CN105993095A - 具有平面近场探头的高速数据链路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了改进的非接触旋转接头，用于穿过在两个可相对移动构件之间限定的界面传输电信号。该改进的非接触旋转接头广泛地包括：信号源(A)，操作上布置成提供高速数字数据输出信号；受控阻抗差动传输线(C)，具有源间隙(D)和端部间隙(E)；功率分配器(B)，操作上布置成从信号源接收高速数字数据输出信号，并且将其提供给受控阻抗差动线的源间隙；近场探头(G)，布置为与传输线相间隔，用于接收穿过界面发射的信号；以及接收电子设备(H)，操作上布置成接收由探头接收的信号；并且其中旋转接头展现了直到40GHz的超宽带宽频率响应能力。

Description

具有平面近场探头的高速数据链路

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年12月17日提交的美国临时专利申请No.61/917026的在先申请日的权益。

技术领域

本发明涉及改进的旋转接头，其能够在两个可相对移动的构件(例如，转子和定子)之间进行高速宽带宽电信号的传输而无需在其间使用滑动电触头。

背景技术

用于在相对于彼此可旋转的两个构件之间传导电信号的装置是本领域中公知的。这样的装置，一般称为旋转接头，尤其包括滑环和扭转盒。滑环通常用在构件之间需要无限制旋转时，而扭转盒通常用在构件之间只要求有限旋转时。

常规的滑环通常在构件之间采用滑动电触头。这些滑动电触头在大多数应用中工作良好，但是在较高频时具有约束电性能的内在弱点。电触头的物理结构通常表现出阻抗-匹配以及降低信号完整性的带宽约束。此外，滑动电触头固有地产生磨损产物/和微间歇现象，其使数据从数字信号的恢复复杂化而且消极地影响信号完整性和使用寿命。由于高速数字信号的快速上升沿和快速下降沿时间，这些问题被恶化，约束了滑环的高频性能。

存在不同的技术，将接触型滑环技术的使用扩展到更高频率和更高数据传输速率。这些技术在如下专利中代表性地示出和描述：

专利号	名称
		US6956445B2	宽带高频滑环系统
US7142071B2	宽带高频滑环系统
		US7559767B2	高频鼓型滑环模块
US6437656B1	宽带高数据率模拟和数字通信链路

存在接触型滑环技术，其允许数字电信号以每秒10吉比特(“Gbps”)数量级的数据传输速率高速传送。然而，滑动电触头中固有的问题(例如，磨损产物的产生和触头润滑问题)对可靠性表现出长期的约束。

本发明使得能够在转子和定子之间传输高频电信号，不需要滑动电触头。如下专利公开了现有的非接触旋转接头系统的方面：

这样的非接触系统包括装置，以便恢复穿过信号源和信号接收机之间的空间发送的电磁能。在射频("RF″)通信系统中，这样的装置被称作天线(或天线)，并且通常是工作在自由空间的传统远场电磁辐射中。与此相反，本发明提供旋转接头，利用电磁近场来影响穿过非常短距离的电通信。从电磁近场恢复能量的装置被称为“场探头”，或简称“探头”。

用于在电磁源的电抗近场中工作的装置采用与它们的远场对应装置不同的形式，具有磁环、电压探头，以及本领域已知的阻抗负载的偶极子。近场应用包括RFID标签和安全的低速数据转移，其在近场中利用磁感应。如本文所用的，“探头”是在电磁源的近场中工作的结构，而“天线”被保留为主要用于远场装置的那些辐射结构。本公开的主题包括电磁场探头，其在非接触旋转接头的近场中工作。

常规天线和近场探头展现出各种特性，当工作在1+Gbps数据传输速率时，该特性阻止或折衷它们在非接触旋转接头系统中的使用。这样的旋转接头系统要求超宽带(“UWB”)频率响应，以便传递数千兆比特数字数据的必要频率分量，以及展现高回波损耗和低失真脉冲响应，以保留信号的时域特性。此外，非接触旋转接头展现了这样的特性，其使被要求用来捕获穿过旋转间隙发送的能量的天线和场探头的设计复杂化。通常，非接触旋转接头展现出转子和定子之间的场强度随旋转的变化，展现出随着信号作为波在从信号源至传输线端部的传输线中传输的定向特性，而且在近场中可以甚至是不连续的。高频率的非接触旋转接头提供了用于近场探头设计的一系列特有的挑战。

