分级频率响应非接触式滑环探针的制作方法

1.本发明涉及一种滑环探针，更特别地，涉及一种具有分段分级频率响应探针的滑环。


背景技术：

2.用于在相对于彼此可旋转的两个构件之间传导电信号的设备在本领域中是众所周知的。一般称为旋转接头或旋转电接口的这种设备包括滑环和扭囊等。当需要在构件之间无限制旋转时通常使用滑环，而当仅需要在构件之间有限旋转时通常使用扭囊。
3.滑环允许从静止结构到旋转结构或以其他方式在相对于彼此旋转的两个结构之间传输电力和信号，包括数据。滑环可以用于任何在传输电力或信号时需要旋转的机电系统。滑环还可以提高机械性能、简化系统操作，并消除悬挂在可移动接头上的易损坏电线。传统上，滑环设计仅在滑环区域的很小一部分上传送数据。
4.常规的滑环通常在构件之间采用滑动电触点。这些在某些应用中工作良好，但它们具有固有的弱点，即，限制了更高频率下的电气性能。非接触式滑环在现有技术中也是已知的。这种旋转接头系统使得能够在转子和定子之间传输高频电信号，而无需滑动电触点。这种非接触式系统包括用于回收跨信号源和信号接收器之间的空间发送的电磁能的设备。在射频(“rf”)通信系统中，这样的设备被称为天线(antennas)(或天线(antennae))，并且通常在自由空间的经典远场电磁辐射中操作。相比之下，利用电磁近场在非常短的距离内实现电气通信并从电磁近场中回收能量的旋转接头被称为“场探针”，或简称为“探针”。
5.旨在在电磁源的无功近场中起作用的设备采用与其远场对应物不同的形式，其中磁回路、电压探针和电阻加载偶极子在现有技术中是已知的。近场应用包括rf id标签和安全低速数据传输，它们在近场中利用磁感应。如本文所使用的，“探针”是在电磁源的近场中操作的结构，并且“天线”是为旨在主要作为远场设备的那些辐射结构保留的。本公开的主题包括在诸如滑环之类的非接触式旋转接头的近场中操作的电磁场探针。
6.常规天线和近场探针表现出多种行为，当以大于1gbps的数据传输速率操作时，这些行为妨碍或损害了它们在非接触式旋转接头系统中的使用。这种旋转接头系统需要超宽带(“uwb”)频率响应来传递数千兆比特数字数据的必要频率分量，并表现出高回波损耗和低失真脉冲响应以保持信号的时域特性。此外，非接触式旋转接头表现出使捕获跨旋转间隙发送的能量所需的天线和场探针的设计复杂化的特性。通常，非接触式旋转接头随着转子和定子之间的旋转而表现出场强变化、当信号作为波在传输线中从信号源到传输线终端传播时表现出定向行为，并且甚至可能在近场是不连续的。高频非接触式旋转接头对近场探针的设计提出了一系列独特的挑战。
7.大多数现有技术的天线和探针是窄带驻波设备，它们缺乏频率响应和时域响应来适应多吉比特数据流的宽带能量。小的近场电压和电流探针可能表现出合理的频率和脉冲响应，但对于可接受的信噪比通常缺乏足够的捕获区域。
8.美国专利no.10,033,074公开了非接触式旋转接头，用于跨限定在两个相对可移
动构件之间的接口发送电信号，解决了现有旋转接头解决方案的一些缺点。美国专利no.10,033,074公开了一种非接触式旋转接头，它广泛地包括可操作地布置以提供高速数字数据输出信号的信号源、具有源间隙和终端间隙的受控阻抗差分传输线、可操作地布置为从信号源接收高速数字数据输出信号并将其提供给受控阻抗差分线的源间隙的功率分配器、布置为与传输线间隔开，用于接收跨接口发送的信号的近场探针，以及可操作地布置为接收由探针接收的信号的接收电子器件。
9.美国专利no.7,142,071公开了一种速度补偿接触环系统，其包括第一介电材料、多个同心间隔开的导电环和第一接地平面。第一介电材料包括第一侧和第二侧。多个同心间隔的导电环位于第一介电材料的第一侧。导电环包括内环和外环。第一接地平面位于第一介电材料的第二侧。内环的宽度大于外环的宽度，并且内环和外环的宽度被选择为使内环和外环的电气长度基本相等。
10.美国专利no.6,956,445公开了一种接触式探针系统，其包括至少一个扁平刷触点和印刷电路板(pcb)。pcb包括用于将扁平刷触点耦合到外部接口的馈线。扁平刷触点位于pcb的第一侧，并且pcb包括将扁平刷触点互连到馈线的镀通孔眼。


技术实现要素：

