ВОЛНОВОДНЫЙ ПОЛЯРИЗАТОР, А ТАКЖЕ СИСТЕМА БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА И АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩИЕ ВОЛНОВОДНЫЙ ПОЛЯРИЗАТОР Российский патент 2024 года по МПК H01P1/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к вращающемуся сочленению, содержащему волноводный поляризатор, а также к системе бесконтактной передачи сигнала и антенному устройству, содержащим упомянутый волноводный поляризатор.

Уровень техники

Бурный рост технологий роботостроения в настоящее время основан на растущей потребности в автоматизированных и роботизированных комплексах в различных областях деятельности человека, таких как военная отрасль, промышленность, добыча полезных ископаемых и т.д. Это диктует необходимость в разработке новых структур для передачи сигналов к исполнительным механизмам роботизированного комплекса (робота) и от них через детали (сочленения) робота. Это особенно важно для вращающихся деталей, таких как вращающиеся сочленения робота.

В настоящее время существует несколько способов организации передачи сигналов через вращающиеся сочленения:

1. Узлы с использованием кабелей для передачи сигналов. В таких узлах кабель проходит через вращающееся сочленение. Подобные решения обладают рядом недостатков, включая ограниченный диапазон вращений таких сочленений, низкая надежность кабеля вследствие воздействия скручивающих моментов, высокая вероятность повреждения кабеля при интенсивных движениях и т.д.

2. Вращающиеся контакты (контактные кольца). Такие решения неприменимы для высоких скоростей передачи данных (HD-видео (High-Definition) и т.д.), обладают низкой надежностью, могут приводить к возникновению помех из-за искрения между контактами, деградируют со временем вследствие механического износа. Механическая часть требует высокой точности изготовления.

3. Высокочастотные вращающиеся сочленения на основе разделенных коаксиальных или круглых волноводов. Такие решения зачастую имеют цельнометаллическую объемную конструкцию, которая подходит только для стационарных объектов, и требуют сложной и высокоточной сборки. Кроме того, такие решения обеспечивают только полудуплексный канал связи на одну линию.

Использование сигналов с круговой поляризацией для передачи данных может обеспечить полнодуплексную и многоканальную связь вследствие своей симметрии, и, следовательно, может найти применение во вращающихся соединениях. Поляризатор может легко обеспечить сигнал с круговой поляризацией в круглом волноводе, который вследствие своей симметрии обеспечивает эффективное распространение сигнала с круговой поляризацией.

В существующем уровне техники известно решение, раскрытое в документе WO 2010076016 A1, которое относится к вращающемуся соединению для прямоугольных волноводов для соединения высокочастотных компонентов, содержащему входной компонент и выходной компонент, при этом каждый компонент имеет прямоугольный соединительный элемент на одном конце и круглый волновод на другом конце. Оба компонента расположены таким образом, что круглые волноводы, обращенные друг к другу, установлены с возможностью вращения в соединительном переходе коаксиально вокруг их общей оси (А). Данное решение содержит поляризатор, с помощью которого по меньшей мере одна волна с линейной поляризацией может быть преобразована в волну с круговой поляризацией или по меньшей мере одна волна с круговой поляризацией может быть преобразована в волну с линейной поляризацией, между прямоугольным соединительным элементом и круглым волноводом. Кроме того, прямоугольные соединительные элементы расположены соосно круглым волноводам, и по меньшей мере один прямоугольный волновод может быть подключен параллельно оси (А). Данное решение имеет громоздкую конструкцию.

В документе US 4,672,334 раскрыт двухдиапазонный круговой поляризатор для одновременного преобразования двух-четырех линейно поляризованных волн двух разных частотных диапазонов в две-четыре волны круговой поляризации и наоборот. Поляризатор содержит волновод с поперечным сечением круглой или квадратной формы, рассчитанный на одновременное распространение сигналов двух разных частотных диапазонов и два массива проводящих элементов, причем каждый массив содержит пару диаметрально противоположных рядов проводящих элементов, отходящих внутрь от стенок волновода. Данное решение является сложным в производстве, т.к. требует использования проводящих элементов в волноводе, а также крепежных элементов для диэлектрического поляризатора в волноводе. Диэлектрический поляризатор в волноводе вносит дополнительные потери при передаче сигнала. Кроме того, данное решение обеспечивает только полудуплексную связь.

