCB)构造技术来制造。该滑动环模块的高频操作由于该鼓型滑动环模块相对较小的尺寸以及PCB构造而得到增强，这将会很容易地实现受控阻抗传输线结构。鼓型滑动环模块可以使用PCB技术来制造，从而得到非常厚(例如，10盎司)的铜片和中间接合片。该PCB叠层可以很容易地构造到大于一厘米的厚度，从而在单个板上提供多个鼓型滑动环模块。这些模块然后被从面板上切割，并且这些环被加工从而提供光滑的圆柱形外表面。在滑动环模块外边缘处的厚铜环然后通过机械加工形成凹槽等。这些凹槽然后被镀上所希望的贵金属，使用多种配置的可移除汇流排系统以便实现到已镀环凹槽的公共电气连接。

一般的，对这些环的连接通过传输线结构而便于实现，该传输线结构包括一个镀通通路(plated-through via)，该通路以一种希望的物理结构被配置，从而提供希望的阻抗受控传输线。在典型的应用中，馈送线连接通过馈送线通路结构的一端而形成，并且终端电阻穿过该馈送线通路结构的相对端被施加，沿着馈送线通路的中间长度形成对这些环中适当的一个环的连接。在一个示例性的鼓型滑动环模块中，实现了九个活动环(如，被配置为三个或四个环的三个组，以与屏蔽双绞线或双同轴传输线一起使用)。馈送线通路通常被配置为穿过滑动环PCB的整个厚度，并在相反的表面离开，尽管也可以采用盲孔结构。如上面所提到的，焊盘可以被应用以便于表面安装或埋入式电阻终端的连接。需要理解的是，滑动环模块的这些环可以以多种方式被馈送，包括从单点连接到多点连接。典型地，馈送点的数量被选择为带宽和阻抗的函数。

需要理解的是，根据本发明配置的鼓型滑动环模块可以通过多种不同的方法来构造。一般的，当导电环为相对较厚(如十盎司)的铜时，接合片的流动能力应该被考虑以便适当地填充铜空腔。在鼓型滑动环模块中使用的材料的介电常数和损耗角正切电气性能也应该被考虑以便在更高的信号速度(如1GHz以及更高)时提供希望的带宽。通常，选择材料时需要考虑接合片相对于铜和芯材料表面的粘结性能。进一步的，还需要考虑对于镀层孔壁的纯树脂区域的镀敷粘结性能。另外，也可以选择易于在车床上加工的材料。当选择用于滑动环模块的材料时，还需要考虑Z轴膨胀，其影响用于最终产品热和机械要求的镀通孔可靠性。

一般地，该实现的接合系统应该提供超过通常工业流动和填充要求的流动参数。必须针对所使用的任何材料类型识别增加流动性的因素。典型地，材料流动参数主要受到热量上升、层叠压力和接合片玻璃编织类型以及相关联的初始环氧树脂含量的影响。热量上升增加，与其它因素一起，通常增加接合片填充铜空腔的能力，例如蚀刻的10盎司铜。层叠压力也可以影响环氧的流动和填充能力。进一步的，还可以使用具有更高典型树脂含量的接合片来提高流动和填充。

介电常数和损耗角正切可以显著地影响带宽，特别是在频率超过1GHz时。一般的，应该基于结构的可靠性和高速信号性能选择用于模块的材料。

根据本发明，可以容易地制造具有在大约0.280英寸和0.480英寸之间的厚度，且最终孔尺寸镀层部分比率达到14比1的滑动环。

参考附图1和1A，鼓型滑动环模块100被示出，其包括多个环，分别被标识为102，被多个中间介电层104分隔开，这些中间介电层104将这些导电环102电气隔离。如在附图1A中穿过预部介电层104示出的那样，模块100包括多个掩埋的馈送线106，它们被耦合到多个馈送线通路110中的不同的一个，这些通路110从模块100的一个表面延伸到模块100的相反表面上。模块100还包括中央接地面通路108，其被中央布置在穿过环102和介电层104设置的孔107内。在典型应用中，每个导电环102的外部边缘包括用于容纳电刷块的触头的凹槽。使用这里所提出的方法，可以构造具有超过约一厘米的厚度的模块。在一个应用中，导电环102的厚度可选择为大约15密耳(mil)(例如10盎司/平方英尺的铜密度)。需要理解的是，滑动环模块可以用具有大于或者小于10盎司铜的厚度的导电环来构造。