11.在括号内参考所公开的实施例的对应部件、部分或表面，仅用于说明而非限制，提供了用于跨限定在两个相对可移动构件之间的非接触式接口(60)传输电信号(30)的非接触式旋转接头(115、215)，包括：发送器(16)，被配置为跨非接触式接口(60)发送信号(30)；近场探针(18)，与发送器间隔开布置并且可操作地布置为接收跨接口发送的信号；近场探针，具有用于接收跨接口发送的信号的信号捕获区(100、200、300)；信号捕获区域包括其长度针对信号的期望低频信号内容调整大小的分段的信号接收条带(110、130、210、230、310、330)并且被配置为接收包括信号的期望低频信号内容的信号的频率信号内容范围，该分段的信号接收条带包括：具有第一频率响应的第一信号接收段(119、219、319)；具有第二频率响应并且电耦合到第一信号接收段的第二信号接收段(111a、211a、311a)；具有第三频率响应并且电耦合到第一信号接收段的第三信号接收段(111b，211b，311b)；第二信号接收段的第二频率响应小于第一信号接收段的第一频率响应；并且第三信号接收段的第三频率响应小于第一信号接收段的第一频率响应；以及接收电子器件(28)，可操作地布置为接收由分段的信号接收条带经由第一信号接收段(119、219、319)接收到的频率信号内容范围。
12.第一信号接收段可以具有第一长度；第二信号接收段可以具有大于第一长度的第二长度；并且第三信号接收段可以具有大于第一长度的第三长度。分段的信号接收条带可以包括：第一耗散元件(121a、221a、314a)，定位在第一信号接收段和第二信号接收段之间并且被配置为将第一信号接收段与第二信号接收段隔离；以及第二耗散元件(121b、221b、314b)，定位在第一信号接收段和第三信号接收段之间并且被配置为将第一信号接收段与第三信号接收段隔离。
13.第二信号接收段(311a)可以包括被布置为提供信号滤波器(321a)的电耦合的电阻器(r)和电容器(c)，并且第三信号接收段(311b)可以包括被布置为提供信号滤波器(321b)的电耦合的电阻器和电容器。第一信号接收段(319)可以具有第一长度；第二信号接收段(311a)可以具有与第一长度相等的第二长度；并且
14.第三信号接收段(311b)可以具有与第一长度相等的第三长度。分段的信号接收条带(310)可以包括：第一耗散元件(314a)，定位在第一信号接收段(319)和第二信号接收段(311a)之间并且被配置为将第一信号接收段与第二信号接收段隔离；以及第二耗散元件(314b)，定位在第一信号接收段(319)和第三信号接收段(311b)之间并且被配置为将第一信号接收段与第三信号接收段隔离。
15.第一信号接收段、第二信号接收元件和第三信号接收元件可以各自包括铜。第一耗散元件和第二耗散元件可以各自包括电阻器。第一信号接收段(119、219、319)可以包括与接收电子器件(28)通信的中心抽头(61)。
16.第一信号接收段的第一频率响应可以对应于信号的频率信号内容的范围的第一频率子范围；并且第二信号接收段的第二频率响应可以对应于信号的频率信号内容的范围的第二频率子范围；并且第一频率子范围可以大于第二频率子范围。
17.发送器跨非接触式接口发送的信号可以是高速数字数据输出信号。发送器可以包括可操作地布置为提供高速数字数据输出信号的信号源(20)、具有源间隙(23)和终端间隙(24)的受控阻抗差分传输线(162)、可操作地布置为接收来自信号源的高速数字数据输出信号并将来自信号源的高速数字数据输出信号提供给受控阻抗差分传输线的源间隙的功率分配器(21)；并且近场探针可以布置为与受控阻抗差分传输线间隔开并且可以操作地布置为接收由发送器跨非接触式接口发送的信号。
18.分段信号接收条带可以包括至少两个附加信号接收段(112a、112b、113a、113b、311)，每个附加信号接收段具有频率响应并电耦合到第一信号接收段；并且其中每个附加信号接收段的频率响应随着附加信号接收段离第一信号接收段越远而减小。分段信号接收条带可以包括定位在第二信号接收段、第三信号接收段和附加信号接收段中的每一个之间的至少一个耗散元件(121a、122a、123a、121b、122b、123b、221a、222a、223a、221b、222b、223b、314a、314b，314)，并且耗散元件可以被配置为将相应的信号接收段彼此隔离。
19.每个附加信号接收段(112a、112b、113a、113b)的长度可以随着附加信号接收段离第一信号接收段(119、219)越远而增加。第二信号接收段(311a)、第三信号接收段(311b)和附加信号接收段(311)可以包括被布置为提供信号滤波器(321)的电耦合的电阻器(r)和电容器(c)。