在超宽带非接触旋转接头应用中的理想探头应当满足用于高数据速率的成功运行的七个标准。它应当：

(1)捕获可接受信噪比的足够能量；

(2)拥有足以适应信号的主要频率分量的带宽；

(3)展现高回波损耗，以控制内部反射并保留信号完整性；

(4)展现低失真脉冲响应以支持良好的信号完整性；

(5)适应发射器模式中的空值(null)，同时传送稳定信号；

(6)适应旋转接头的定向响应，同时维持稳定的输出信号；以及

(7)改善它自己的定向效果，同时保持前面的要求。

常规的现有技术天线和近场探头通常无法满足一个或多个上述要求。大多数现有技术天线和探头是窄带驻波装置，其缺乏用于适应(accommodate)数千兆比特视频数据流的宽带能量的频率响应和时域响应两者。小近场电压和电流探头可以展现合理的频率和脉冲响应，但是缺乏用于可接受信噪比的足够捕获面积(capture aera)。现代平面贴片天线和蝴蝶结UWB天线展现了用于近场探头的大部分所需特性，但是如其他现有技术的天线和探头，固有地不解决非接触旋转接头的定向特性，而同时与辐射图中的空值或不连续性作斗争。此外，大多数天线和近场探头展现出高频时它们自己的定向特性。此定向耦合器效果进一步复加了与非接触旋转接头的方向性相关的问题。上述效果的组合显示为从典型近场探头输出的信号的变化可以超过20分贝，并且可以表现出对信号恢复的重大挑战。

同时满足所有这些要求是本发明的主题。本发明扩展了现有技术并克服了先前的旋转接头方案的缺点。本发明展现如下特性，并提供：

(1)高速旋转接头，在信号通道中没有电触头；以及

(2)其改善了频率探头和天线在高频时的定向特性；以及

(3)其适应旋转接头中的不连续场响应(空值)；以及

(4)其拥有用于高信噪比的良好捕获面积；以及

(5)具有可接受的回波损耗；以及

(6)其展现直到40GHz的超宽带宽频率响应；以及

(7)其能够支持每秒10+吉比特的数据传输速率。

发明内容

通过附加地参考所公开实施例的相应部件、部分或表面，仅仅出于举例说明的目的并且不通过限制的方式，本发明提供了改进的非接触旋转接头，用于穿过在两个可相对移动构件之间限定的界面传输电信号。改进的非接触旋转接头广泛地包括：信号源(A)，操作上布置成提供高速数字数据输出信号；受控阻抗差动传输线(C)，具有源间隙(D)和端部间隙(E)；功率分配器(B)，操作上布置成从信号源接收高速数字数据输出信号，并且将其提供给受控阻抗差动线的源间隙；近场探头(G)，布置为与传输线相间隔，用于接收穿过界面发射的信号；以及接收电子设备(H)，操作上布置成接收由探头接收的信号；并且其中旋转接头展现直到40GHz的超宽带宽频率响应能力。

该改进的接头还可以包括印刷电路板，而且该功率分配器可以被嵌入印刷电路板中。

该改进的接头还可以包括印刷电路板，而且传输线可以具有至少一个端部，其被嵌入印刷电路板中。

该改进的接头能够支持超过10Gbps的数据传输速率。

探头可以被悬在传输线上方某个距离处。

近场探头可以包括图案几何形状内的或者是确定的或者是不确定的不连续几何形状。

近场探头可以具有平面的部分。

相应地，本发明的一般目标是提供改进的非接触旋转接头，用于穿过在两个可相对移动构件之间限定的界面传输电信号。

另一个目标是提供(1)高速旋转接头，在信号通道中没有电触头；以及(2)其改善了频率探头和天线在高频时的定向特性；以及(3)其适应旋转接头中的不连续场响应(空值)；以及(4)其拥有用于高信噪比的良好捕获面积；以及(5)其具有可接受的回波损耗；以及(6)其展现直到40GHz的超宽带宽频率响应；以及(7)其能够支持直到每秒10+吉比特的数据传输速率。