Документ RU 2741758 С1 относится к многоканальным вращающимся сочленениям. Многоканальное СВЧ вращающееся соединение состоит из одноканальных вращающихся соединений, установленных соосно одно над другим, каждое из которых выполнено на основе коаксиальной линии с четвертьволновыми короткозамкнутыми шлейфами в виде радиальной линии и согласующими переходами на концах. Внешний и центральный проводники коаксиальной линии содержат четвертьволновые дроссельные зазоры, радиальная линия имеет переменную высоту, а через центральные проводники одноканальных соединений насквозь от вращающейся к неподвижной части конструкции проходит полый металлический стержень цилиндрической формы, образующий дроссельные зазоры с неподвижными центральными проводниками. Подвижные входы одноканальных вращающихся соединений выведены к вращающейся части конструкции устройства с помощью коаксиальных фидеров, проходящих за исключением фидера верхнего одноканального соединения через внутреннюю полость стержня. Данное решение имеет громоздкую конструкцию и сложный процесс сборки.

Решение, раскрытое в документе US 20220384929 A1, относится к двухдиапазонному делителю с двойной поляризацией для формирования нового типа орто-модового перехода коаксиального волновода, реализующего структуру коаксиального круглого волновода, передающего одновременно высокие и низкие частоты, уменьшая длину высокочастотной линии передачи и уменьшая потери при передаче. Между тем, данное решение реализует передачу с двойной поляризацией в каждой полосе частот и может гибко переключаться между вертикальной поляризацией и горизонтальной поляризацией, когда двойная поляризация преобразуется в одинарную поляризацию. Данное решение имеет громоздкую конструкцию и сложный процесс сборки.

Таким образом, существующие решения обладают рядом недостатков, основными среди которых являются:

- низкая надежность,

- сложная конструкция,

- высокие потери,

- низкая скорость передачи данных через вращающееся сочленение, и/или

- большие массогабаритные показатели используемых цельнометаллических волноводов для передачи сигнала к вращающемуся сочленению и от него, что сильно ограничивает их применение для компактных мобильных роботов.

Следовательно, в настоящее время существует потребность в создании компактной, надежной, простой и недорогой системы, обеспечивающей высокоскоростную и бесконтактную передачу сигналов, в том числе, через вращающиеся сочленения роботов.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен волноводный поляризатор, представляющий собой участок круглого полого волновода, имеющий диаметр меньший, чем упомянутый волновод, с двумя продольными канавками в стенках поляризатора, расположенными диаметрально противоположно друг другу.

Согласно одному варианту осуществления длина поляризатора кратна , где - центральная длина волны сигнала рабочего диапазона в круглом волноводе.

Согласно другому варианту осуществления поляризатора дно канавок совпадает с внутренними стенками круглого волновода.

Согласно другому варианту осуществления поляризатора канавки протягиваются по всей длине поляризатора.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложена система бесконтактной передачи сигнала через вращающееся сочленение, содержащая передающую структуру, расположенную в одной части вращающегося сочленения, и приемную структуру, расположенную в другой части вращающегося сочленения, причем упомянутые части вращающегося сочленения расположены напротив друг друга и разделены воздушным зазором, а поверхности частей вращающегося сочленения, обращенные друг к другу, расположены перпендикулярно оси вращения вращающегося сочленения, каждая из передающей структуры и приемной структуры содержит круглый полый волновод, расположенный соосно оси вращения, по меньшей мере передающая структура содержит в круглом волноводе волноводный поляризатор в соответствии с настоящим изобретением, в воздушном зазоре между упомянутыми частями вращающегося сочленения расположено дроссельное устройство, закрепленное на одной из упомянутых частей и представляющее собой печатную плату, в которой выполнено сквозное круглое отверстие соосно с осью вращения вращающегося сочленения, а вокруг упомянутого отверстия в печатной плате расположена EBG-структура (Electromagnetic Band Gap - структура по типу электромагнитного кристалла с электромагнитной запрещенной зоной), выполненная с возможностью предотвращения утечки сигнала через воздушный зазор.

Согласно одному варианту осуществления системы диаметр отверстия в печатной плате равен диаметру круглого волновода в передающей структуре и приемной структуре вращающегося сочленения.

Согласно другому варианту осуществления системы расстояние от края отверстия в печатной плате дроссельного устройства до EBG-структуры кратно , где - центральная длина волны сигнала рабочего диапазона в плоскопараллельном волноводе, образованном поверхностями частей вращающегося сочленения, обращенными друг к другу, и дроссельным устройством.

Согласно другому варианту осуществления системы EBG-структура расположена вплотную к отверстию в печатной плате дроссельного устройства.

Согласно другому варианту осуществления системы EBG-структура включает в себя по меньшей мере два ряда грибообразных M-EBG-элементов (Mushroom-EBG), каждый из которых включает в себя проводящую площадку, расположенную на внешнем слое печатной платы, и основание в виде цилиндра, выполненного посредством переходного металлизированного отверстия (VIA) и соединяющего упомянутую проводящую площадку с проводящим земляным слоем печатной платы.