20.信号捕获区域可以包括平行于第一分段信号接收条带(110、210、310)定向的第二分段信号接收条带(130、230、330)；第二分段信号接收条带包括：具有第一频率响应的第一信号接收段(139、239、339)；具有第二频率响应并且电耦合到第一信号接收段的第二信号接收段(131a、231a、331a)；具有第三频率响应并且电耦合到第一信号接收段的第三信号接收段(131b，231b，331b)；第二信号接收段的第二频率响应小于第一信号接收段的第一频率响应；并且第三信号接收段的第三频率响应小于第一信号接收段的第一频率响应，并且接收电子器件(28)可以可操作地布置为接收由第二分段信号接收条带(130)经由第二分段信号接收条带(130、230、330)的第一信号接收段(139、239、339)接收到的信号内容。
21.在另一方面，提供了一种其长度针对期望的低频信号内容调整大小的探针，该探针包括：多个信号接收条带(110、130、210、230、310、330)，被配置为接收低频信号内容和高频信号内容，多个信号接收条带中的每一个包括：连接到处理器(28)的中心抽头(61、62、119、139、219、239、319、339)；第一信号接收段(111a、211a、311a)，包括用于接收高频信号
的长度；第二信号接收段(111b，211b，311b)，包括用于接收高频信号的长度；第一耗散元件(121a、221a、314a)，定位在中心抽头和第一信号接收段之间以隔离中心抽头和第一信号接收段；以及第二耗散元件(121b、221b、314b)，定位在中心抽头和第二信号接收段之间以隔离中心抽头和第二信号接收段。
22.多个信号接收条带还可以包括:至少一个第一附加信号接收段(112a、113a、212a、213a)，包括用于接收高频信号的长度，该至少一个第一附加信号接收段电耦合到第一信号接收段；以及至少一个第二附加信号接收段(112b、113b、212b、213b)，包括用于接收高频信号的长度，该至少一个第二附加信号接收段电耦合到第二信号接收段。多个信号接收条带还可以包括定位在信号接收段之间以隔离中心抽头和信号接收段的多个耗散元件(122a、123a、222a、223a)。每个相应的信号接收段(112a、113a、212a、213a、112b、113b、212b、213b)的长度可以随着信号接收段离中心抽头越远而增加。每个信号接收段可以对应于频率信号内容的范围。第一信号接收段和第二信号接收段可以包括铜导电材料。第一信号接收段(311a)和第二信号接收段(311b)可以电耦合到电阻器(r)和电容器(c)滤波器(321)。第一信号接收段和第二接收段可以是0.11英寸乘0.075英寸。
23.在另一方面，提供了一种接收低频和高频信号内容的方法，该方法包括：提供包括其长度针对期望低频信号内容调整大小的探针，该探针包括：被配置为接收低频信号内容和高频信号内容的多个信号接收条带，多个信号接收条带中的每一个包括：连接到处理器的中心抽头；第一信号接收段，包括用于接收高频信号的长度；第二信号接收段，包括用于接收高频信号的长度；第一耗散元件，定位在中心抽头和第一信号接收段之间以将中心抽头与第一信号接收段隔离；以及第二耗散元件，定位在中心抽头和第二信号接收段之间以将中心抽头与第二信号接收段隔离；以及由第一信号接收段和第二信号接收段接收低频信号内容和高频信号内容。
24.多个信号接收条带中的每一个还可以包括：至少一个第一附加信号接收段，包括用于接收高频信号的长度，该至少一个第一附加信号接收段电耦合到第一信号接收段；以及至少一个第二附加信号接收段，包括用于接收高频信号的长度，该至少一个第二附加信号接收段电耦合到第二信号接收段。多个信号接收条带中的每一个还可以包括定位在信号接收段之间以隔离中心抽头和信号接收段的多个耗散元件。每个相应的信号接收段的长度可以随着信号接收段离中心抽头越远而增加。每个信号接收段可以对应于频率信号内容的范围。第一信号接收段和第二信号接收段可以由铜导电材料制成。第一信号接收段和第二信号接收段可以电耦合到电阻器和电容器。第一信号接收段和第二接收段可以是0.11英寸乘0.075英寸。
25.在另一方面，提供了一种滑环探针(100、200、300)，其包括多个导电条带(110、120、210、230、310、330)，这些导电条带被布置为与滑环(115、215)的发送器(162)间隔开用于接收跨滑环(115、215)的接口(60)发送的信号(30)，多个导电条带(110、120、210、230、310、330)中的每一个具有中心抽头(61、62、113、123、219、239、319、330)和长度(132、252)，能够在滑环(115、215)的发送器(162)和探针(100、200、300)之间在多个导电条带(110、120、210、230、310、330)的整个长度上提供耦合电容。