根据上述和下面的书面说明书、附图以及附属的权利要求书，这些和其他目的和优点将变得明显。

附图说明

图1是改进的非接触旋转接头的示意图。

图2是RF传输源间隙的示意图。

图3是RF传输线端部间隙的示意图。

图4是具有不连续几何形状的近场探头的示意图。

图5是在端部间隙累加的信号的示意图。

图6是在源间隙累加的空值信号的示意图。

图7示出了通过局部反射填充源间隙空值。

图8示出了集成电路(“IC”))线焊至探头结构。

图9示出了接合到探头结构的倒装片。

图10示出了结合到各种探头结构的阻抗材料的几种形式。

图11A是接收的在每秒1.0吉比特的眼图的视图。

图11B是接收的在每秒7.0吉比特的眼图的视图。

图12A是利用低Z探测器的近场探头波形图。

图12B是利用高Z探测器的近场探头波形图。

具体实施方式

一开始，应当清楚地理解，相同附图标记在几个附图中一贯地被用于识别相同的结构元件、部分或表面，因为这些元件、部分或表面通过整个书面说明书可以被进一步描述或解释，其详细说明是整体的部分。除非另有说明，附图被用于连同说明书一起被阅读(例如，交叉影线，部件排列、比例、程度等)，并且被认为是本发明的整体书面说明书的一部分。如以下描述中所使用的，术语“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”和“下”，以及它们的形容词和副词衍生(例如，“水平地”、“向右地”、“向上地”等)简单地是指当具体附图朝向读者时所示结构的方向。类似地，术语“向内地”和“向外地”通常酌情地是指表面相对于它的延伸轴或旋转轴的方向。

一方面，本发明提供了非接触旋转接头(“NCRJ”)，其基于例如在US 6,437,656 B1中公开的高速数据链路(“HSDL”)，并且可以被认为是对于其中描述的结构的改进。该改进扩展了现有技术的HSDL技术，以包括穿过在两个相对可移动构件之间的中介界面的高速数据信号的传输，而无需在信号通道中使用滑动电触头。本发明包括由信号源通过功率分配器驱动的且阻抗性端接在远端的分离差动微带传输线(split differential microstrip transmission line)，以及接收机，该接收机包括平面差动场探头，该探头感测发射机差动微带的近场并将恢复的信号能量传送至电子接收机用于检测。差动近场探头具有超宽带响应，以优化捕获面积、带宽、阻抗、回波损耗以及在近场中的瞬态响应，同时消除对远场的辐射。近场探头实质上作为低于几千兆赫兹的赫兹偶极子工作，并且作为厘米波长的行波探头工作。本发明提供了高速非接触旋转接头(“HS-NCRJ”)，它可以用印刷电路板(“PCB”)技术而被实施，而且能够支持多个吉比特的数据传输速率，具有直到40千兆赫(“GHz”)的频域带宽。

近场探头的特性适应非接触旋转接头的各种有问题特性，包括近场响应的定向和不连续的性质。探头采取利用不同的几何形状来产生几种效果，在非接触旋转接头中有益于工作的这些效果，包括：

(1)在探头馈电点附近有意的信号反射；

(2)通过电抗负载增加的带宽；和

(3)通过电抗和/或阻抗负载的增加的回波损耗。

在探头的所选部分中的不同几何形状通过在探头内故意地诱发信号反射以改善数据传输线的不连续场特性。图1作为系统框图示出了非接触旋转接头的性质。

在图1中，信号源(A)用于把高速数字数据信号传送至功率分配器(B)(可以是有源或无源的)，其中信号传递通过源间隙(D)并进入受控阻抗差动传输线(C)。然后信号作为横向电磁波(“TEM”)在差动传输线环形结构上传播至信号通过宽带端接技术(F)端接于远端端部间隙(E)的地方。在环形传输线上传输的TEM信号在近场中由超宽带平面近场探头(G)采样，探头(G)被悬在环形结构上方某个距离处，以允许旋转接头的自由转动，而没有物理接触。由近场探头恢复的信号被传送到接收机(H)，在此信号能够被检测、放大并且它的数据被恢复。各个元件的工作将在下文进行描述和示出。