Согласно другому варианту осуществления системы зазор между дроссельным устройством и каждой из частей вращающегося сочленения составляет до , где - центральная длина волны сигнала рабочего диапазона в плоскопараллельном волноводе, образованном поверхностями частей вращающегося сочленения, обращенными друг к другу, и дроссельным устройством.

Согласно другому варианту осуществления системы печатная плата дроссельного устройства содержит четыре металлизированных проводящих слоя, между которыми расположены слои диэлектрика, а EBG-структура расположена на обеих сторонах многослойной печатной платы.

Согласно другому варианту осуществления системы M-EBG-элементы на противоположных сторонах печатной платы соединены между собой посредством VIA.

Согласно другому варианту осуществления системы дроссельное устройство расположено непосредственно на поверхности одной из частей вращающегося сочленения.

Согласно другому варианту осуществления системы печатная плата дроссельного устройства содержит два металлизированных проводящих слоя, между которыми расположен слой диэлектрика, а EBG-структура расположена на стороне печатной платы, которая посредством воздушного зазора отделена от поверхности другой из частей вращающегося сочленения, когда обеспечен электрический контакт земляного слоя дроссельного устройства и поверхности упомянутой одной из частей вращающегося сочленения.

Согласно другому варианту осуществления системы приемная структура содержит в круглом волноводе волноводный поляризатор.

Согласно другому варианту осуществления системы сигнал представляет собой сигнал данных для передачи данных через вращающееся сочленение.

Согласно другому варианту осуществления системы сигнал представляет собой сигнал мощности для бесконтактной передачи мощности через вращающееся сочленение.

В соответствии с третьим аспектом изобретения предложено антенное устройство с круговой поляризацией, включающее в себя волновод с волноводным поляризатором в соответствии с настоящим изобретением и излучающее устройство.

Согласно одному варианту осуществления антенного устройства излучающее устройство представляет собой рупорную антенну.

Настоящее изобретение обеспечивает волноводный поляризатор и систему бесконтактной передачи сигналов с возможностью высокоскоростной передачи сигналов, имеющие компактную, надежную, простую и недорогую конструкцию.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 схематично изображает поперечное сечение вращающегося сочленения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 2 изображает принцип работы поляризатора в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 3 изображает общий вид части дроссельного устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 4 изображает примерную конструкцию элемента EBG-структуры.

Подробное описание

Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложена система бесконтактной передачи сигнала через вращающееся сочленение, изображенное на фиг. 1. С точки зрения механического движения вращающееся сочленение состоит из двух частей: стационарной и подвижной. Очевидно, что в некоторых реализациях вращающегося сочленения стационарная и подвижная части в разные моменты времени могут меняться ролями или даже осуществлять одновременно движение относительно друг друга, т.е. исполнять роль подвижной части. Однако, в целях простоты дальнейшего описания принято, что одна часть вращающегося сочленения является стационарной, а вторая часть - подвижной относительно первой части.

Согласно примерному варианту осуществления верхняя часть сочленения, изображенного на фиг. 1, является подвижной, а нижняя - стационарной. Однако, стоит отметить, что в альтернативном варианте осуществления упомянутые части сочленения могут быть инвертированы, т.е. верхняя часть может быть стационарной, а нижняя - подвижной. С точки зрения передачи сигналов, в зависимости от направления передачи часть системы передачи сигналов на стационарной части сочленения может быть как передающей структурой (передает сигнал в другую часть системы передачи), так и приемной структурой (принимает сигнал из другой части системы передачи). Аналогично, часть системы передачи сигналов на подвижной части сочленения может быть как передающей структурой, так и приемной структурой. При этом, когда часть системы передачи сигналов на стационарной части сочленения является передающей структурой, часть системы передачи сигналов на подвижной части сочленения является приемной структурой, и наоборот. Стоит отметить, что в процессе работы направление передачи сигналов может неоднократно изменяться на противоположное, т.е. соответствующие структуры системы передачи сигналов меняются ролями.

Система бесконтактной передачи сигнала через вращающееся сочленение в соответствии с настоящим изобретением содержит передающую структуру, расположенную в одной части вращающегося сочленения (например, в стационарной части), и приемную структуру, расположенную в другой части вращающегося сочленения (например, в подвижной части), причем упомянутые части вращающегося сочленения расположены напротив друг друга и разделены воздушным зазором. Примерный вариант осуществления вращающегося сочленения изображен на фиг. 1. Поверхности стационарной части и подвижной части, обращенные друг к другу, расположены параллельно друг другу и перпендикулярно оси вращения вращающегося сочленения, причем на упомянутых поверхностях расположен проводящий слой. Каждая из передающей структуры и приемной структуры содержит круглый полый волновод, расположенный соосно упомянутой оси вращения вращающегося сочленения. Волновод в каждой из стационарной части и подвижной части достигает поверхности, обращенной к другой части вращающегося сочленения. Таким образом, волноводы в передающей структуре и приемной структуре расположены соосно напротив друг друга и разделены воздушным зазором. Диаметр круглого волновода выбирается из соображений существования и распространения волны типа Н₁₁ и не более, чем диаметр для существования высших типов волн, таких как Е₀₁ и других.