26.探针可以是分级频率响应探针(100、200、300)。多个导电条带(110、120、210、230、310、330)中的每一个可以包括跨多个导电条带(110、120、210、230、310、330)中的每一个的
相应长度(132、252)的可变损耗角正切(131、251)。跨多个导电条带(110、120、210、230、310、330)中的每一个的相应长度(132、252)的可变损耗角正切(131、251)可以朝多个导电条带(110、120、210、230、310、330)的外部区域增加。可变损耗角正切(131、251)在多个导电条带(110、120、210、230、310，330)中的每一个的中心抽头(61、62、113、123、219、239、319、339)处可以是最小的。可以基于信号(30)的频率来选择多个导电条带(110、120、210、230、310、330)中的每一个的相应长度(132、252)。多个导电条带(110、120、210、230、310、330)中的每一个可以包括信号捕获区域。信号捕获区域可以对应于耦合电容，信号捕获区域越大耦合电容越大。多个导电条带(110、120、210、230)中的每一个可以包括多个不连续衰减滤波器(111a、111b、112a、112b、113a、113b、211a、211b、212a、212b、213a、213b)。多个不连续衰减滤波器中的每一个的长度可以随着远离探针(100、200)的中心抽头(61、62、113、123、219、239)而增加。多个不连续衰减滤波器(111a、111b、112a、112b、113a、113b、211a、211b、212a、212b、213a、213b)中的每一个的长度可以对应于频率带宽。探针(100、200、300)可以包括布置在多个不连续衰减滤波器的相邻衰减滤波器之间的电阻器(121a、122a、123a、121b、122b、123b、221a、222a、223a、221b、222b、223b、314a、314b、314)。探针(100、200)还可以包括在多个导电条带(110、120、210、230)中的每一个的端部处用于衰减频率的焊盘(115a、115b、135a、135b、215a、215b、235a、235b)。探针(100、200、300)可以是直探针或弯曲探针。多个导电条带(110、120、210、230)的长度(132、252)可以与跨滑环(115、215)的接口(60)的电信号(30)的波长成比例，其中信号(30)的较低频率对应于多个导电条带(110、120、210、230)的较长长度以增加探针(100、200)的耦合电容。接收器可以被配置为在多个导电条带(110、120、210、230、310、330)的大部分长度(132、252)上接收信号的低频和接近于多个导电条带(110、120、210、230、310、330)的中心抽头(113、123、219、239、319、339)的区域中接收高频。
附图说明
27.图1是改进的非接触式旋转接头的第一实施例的示意图，并且特别地示出了用于发送器(tx)信号从数据发送(data transmit)侧到数据接收(data receive)侧的传输的非接触式旋转接头(“ncrj”)系统图。常规的正(+)和负(-)符号被示为表示差分信令线和传输线。
28.图2是图1中所示的滑环的圆形盘片电路板发送器的俯视图，其中发送轨道为圆形构造。
29.图3是图1中所示的滑环的圆形盘片电路板接收器和探针的俯视图，其中导电条带为圆形弯曲盘片构造。
30.图4是图3中所示的探针的一对导电条带的放大俯视图。
31.图5是非接触式滑环发送器和接收器的第二实施例的透视图，其中发送轨道和导电条带为线性构造。
32.图6是图5中所示的探针的导电条带的放大平面图，其中具有对应的损耗角正切图。
33.图7是图4的滑环探针在不同频率下的接收眼图的视图。
34.图8是图4中所示的探针的替代实施例的放大俯视图。
35.图9是图8中所示的10段探针的示意性电路图。
36.图10是具有理想的对应损耗角正切图的滑环探针的放大俯视图。
37.图11a和图11b分别图示了针对低频内容和高频内容的探针的信号传送。
具体实施方式