数据源驱动器和功率分配器

数据源驱动器(A)可以是具有所需数据速率的许多技术中的任何一种，包括电流型逻辑(“CML”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)、低电压差动信号(“LVDS”)装置，以及其他离散装置。数据信号被分成两个幅值相等相位相反信号，用于向差动环系统提供能够通过无源阻抗性分配器或通过有源技术(例如，CML扇出缓冲器)来实现的功能。例如，1∶2扇出缓冲器能够驱动单个数据通道，同时更大等级的扇出缓冲器能够驱动用于高可靠性应用的多个冗余通道。非接触旋转接头的单端工作也是可能的，虽然放弃了差动信号的优点。功率分配器可以被实施为分立组件，或被结合到具有分立或集成部件的PCB结构上，或者是以平面PCB几何形状实施的嵌入式无源组件。由于组件封装的寄生电抗引入了信号反射，该信号反射在较高频率时逐渐变得更加明显，用于实施功率分配器的技术对数据通道的高频工作施加约束。驱动电子电路、功率分配器以及传输线端接可以使用各种技术实施(例如，PCB结构上的通孔或表面安装组件，集成组件，或实施在平面PCB几何形状中的嵌入式无源组件)，具有由减少寄生电抗决定的高频性能能力。下表总结了各种技术的一般运行能力。

受控阻抗差动传输线环系统

在非接触旋转接头中的环系统是受控阻抗差动传输线，它是非谐振的、不连续的，而且通常以微带多层印刷电路板技术实施。环形传输线的性质是使大部分信号能量包含在导体的近场中。从该结构辐射的能量易于在远场中消除对于电磁干扰(EMI)抑制的帮助。环系统中传播的信号具有定向特性，如图2和3所示。这是近场探头的设计的重要因素。

近场探头

近场探头(G)是平面结构，其被设计成具有超宽带近场响应，同时满足在环形传输线上的高速数据传输的具体需求。特别地，近场探头必须：(a)具有适当的捕获面积以恢复足够能量用于信号检测，(b)具有适当带宽，足够用于数据流的至少第三次谐波，(c)具有适于探测器的输出阻抗，(d)具有高回波损耗，(e)具有近场特性，其适应环的非均匀场响应，(f)具有良好脉冲响应，以及(g)其改善旋转接头和探头本身的定向信号特性。

图4示出了宽带探头设计的概念，其能够工作于每秒几吉比特的数据速率，并解决非接触旋转接头所固有的几个挑战。图4中示为“A”的三角形部分是近场探头的平面元件。探头元件的实际形状可以采取许多形式，其取决于具体应用的物理和电气要求。在本例中，示为“A”和“C”项的几何形状是不同的，并且是非接触旋转接头的不连续近场响应的方案的一部分。

为了理解探头的功能，常规的近场探头的例子在图5和6中展示，作为展示效果的一种方式。图5示出了该图下部中的传输线中的发射机信号流的例子。探头内的接收信号流示于该图的上部。

在较高频率中，近场探头展现了类似于行波天线的定向特性，其中当信号沿着结构传播时感应信号的强度增加。在图5中，具有向内指箭头的实渐变线表示感应信号，信号电平响应于传输线中传送的数据信号而增加。在探头被放置在终端间隙上方的情况下，在探头上感应出两个信号，并且沿相反的方向传送，而且到达探头馈电点并结合为同相位，并作为从探头输出的信号被提供。当探头被定位于远离终端间隙时，探头的双向响应允许信号被接收自终端间隙的任一侧上的任一方向，尽管稍微减少了信号幅值。

图5还示出了探头中出现的其他信号，用具有箭头的虚线表示，指示了探头内的反射，这是由于感应信号到达探头端部，并且从阻抗不连续点反射。这些反射信号以减小的幅值横跨探头回荡(reverberate)多次，因为许多效果影响了探头的回波损耗。反射构成了无用的信号，其干扰所需的直接信号，以较低幅值到达馈电点并且在时间上被移位。这些内部反射在限制非接触旋转接头的数据速率的效果中。