По меньшей мере передающая структура содержит круглый волноводный поляризатор с канавками, расположенный в круглом волноводе и представляющий собой участок упомянутого круглого волновода, имеющий внутренний диаметр меньший, чем упомянутый волновод, с двумя продольными канавками в стенках поляризатора, расположенными диаметрально противоположно друг другу по всей длине поляризатора параллельно продольной оси волновода (см. фиг. 2). Упомянутый поляризатор выполнен с возможностью преобразования по меньшей мере одной волны с линейной поляризацией в волну с круговой поляризацией или по меньшей мере одной волны с круговой поляризацией в волну с линейной поляризацией.

Поляризатор в соответствии с настоящим изобретением функционирует следующим образом. Сначала в круглом волноводе возбуждают электромагнитную волну основной моды H₁₁ (см. фиг. 2, верхнее поперечное сечение). Возбуждение волны может осуществляться выходом генератора, имеющего соответствующую форму выходного волновода, или посредством волноводных переходов на общепринятые сечения коаксиальных кабелей. Также возбуждение волны может обеспечиваться переходом с радиочастотной микросхемой. Канавки в поляризаторе в поперечном сечении расположены под углом 45 градусов к падающей электромагнитной волне основной моды H₁₁ (см. фиг. 2, среднее поперечное сечение). Волна Н₁₁ падает на поляризатор с канавками под углом 45 градусов к упомянутым канавкам (пунктирная стрелка на среднем поперечном сечении на фиг. 2 это электрический вектор волны Н₁₁). В поляризаторе волна Н₁₁ разлагается на две компоненты волны Ex и Ey (сплошные стрелки на среднем поперечном сечении на фиг. 2). Компонента Ех распространяется вдоль поляризатора поперек канавок, другая компонента Еу распространяется вдоль поляризатора вдоль канавок. Компонента Ех волны имеет постоянную распространения ниже, чем постоянная распространения компоненты Еу волны. Таким образом, разность фаз прошедших через канавки компонент Ех и Еу волны составляет 90 градусов. Сложение компонент Ех и Еу на выходе поляризатора образует волну Н₁₁ с круговой поляризацией (полукруглая линия на нижнем поперечном сечении на фиг. 2).

Таким образом, после прохождения через поляризатор электромагнитная волна основной моды H₁₁ с линейной поляризацией (см. фиг. 2, верхнее поперечное сечение) преобразуется в электромагнитную волну основной моды H₁₁ с круговой поляризацией (см. фиг. 2, нижнее поперечное сечение).

Длина поляризатора изначально выбирается кратной , где - центральная длина волны сигнала рабочего диапазона в круглом волноводе. Затем длина поляризатора уточняется эмпирически после численного моделирования устройства. Внутренний диаметр поляризатора зависит от размера канавок и их характеристик (постоянная распространения поперечной и продольной волны). В примерном варианте осуществления дно канавок совпадает с внутренними стенками основного полого волновода. Таким образом, высота (глубина) канавок соответствует разнице между внутренним диаметром поляризатора и внутренним диаметром полого волновода. В общем случае глубина и ширина канавок подбираются с точки зрения минимизации отражений и потерь на проход сигнала. При этом контролируется, чтобы падающая под 45 градусов относительно канавок волна типа Н₁₁ делилась поровну на две компоненты и одна компонента запаздывала по фазе от другой на 90 градусов. Форма канавок может быть отличной от приведенной на фиг.2, но она должна обеспечивать разность фаз компонентов падающей волны, равную 90 градусам и равное деление компонент.

Хотя на фиг. 2 изображено формирование только одной основной моды H₁₁, в упомянутом волноводе также возможно одновременное формирование и ортогональной основной моды H₁₁. Упомянутая ортогональная основная мода H₁₁ аналогичным образом, проходя через поляризатор, преобразуется в электромагнитную волну с противоположной круговой поляризацией. Таким образом, упомянутый волновод с поляризатором обеспечивает возможность одновременной передачи сигналов по двум независимым каналам передачи.

Аналогичным образом, описанный выше поляризатор может в обратном направлении преобразовать по меньшей мере одну волну с круговой поляризацией в волну с линейной поляризацией.

