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「滑环」采用60GHz频段、适用于工业滑环应用新型毫米波数据接口解决方案( 二 )


「滑环」采用60GHz频段、适用于工业滑环应用新型毫米波数据接口解决方案
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图 3：接触式滑环 。 图片来源：Servotectica/CC BY-SA 4.0 。
非接触式接口
非接触式旋转接头采用辐射或非辐射电磁场在旋转部件之间传输数据 ， 因此可以解决这些局限性 。 与电信号传输技术相比 ， 这种技术具有几个性能优势 。 它没有机械式接触点 ， 因此不存在接触磨损 ， 可减少维护需求；以高速旋转时 ， 也不会因为阻抗导致数据丢失 。
光纤旋转接头
最常见的非接触式解决方案是光纤滑环 ， 也称为光纤旋转接头（FORJ） ， 其原理图如图 4 所示 。 FORJ 依靠光辐射来传输数据 ， 通常在 850nm 至 1550nm 的红外波长下工作 ， 能够以几十 Gbps 的极高数据速率传输各种类型的模拟或数字光纤信号 ， 而且不受电磁干扰影响 。 但是 ， 光纤解决方案并非没有挑战 。 它们会遭受较强的非本征损耗 ， 从而因角度和轴向失调而导致信号衰减 。 这些失调也是造成旋转信号波动的主要因素 ， 从而对于某些应用来说非常关键 。 此外 ， 光纤旋转接头在恶劣的工业环境中通常需要高水平的保护 。
「滑环」采用60GHz频段、适用于工业滑环应用新型毫米波数据接口解决方案
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图 4：光纤旋转接头 。 图片来源：Servotectica/CC BY-SA 4.0 。
感性和容性接口
另一种非接触式技术是基于近场耦合机制实现的 ， 即利用本来无辐射的感性和容性电路元件来生成低电磁频谱频段的电场和磁场 。
感性方法利用电磁感应原理来连接组件中的活动部件 。 使用这种耦合方式的滑环（原理图如图 5 所示）对于高转速工业应用非常有用 ， 但它们更适合进行电力传输 ， 而不是高速数据传输 。 它们也广泛应用于风力涡轮机应用 ， 而为桨距控制系统提供电信号和电力；以及应用于封装应用 ， 在这类应用中 ， 活动组件会以高转速运行 。
「滑环」采用60GHz频段、适用于工业滑环应用新型毫米波数据接口解决方案
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图 5：感性耦合 。
与依赖磁场的感性滑环不同 ， 基于电容技术的滑环在转子和定子之间利用电场传输数据 。 图 6 所示的容性耦合方法提供了一种成本较低的轻量级解决方案 ， 其涡流损耗可以忽略不计 ， 且失准性能出色 。 这项技术能够在恶劣的运行环境中以几 Gbps 的高速可靠传输数据 ， 且不受转速影响 。 容性滑环通常设计用于与以太网现场总线组合使用 ， 广泛用于时间敏感型工业应用中 。
「滑环」采用60GHz频段、适用于工业滑环应用新型毫米波数据接口解决方案
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图 6：容性耦合 。
其他类型的接口
除了主要利用感性或容性耦合机制的非接触式滑环技术外 ， 还可以使用适当的耦合结构 ， 例如波导元件或传输线元件 ， 实现采用这两类机制组合的解决方案 。 还有一些特殊类型的滑环：例如 ， 依靠水银作为传导介质的滑环 。 但是 ， 浸水银滑环对操作环境的要求非常严格 ， 不能在高温环境中使用 ， 因此不适合工业应用领域 。
「滑环」采用60GHz频段、适用于工业滑环应用新型毫米波数据接口解决方案
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表 1：基于数据接口耦合技术进行旋转接头分类 。
表 1 总结了所探讨的各类数据接口技术 ， 它们提供众多特性和功能 ， 能够满足典型的工业滑环应用要求 。 但是 ， 这些传统技术大多仅支持短距离数据传输 ， 这要求转子和定子上的收发器元件彼此非常靠近 。 此外 ， 第四次工业革命还对滑环应用数据接口的可配置性、可靠性和速度提出了严格的要求 ， 而现有的传统技术往往不能满足这些要求 。
本文介绍了一种基于非接触式技术的新型解决方案 ， 该方案依靠电磁毫米波在辐射近场（菲涅耳）和远场区域远距离传输数据 ， 解决了其他方法存在的一些关键限制 。 这种解决方案不但为滑环应用提供了一种紧凑且经济高效的先进微波数据接口 ， 还能与传统的非辐射旋转接头的耦合元件组合 ， 以较低成本实现更出色的性能 。


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