38.首先，应当清楚地理解，相同的附图标记旨在贯穿几个附图识别相同的结构元件、部分或表面，因为这些元件、部分或表面可以通过此详细说明是其组成部分的完整的书面说明书进一步描述或解释。除非另有指示，否则附图旨在与说明书一起阅读(例如，交叉影线、部件布置、比例、程度等)，并且被认为是本发明的整个书面说明的一部分。如在以下描述中所使用的，术语“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”和“下”及其形容词和副词派生词(例如，“水平”、“向右”、“向上”等)，仅指当特定附图面向读者时所示结构的朝向。类似地，术语“向内”和“向外”通常是指视情况而定表面相对于其伸长轴或旋转轴的朝向。
39.用于数据传输的非接触式滑环探针结构以不同的数据速率做出不同的响应。设计为以特定数据传输速率和协议执行的探针在其它数据速率和协议下性能不佳。此外，即使是优化的探针也会在探针沿着旋转或线性数据源轨道移动时出现波形失真，尤其是在轨道不连续的位置。这导致检测器处接收信号质量降低，并且信号(比特)错误率(ber)增加。
40.现在参考附图，并且更特别地参考其中的图1-4，提供了一种滑环，其第一实施例一般地以115指示。滑环115是非接触式旋转接头，用于跨两个相对可移动构件之间的介入接口传输高速数据信号，而无需在信号路径中使用滑动电触点。该接头包括：分离式差分微带传输线，其由信号源通过功率分配器驱动并在远端以电阻方式端接；以及接收器，其包括感测发送器差分微带的近场并将回收的信号能量输送到电子接收器用于检测的平面差分场探针。这种高速非接触式旋转接头可以用印刷电路板(“pcb”)技术来实现，并且可以支持具有频域带宽的多吉比特数据传输速率。
41.如图1中所示，信号源20用于将高速数字数据信号输送到功率分配器21(其可以是有源的或无源的)，其中信号通过源间隙23运送并进入到受控阻抗差分传输线162中。然后信号在发送器电路板16的线路162的差分传输线环形结构上作为横向电磁波(“tem”)传播到该信号通过宽带端接技术25在远端终端间隙24处端接的位置。在环形传输线162上传播的tem信号由接收器电路板18的超宽带平面分段gfr近场探测信号捕获区域100在近场中采样，接收器电路板18悬挂在发送器16和环形结构162上方一定距离处以允许旋转接头自由旋转，无需物理接触。因此，如图所示，探测信号捕获区域100悬挂在受控阻抗差分传输线162上方一定距离处。由近场探针100跨气隙60回收的信号30被输送到接收器18的接收器电子器件28，在那里可以检测、放大信号并恢复其数据。
42.数据源驱动器20可以是能够达到期望数据速率的多种技术中的任何一种，包括电流模式逻辑(“cml”)、现场可编程门阵列(“fpga”)、低电压差分信令(“lvds”)设备和其它分立设备。数据信号被划分成两个相等振幅反相信号用于馈送差分环形系统，该功能可以通过无源电阻分压器或有源技术(例如，cml扇出缓冲器)来完成。功率分配器21可以被实现为分立组件，或者，如在这个实施例中，结合到具有分立或集成组件的发送器16的pcb结构上，或者以平面pcb几何结构实现的嵌入式无源组件。由于组件封装的寄生电抗引入了在较高频率下变得越来越明显的信号反射，因此用于实现功率分配器的技术对数据信道的高频操
作施加了限制。驱动电子器件、功率分配器和传输线终端可以使用多种技术(例如，pcb结构上的通孔或表面贴装组件、集成组件或在平面pcb几何结构中实现的嵌入式无源组件)来实现，具有由降低的寄生电抗确定的高频率性能能力。
43.非接触式旋转接头115中的发送器16的环形结构162是受控阻抗差分传输线，其是非谐振的、不连续的，并且通常以微带多层印刷电路板技术实现。环形传输线162的性质使得大部分信号能量包含在导体的近场中。从结构辐射的能量往往在远场中抵消，有助于抑制电磁干扰(emi)。环形系统上的传播信号具有方向属性。
44.接收器18的近场探针100被设计为具有超宽带近场响应，同时满足环形传输线162上的高速数据传输的特定要求。接收器18被示为广泛地包括在一侧具有多对平行分段导电条带100的pcb。每对分段导电条带100包括第一分段导电条带110和第二分段导电条带130。第一导电条带110和第二导电条带130各自具有对应于接收器的期望低频域的长度并且被配置为跨旋转接头115的气隙60接收来自发送器160的信号。
45.第一导电条带110包括中心导电焊盘119、从中心焊盘119朝端部116延伸的导电焊盘111a、112a和113a、限定端部116的端部电容元件115a、从中心焊盘119朝端部118延伸的导电焊盘111b、112b和113b，以及限定端部118的端部电容元件115b。中心导电焊盘119具有连接到接收器板18的信号接收电子器件28的第一级放大器的中心通孔或抽头61。中心导电焊盘119、导电焊盘111a、112a和113a、端部电容元件115a、导电焊盘111b、112b和113b以及端部电容元件115b中的每一个分别通过电阻器121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a和124b彼此分开。