С целью получения сигнала из волны с линейной поляризацией для передачи его дальше по электронной схеме используют волноводные переходы для минимизации потерь на преобразования волноводной волны в типы волн последующих волноводных структур. В основном, используется микрополосковый волновод, который подключается непосредственно к приемному или передающему устройству (микросхема).

Поляризатор в соответствии с настоящим изобретением является простым в изготовлении, имеет компактную конструкцию и не содержит каких-либо диэлектрических частей, что позволяет снизить потери при передаче сигнала в широком диапазоне частот.

В примерном варианте осуществления вращающееся сочленение содержит поляризатор и в передающей структуре, и в приемной структуре, что обеспечивает возможность двусторонней передачи сигнала.

В альтернативном варианте осуществления поляризатор содержится только в передающей структуре системы бесконтактной передачи сигнала. Такой вариант осуществления обеспечивает возможность только односторонней передачи сигнала с круговой поляризацией.

В воздушном зазоре между стационарной и подвижной частями вращающегося сочленения расположено метаматериальное дроссельное устройство для предотвращения утечки сигнала (энергии) через воздушный зазор (см. фиг. 1 и 3). Дроссельное устройство представляет собой печатную плату, в которой выполнено сквозное круглое отверстие соосно с осью вращения вращающегося сочленения. Диаметр отверстия в печатной плате в общем случае сопоставим с диаметром круглого волновода в передающей структуре и приемной структуре вращающегося сочленения. В примерном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на фиг. 1, диаметр отверстия в печатной плате равен диаметру круглого волновода в передающей структуре и приемной структуре вращающегося сочленения. Печатная плата в примерном варианте осуществления содержит четыре металлизированных проводящих слоя, между которыми расположены слои диэлектрика. Вокруг упомянутого отверстия на некотором расстоянии от него в печатной плате реализована EBG-структура (Electromagnetic Band Gap - структура по типу электромагнитного кристалла с электромагнитной запрещенной зоной, т.е. структура, формирующая область с невозможностью распространения электромагнитных волн определенного диапазона частот). EBG-структура в соответствии с настоящим изобретением расположена с обеих сторон многослойной печатной платы и на каждой стороне включает в себя по меньшей мере два ряда M-EBG-элементов (в примерном варианте осуществления на фиг. 1 и 3 - три ряда), имеющих грибообразную форму (M-EBG-элементы, Mushroom-EBG). Каждый из M-EBG-элементов включает в себя проводящую площадку, расположенную на внешнем слое печатной платы, и основание в виде цилиндра, выполненного посредством переходного металлизированного отверстия (VIA) и соединяющего упомянутую проводящую площадку с внутренним проводящим земляным слоем печатной платы. В примерном варианте осуществления на фиг. 1 M-EBG-элементы на противоположных сторонах печатной платы соединены между собой посредством VIA. EBG-структура блокирует распространение поверхностных волн в печатной плате и в воздушном зазоре между стационарной и подвижной частями вращающегося сочленения, таким образом, предотвращая утечку сигнала (энергии) наружу из вращающегося сочленения.

В альтернативном варианте осуществления, когда M-EBG-элементы на противоположных сторонах печатной платы не соединены между собой, необходимо предусмотреть дополнительные M-EBG-элементы в образовавшемся разрыве внутри печатной платы дроссельного устройства.

В некоторых случаях M-EBG-элементы на противоположных сторонах печатной платы могут быть смещены относительно друг друга.

Расстояние между соседними M-EBG-элементами в ряду выбирается таким, чтобы обеспечивать ограничение распространения паразитных волн (запрещенную зону, band gap). Дисперсионная диаграмма показывает, на каких частотах может быть обеспечено такое ограничение. Таким образом, расстояния между M-EBG-элементами определяются в соответствии с дисперсионной диаграммой ячейки единичного элемента и технологическими возможностями производителя печатных плат (ограничение на зазоры между проводниками). Расстояние между рядами M-EBG-элементов и количество рядов выбирается исходя из полученной дисперсионной диаграммы и отсутствия мод в рабочем диапазоне устройства.

В альтернативном варианте осуществления дроссельное устройство может иметь более четырех проводящих слоев, а EBG-структура может иметь более двух рядов M-EBG-элементов.