图6示出了当发射机源间隙直接定位在场探头下方时发生在非接触旋转接头中的另一个有问题的效果。当在电源正上方时，由探头接收的能量传播远离源(向外指的实箭头)并且不朝向探头馈电点，几乎不产生信号输出-探头响应中的空值。沿着探头传播的感应行波信号在探头端部被反射离开阻抗不连续点，然后朝向探头馈电点传送(向内指的虚线箭头)，并且横跨探头反复回荡。

从探头端部的阻抗变化反射的信号部分地填充了探头输出中的空值，但是在时间上被移位。该结果是低信号幅值和时间失真，使数据恢复复杂化。自动增益控制是对部分空值的现有技术解决方案，但是来自反射的时间失真是对数据速率的主要约束。本发明纠正了所有这些缺陷，并且支持更快得多的数据传输速率。

图7示出了本发明所利用的通过使用不连续的几何形状补救发射机源间隙的有问题情况的机制。

来自探头上的区域的信号反射的有意产生提供了信号能量以填充将别样产生的空值，该区域离开中心某个距离。反射地点与信号输出的接近产生最小的时间失真并填充了空值，因而补救对数据传输速率的约束中的两个约束。在从图7中的区域“C”到区域“B”的转变中探头波涌阻抗的改变产生了这样的反射，如图7中的中心弯曲箭头所示。阻抗变化可以在不同程度上通过应用焊接掩膜在区域“B”内完成，通过电镀或焊接涂层或通过引入几何形状变化，例如几何图形区域，来改变截面，如图7所示。

在探头中引入几何形状的变化改变了波涌阻抗并提供了所需的反射，但是这样的几何结构也作为分布负载用于增加系统的带宽和回波损耗。图7的例子示出了网格的使用，其用来引入提供带宽扩展以及回波损耗增加的多个共振。增加的回波损耗减弱了信号从探头端部的反射并降低了反射信号的幅值，该反射信号将另样横跨探头回荡并构成对所需信号的干扰信号。连续的阻抗性负载也能够被用于提供所需的反射，并且增加回波损耗，但是不提供带宽增加的优点。

几何图案可以实施为平面金属结构中的孔或实施为线性或曲线特征，例如在图7中所示，其中两者都用于在探头的通带中创造新的共振。共振的频率和结构的阻抗是随探头的几何形状而变，其可以被实施为提供所需的特性，例如在高速数据流的所需的偶数次和奇数次谐波处选择性地提供共振。

分形几何形状也能用作近场探头中的图案。分形几何形状具有为物理几何形状的创造提供确定性算法的优点，但是具有提供总通带共振的相对小的控制的缺点。在分形结构中的共振倾向于具有对数关系，其较少支持高速数据信号的谐波。

现有技术的当前状态不允许闭合形式的设计实践用于不连续的几何形状，但是电磁模拟可以被用于优化几何特征的大小、形状、数量和位置，孔，不连续性，以及其他结构用于非接触旋转接头系统的最佳回波损耗和频率响应的。

近场探头和差动放大器的最终高频性能部分地受如图4所示地将二者连接在一起的传输线约束。探头的阻抗和放大器的输入阻抗是频变相关的，互相之间独立地变化，而且只能对连接它们的传输线的特性阻抗进行近似。在探头和放大器的阻抗不同于传输线的特性阻抗的频率下，将有阻抗转换，其可能加剧阻抗失配而且不利地影响系统的频率响应。该效果在连接传输线的电气长度是四分之一波长的奇数倍的频率下是最强烈的。通过增加这些阻抗反转效果是显著情况下的频率，缩短传输线提高了频率响应。，当探头和电子设备之间的相互连接被缩短至最短的实际物理尺寸的时候，例如通过利用倒装片装置或线焊集成电路直接进入探头结构，实现了最终的高频性能。导线接合互连和倒装片封装，分别如图8和9所示，随后是软胶顶部封装(glop-top encapsulation)或其他钝化技术，可以延伸探头系统的带宽至高达60GHz(即五毫米的波长)。