附图2示出了鼓型滑动环模块200，其具有六个导电环202，连同相关联的馈送线206，以及三个屏蔽层212。环202通过介电层204彼此之间被电气隔离，并与中央通路接地面208也电气隔离。如示出的那样，屏蔽层212被连接到布置在孔207内的中央通路接地面208。

参考附图3，示出了包括单点馈送线306的鼓型滑动环模块300的一个相关部分。如示出的那样，介电层304将中央通路接地面308与环302电气隔离。每个环302通过不同的单点馈送线306被连接到不同的馈送线通路310。

转到附图4，其示出了一种与附图3中的模块300相类似的鼓型滑动环模块400，不同之处在于模块400包括具有正交馈送线406的环402，正交馈送线406将环402中的每一个耦合到多个馈送线通路410中的一个。与模块300相似，模块400包括介电层404，其将环402彼此之间电气隔离并且与中央通路接地面408(布置在孔407内)电气隔离。

因此，这里描述了鼓型滑动环模块以及制造该模块的方法，其提供了能够在超过5GHz的频率操作的相对较小的模块。用于输入和输出连接至高频滑动环模块的传输馈送线结构将组件完成，从而形成节约成本和易于制造的设计。附图5示出了一个这样的实施例，其包括利用阻抗受控印刷电路板技术实现的外部馈送线，该技术使用刚性和柔性基底以制造多通道高频滑动环模块。在附图5中，滑动环模块500与电气连接器502一起被安装到刚性PC板501上，并且阻抗受控传输线将滑动环模块和连接器相互连接。滑动电气触头503被安装到柔性传输线504，该柔性传输线504还被安装到电气连接器505，同样利用阻抗受控传输线实现相互连接。

高频滑动环模块可以通过使用更传统的层叠环技术来实现，通过并入中央金属接地面圆筒，以及提供对这些环的阻抗受控传输线连接，使其具有PCB技术的一些优点，包括与示出PCB技术的附图中示出的这些相似的几何形状。

上面的描述仅被视为本发明的优选实施例。对本领域技术人员和应用或使用本发明的人员来说，本发明还可以具有多种变形方式。因此，需要知道的是，在附图中示出的以及上面描述的这些实施方式仅仅是出于示意的目的，并不是对本发明范围的限制，本发明的范围是由下面的权利要求来限定的，根据专利法相关条款的解释，这些权利要求的保护范围还包括其等同替代方式。

Claims (5)

1.一种鼓型滑动环模块，包括：

多个层叠的导电环；

将所述导电环电气隔离的多个介电层，其中每个介电层包括中央布置的孔；以及

定位在所述中央布置的孔中的圆柱形接地面，其中该模块被配置成在该模块的外表面处提供对所述导电环中的每一个的电气连接；

其中所述导电环中的每一个被耦合到掩埋的馈送线，该掩埋的馈送线通过馈送线通路被耦合到该模块的外表面以便连接到外部设备；

所述导电环被分成第一环组和第二环组，每个环组包括至少两个导电环，并且其中该模块进一步包括：

耦合到第一环组和第二环组之间的屏蔽层，其中该屏蔽层被电气耦合到圆柱形接地面。

2.权利要求1的模块，其中该模块通过印刷电路板技术来构造。

3.权利要求1的模块，其中该滑动环具有优化的高频性能，其具有数G赫兹的操作带宽。

4.权利要求1的模块，其中该模块的直径可以是任意的尺寸。

5.权利要求1的模块，其中该滑动环模块通过单独层叠的导电环和绝缘体来构造。

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