Расстояние от края отверстия в печатной плате дроссельного устройства до EBG-структуры выбирается таким образом, чтобы обеспечить эффективное отражение волн и снижение потерь при передаче сигнала через воздушный зазор, и обычно кратно , где - центральная длина волны сигнала рабочего диапазона системы передачи сигнала в плоскопараллельном волноводе, образованном поверхностями частей вращающегося сочленения, обращенными друг к другу, и дроссельным устройством. В примерном варианте осуществления настоящего изобретения EBG-структура расположена на расстоянии от края отверстия в печатной плате. Такое расстояние обусловлено тем, что сигнал утечки распространяется из круглого волновода в воздушный зазор, достигает EBG-структуры, отражается от нее с изменением фазы на 180 градусов и попадает обратно в круглый волновод, где синфазно складывается с волной сигнала, передаваемого в круглом волноводе. Таким образом, предотвращается утечка сигнала (энергии) наружу и, следовательно, генерация помех соседнему оборудованию, а также снижаются потери при передаче сигнала через вращающееся сочленение.

В альтернативном варианте осуществления EBG-структура может быть расположена вплотную к отверстию в печатной плате.

Примерная конструкция элемента EBG-структуры показана на фиг. 4. Упомянутые M-EBG-элементы имеют грибообразную форму, т.е. состоят из площадки («шляпки гриба»), расположенной на внешнем слое печатной платы, и основания («ножки гриба») в виде цилиндра, протягивающегося от площадки к внутреннему слою заземления печатной платы. В печатной плате основание EBG-элемента выполнено посредством VIA. Форма площадки в зависимости от варианта осуществления может быть круглой, квадратной, треугольной, шестиугольной и т.д. Размеры и форма площадки влияют на границы запрещенной зоны и выбираются в соответствии с требованиями конкретного применения. В альтернативном варианте осуществления EBG-элементы могут иметь более одного основания.

В примерном варианте осуществления дроссельное устройство закреплено на стационарной части вращающегося сочленения. Варианты крепления могут включать в себя, но без ограничения, крепление винтами через шайбу, специальную фиксирующую пластину, скобы, клей и т.д.

Как изображено на фиг. 1, дроссельное устройство расположено в воздушном зазоре между стационарной и подвижной частями вращающегося сочленения на некотором расстоянии от них. Зазор между дроссельным устройством и каждой из стационарной и подвижной частей вращающегося сочленения может задаваться в диапазоне от 0 до . Упомянутый зазор может задаваться посредством проставок или прокладок (spacer).

В одном из вариантов осуществления дроссельное устройство может быть расположено непосредственно на стационарной или подвижной части вращающегося сочленения. В таком случае внешний проводящий слой дроссельного устройства и проводящий слой стационарной (подвижной) части может иметь или не иметь электрический контакт. При этом даже если внешний слой дроссельного устройства соприкасается или частично соприкасается с поверхностью стационарной (подвижной) части, EBG-структура должна быть сформирована на его поверхности в силу того, что электрический контакт не гарантирован. В этом варианте осуществления дроссельное устройство, как описано выше, имеет по меньшей мере четыре проводящих слоя для формирования EBG-структуры.

В альтернативном варианте осуществления, когда может быть гарантированно обеспечен электрический контакт земляного слоя дроссельного устройства и поверхности одной из стационарной и подвижной части (например, посредством пайки этих поверхностей по периметру или по всей площади), дроссельное устройство может иметь по меньшей мере два проводящих слоя, а EBG-структура в таком дроссельном устройстве формируется только на той стороне, которая посредством воздушного зазора отделена от поверхности другой из стационарной и подвижной части.

Описанное выше дроссельное устройство является устойчивым к неточностям сборки вращающегося сочленения, т.е. оно выполняет свои функции и обеспечивает описанные выше преимущества даже при некотором смещении дроссельного устройства относительно оси вращения вращающегося сочленения или при перекосе относительно поверхности стационарной или подвижной части.

Описанные выше сигналы могут представлять собой как сигнал данных (информационный сигнал) для передачи данных через вращающееся сочленение, так и сигнал мощности для бесконтактной передачи мощности через вращающееся сочленение.

В примерном варианте осуществления настоящего изобретения данные через сочленение переносятся посредством радиоволн миллиметрового диапазона. Используемый миллиметровый диапазон длин волн обеспечивает скорость передачи данных до нескольких Гбит/с при сохранении компактного размера волновода. В альтернативных вариантах осуществления для передачи сигнала могут использоваться и другие подходящие диапазоны длин волн в зависимости от необходимой скорости передачи данных.

Бесконтактная структура для передачи сигналов между волноводами, расположенными на стационарной и подвижной частях, подразумевает возможность вращения сочленения на 360 градусов без ухудшения характеристик передачи сигналов. Кроме того, такая структура не требует дополнительного экранирования, что позволяет снизить вес и материалоемкость конструкции.

В одном из вариантов осуществления волновод подвижной части сочленения может быть соединен с антенным модулем, тем самым формируя вращающуюся антенную систему. Это позволяет получить компактную, легкую и надежную систему передачи данных и/или мощности для вращающейся антенной системы.