近场探头的几何形状是灵活的，而且许多变体是可能的，取决于具体应用和选中的传送类型的带宽需求。近场探头可以假设为各种形状，包括钻石形、圆形、三角形、锥形、弯曲形、直线形、或其他形式，以互补传输线的物理形式。类似地，在探头内用于实施电抗负载以增强带宽和回波损耗的孔或特征的图案，可以采用任何类型的几何形状，不受约束于常规的确定的几何形式，但是可以使用任何形式的不连续几何形状，包括随机的或任意形式，以提供特定信号类型的运行需求和特定旋转接头传输线特性。此外，图案化几何形状的电抗负载可以通过在场探头的构造中使用连续阻抗性负载材料被增大或被替换。阻抗材料，例如镍合金和氮化钽，可以通过削弱来自场探头末端的反射，提高回波损耗和时域响应。图10示出了结合到各种探头结构的阻抗性导电层的使用，使用或不使用几何图形化。再次，近场探头的实际形状可以采取许多形式，视应用的细节情况而定。所示的拟线性区域的存在以如前所述的方式起作用，引入有意的局部反射以改善在旋转接头应用中遇到的不连续场和方向性。

测试数据

呈现以下数据以展示在无接触旋转接头中工作的本发明的各个性能方面，始于图11A和11B所示的眼图。眼图是标准技术，用于评价数字数据系统的性能。图11A示出了工作在每秒1.0吉比特的原型的非常好的信号完整性，而图11B示出了工作在每秒7.0吉比特的原型的非常好的信号完整性。系统性能受限于电子设备的带宽。

图12A和12B示出了分别利用低阻抗和高阻抗放大器从近场探头接收的信号。图11A和11B以及图12A和12B所示的数据示出了使用具有不连续几何形状的平面近场探头的非接触旋转接头的高频性能。

因此，本发明提供了改进的非接触旋转接头，用于穿过在两个可相对移动构件之间限定的界面传输电信号。改进的非接触旋转接头广泛地包括：信号源(A)，操作上布置成提供高速数字数据输出信号；受控阻抗差动传输线(C)，具有源间隙(D)和端部间隙(E)；功率分配器(B)，操作上布置成从信号源接收高速数字数据输出信号，并且将其提供给受控阻抗差动线的源间隙；近场探头(G)，布置为与传输线相间隔，用于接收穿过界面发射的信号；以及接收电子设备(H)，在操作上布置成接收由探头接收的信号；而且其中旋转接头展现了直到40GHz的超宽带宽频率响应能力。

本发明考虑到各种变形和修改可以在不背离如通过如下权利要求书书限定和区分的本发明的精神的情况下作出。

Claims (7)

1.一种非接触旋转接头，用于穿过在两个可相对移动构件之间限定的界面传输电信号，包括：

信号源(A)，操作上布置成提供高速数字数据输出信号；

受控阻抗差动传输线(C)，具有源间隙(D)和端部间隙(E)；

功率分配器(B)，操作上布置成从所述信号源接收高速数字数据输出信号，并且将其提供给所述受控阻抗差动线的源间隙；

近场探头(G)，布置为与所述传输线相间隔，用于接收穿过所述界面发射的信号；和

接收电子设备(H)，操作上布置成接收由所述探头接收的信号；并且

其中所述旋转接头展现了直到40GHz的超宽带宽频率响应能力。

2.根据权利要求1所述的非接触旋转接头，并且进一步包括印刷电路板，并且其中所述功率分配器被嵌入所述印刷电路板中。

3.根据权利要求1所述的非接触旋转接头，并且进一步包括印刷电路板，并且其中所述传输线具有被嵌入所述印刷电路板中的至少一个端部。

4.根据权利要求1所述的非接触旋转接头，其中所述旋转接头能够支持超过10Gbps的数据传输速率。

5.根据权利要求1所述的非接触旋转接头，其中所述探头被悬在所述传输线上方某个距离处。

6.根据权利要求1所述的非接触旋转接头，其中所述近场探头包括图案几何形状内的或者是确定的或者是不确定的不连续几何形状。

7.根据权利要求1所述的非接触旋转接头，其中所述近场探头具有平面部分。