Подвижность частей сочленения относительно друг друга может обеспечиваться размещением между ними шарикоподшипника. При этом упомянутый шарикоподшипник может быть заменен любым другим подходящим типом подшипников или элементом, обеспечивающим взаимное расположение частей сочленения в заданном диапазоне с возможностью их вращения относительно друг друга.

Далее будет описано функционирование вращающегося сочленения, выполненного с возможностью передачи сигнала из передающей структуры в стационарной части вращающегося сочленения в приемную структуру в подвижной части, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Сначала с использованием средства преобразования сигнала в электромагнитную волну с линейной поляризацией в круглом волноводе стационарной части вращающегося сочленения возбуждают электромагнитную волну основной моды H₁₁. При этом волна Н₁₁ падает на поляризатор с канавками под углом 45 градусов к упомянутым канавкам. Посредством поляризатора электромагнитная волна основной моды H₁₁ с линейной поляризацией преобразуется в электромагнитную волну с круговой поляризацией. Электромагнитная волна с круговой поляризацией распространяется по круглому волноводу, через воздушный зазор и попадает в круглый волновод подвижной части вращающегося сочленения. Дроссельное устройство в воздушном зазоре предотвращает утечку сигнала из воздушного зазора наружу вращающегося сочленения. Электромагнитная волна с круговой поляризацией, проходя через поляризатор в подвижной части вращающегося сочленения, преобразуется в электромагнитную волну с линейной поляризацией.

Хотя выше описан пример функционирования вращающегося сочленения для передачи сигнала из стационарной части вращающегося сочленения в подвижную часть, передача сигнала в обратном направлении осуществляется аналогичным образом.

При этом благодаря передаче сигнала в виде электромагнитной волны с круговой поляризацией, вращающееся сочленение нечувствительно к углу поворота подвижной части относительно стационарной части, т.е. вращающееся сочленение выполнено с возможностью передачи сигнала при любом угле поворота подвижной части относительно стационарной части с одинаковой эффективностью. В то же время вращающееся сочленение в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения обеспечивает возможность реализации полнодуплексной связи.

Математическое моделирование показало, что вращающееся сочленение в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения при передаче сигнала обеспечивает коэффициент отражения не менее 20 дБ и потери на передачу не более 0,5 дБ в рабочей полосе. При этом обеспечивается изоляция каналов более 15 дБ.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает высокоскоростную систему бесконтактной передачи сигналов через вращающееся сочленение, имеющую компактную, надежную, простую и недорогую конструкцию.

Стоит отметить, что описанный выше поляризатор может найти применение не только во вращающемся сочленении для передачи сигналов.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения поляризатор может быть использован для формирования антенного устройства с круговой поляризацией. Такое антенное устройство включает в себя волновод с поляризатором в соответствии с настоящим изобретением и излучающее устройство, например, такое как рупорная антенна. Очевидно, что, помимо рупорной антенны, в таком антенном устройстве могут применяться и другие известные из уровня техники типы антенн, выполненные с возможностью излучения волны с круговой поляризацией. Упомянутое антенное устройство с круговой поляризацией может использоваться как в системах передачи данных, так и в системах беспроводной передачи мощности, например, системах беспроводной зарядки.

Такое антенное устройство имеет компактную, простую в производстве и недорогую конструкцию, обладающую низкими потерями.

Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

В приведенном выше описании примеров, термины направления (такие как "над", "верх", "ниже", "низ", "верхний", "нижний" и т.д.) используются лишь для удобства ссылки на прилагаемые чертежи.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также реализации раскрытые в различных частях описания могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.

Изобретение относится к СВЧ технике, в частности к волноводному поляризатору, а также к системе бесконтактной передачи сигнала и антенному устройству, содержащим упомянутый волноводный поляризатор. Волноводный поляризатор, представляющий собой участок круглого полого волновода, имеющий диаметр меньший, чем упомянутый волновод, с двумя продольными канавками в стенках поляризатора, расположенными диаметрально противоположно друг другу, причем длина поляризатора кратна , где - центральная длина волны сигнала рабочего диапазона в круглом волноводе. Технический результат - создание компактной надежной простой конструкции. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Волноводный поляризатор, представляющий собой участок круглого полого волновода, имеющий диаметр меньший, чем упомянутый волновод, с двумя продольными канавками в стенках поляризатора, расположенными диаметрально противоположно друг другу,

причем длина поляризатора кратна , где - центральная длина волны сигнала рабочего диапазона в круглом волноводе.

2. Волноводный поляризатор по п.1, причем дно канавок совпадает с внутренними стенками круглого волновода.

3. Волноводный поляризатор по п.1, причем канавки протягиваются по всей длине поляризатора.

4. Система бесконтактной передачи сигнала через вращающееся сочленение, содержащая передающую структуру, расположенную в одной части вращающегося сочленения, и приемную структуру, расположенную в другой части вращающегося сочленения, причем упомянутые части вращающегося сочленения расположены напротив друг друга и разделены воздушным зазором, а поверхности частей вращающегося сочленения, обращенные друг к другу, расположены перпендикулярно оси вращения вращающегося сочленения,

каждая из передающей структуры и приемной структуры содержит круглый полый волновод, расположенный соосно оси вращения,

по меньшей мере передающая структура содержит в круглом волноводе волноводный поляризатор по любому из пп.1-3,

в воздушном зазоре между упомянутыми частями вращающегося сочленения расположено дроссельное устройство, закрепленное на одной из упомянутых частей и представляющее собой печатную плату, в которой выполнено сквозное круглое отверстие соосно с осью вращения вращающегося сочленения, а вокруг упомянутого отверстия в печатной плате расположена EBG-структура, то есть Electromagnetic Band Gap - структура по типу электромагнитного кристалла с электромагнитной запрещенной зоной, выполненная с возможностью предотвращения утечки сигнала через воздушный зазор.

5. Система бесконтактной передачи сигнала по п.4, причем диаметр отверстия в печатной плате равен диаметру круглого волновода в передающей структуре и приемной структуре вращающегося сочленения.

6. Система бесконтактной передачи сигнала по п.4, причем расстояние от отверстия в печатной плате дроссельного устройства до EBG-структуры кратно , где - центральная длина волны сигнала рабочего диапазона в плоскопараллельном волноводе, образованном поверхностями частей вращающегося сочленения, обращенными друг к другу, и дроссельным устройством.

7. Система бесконтактной передачи сигнала по п.4, причем EBG-структура расположена вплотную к отверстию в печатной плате дроссельного устройства.

8. Система бесконтактной передачи сигнала по п.4, причем EBG-структура включает в себя по меньшей мере два ряда грибообразных M-EBG-элементов (Mushroom-EBG), каждый из которых включает в себя проводящую площадку, расположенную на внешнем слое печатной платы, и основание в виде цилиндра, выполненного посредством переходного металлизированного отверстия (VIA) и соединяющего упомянутую проводящую площадку с проводящим земляным слоем печатной платы.

9. Система бесконтактной передачи сигнала по п.8, причем зазор между дроссельным устройством и каждой из частей вращающегося сочленения составляет до , где - центральная длина волны сигнала рабочего диапазона в плоскопараллельном волноводе, образованном поверхностями частей вращающегося сочленения, обращенными друг к другу, и дроссельным устройством.

10. Система бесконтактной передачи сигнала по п.9, причем печатная плата дроссельного устройства содержит четыре металлизированных проводящих слоя, между которыми расположены слои диэлектрика, а EBG-структура расположена с обеих сторон многослойной печатной платы.

11. Система бесконтактной передачи сигнала по п.10, причем M-EBG-элементы на противоположных сторонах печатной платы соединены между собой посредством VIA.

12. Система бесконтактной передачи сигнала по п.8, причем дроссельное устройство расположено непосредственно на поверхности одной из частей вращающегося сочленения.

13. Система бесконтактной передачи сигнала по п.12, причем печатная плата дроссельного устройства содержит два металлизированных проводящих слоя, между которыми расположен слой диэлектрика, а EBG-структура расположена на стороне печатной платы, которая посредством воздушного зазора отделена от поверхности другой из частей вращающегося сочленения, когда обеспечен электрический контакт земляного слоя дроссельного устройства и поверхности упомянутой одной из частей вращающегося сочленения.

14. Система бесконтактной передачи сигнала по п.4, причем приемная структура содержит в круглом волноводе волноводный поляризатор.

15. Система бесконтактной передачи сигнала по п.4, причем сигнал представляет собой сигнал данных для передачи данных через вращающееся сочленение.

16. Система бесконтактной передачи сигнала по п.4, причем сигнал представляет собой сигнал мощности для бесконтактной передачи мощности через вращающееся сочленение.

17. Система бесконтактной передачи сигнала по п.4, причем передающая структура обеспечивает падение волн с линейной поляризацией на поляризатор под углом 45 градусов к канавкам поляризатора.

18. Антенное устройство с круговой поляризацией, включающее в себя волновод с волноводным поляризатором по любому из пп.1-3 и излучающее устройство.

19. Антенное устройство по п.18, в котором излучающее устройство представляет собой рупорную антенну.

20. Антенное устройство по п.18, причем антенное устройство обеспечивает падение волн с линейной поляризацией на поляризатор под углом 45 градусов к канавкам поляризатора.