46.类似地，第二导电条带130从第一端136延伸到第二端138。第二导电条带130包括中心导电焊盘139、从中心焊盘139向端部136延伸的导电焊盘131a、132a和133a、限定端部136的端部电容元件135a、从中心焊盘139向端部138延伸的导电焊盘131b、132b和133b，以及限定端部138的端部电容元件135b。中心导电焊盘139具有连接到接收器板18的信号接收电子器件28的第一级放大器的中心通孔或抽头62。中心导电焊盘139、导电焊盘131a、132a和133a、端部电容元件135a、导电焊盘131b、132b和133b以及端部电容元件135b中的每一个分别通过电阻器141a、141b、142a、142b、143a、143b、144a和144b彼此分开。
47.因此，探针100的第一导电条带110不是连续的，而是由多个段119、111a、111b、112a、112b、113a和113b、多个电阻器121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a和124b、第一电容端115a和第二电容端115b形成。如图4中所示并且如下关于实施例200进一步描述的，在这个实施例中，段111a和111b、112a和112b以及113a和113b的长度不同，其中段长度随着距中心段119和中心通孔61的距离的增加而增加。因此，中心段119具有中心长度，段111a和111b具有大于中心段119的中心长度的第一长度，段112a和112b具有大于段111a和111b的第一长度的第二长度，并且段113a和113b具有大于段112a和112b的第二长度的第三长度。由于这种长度差异，导电段111a和111b、112a和112b以及113a和113b具有根据它们相对于中心段119的位置的不同频率响应。这种导电段的频率响应根据它们距中心段的距离或相对于中心段的位置而降低，使得段113a和113b对高频信号分量具有最低响应，并且中心段119对高频信号分量具有最高响应。导电条带110的总带长、单独的段长度和段数可以取决于接收器18期望的频率范围而不同。
48.如图4中所示并且如下关于实施例200进一步描述的，在这个实施例中，电阻器
121a、121b、122a、122b、123a、123b、124a和124b的长度也不同，其中电阻器长度随着距中心抽头119和中心通孔62的距离的增加而增加。因此，中心段119与段111a和111b之间的电阻器121a和121b分别具有第一长度，段111a和111b与段112a和112b之间的电阻器122a和122b分别具有大于电阻器121a和121b的第一长度的第二长度，并且段112a和112b与段113a和113b之间的电阻器123a和123b分别具有大于电阻器122a和122b的第二长度的第三长度。段113a和113b之间的电阻器124a和124b以及端部115a和115b的小端部电容分别有助于耗散向导电条带110的端部116和118传播的高频信号分量。电阻器121a、121b、122a、122b、123a和123b被配置为具有被设置为沿着条带110在它们的位置处衰减关注的频率的值。在这个实施例中，电阻器123a和123b被配置为使得低频信号分量可以分别从导电段113a和113b传递到导电段112a和112b，而高频信号分量则不能。进而，双电阻器122a和122b被配置为使得中高频信号分量可以分别从导电段112a和112b传递到导电段111a和111b，而高频信号分量则不能。进而，电阻器121a和121b被配置为使得中频信号分量可以分别从导电段111a和111b传递到导电段119，而高频信号分量则不能。电阻器值、单个电阻器长度和电阻器数量可以取决于接收器18期望的频率范围和衰减而不同。
49.类似地，探针100的第二导电条带130不是连续的，而是由多个段139、131a、131b、132a、132b、133a和133b、多个电阻器141a、141b、142a、142b、143a、143b、144a和144b、第一电容端135a和第二电容端135b形成。如图4中所示并且如下关于实施例200进一步描述的，在这个实施例中，段131a和131b、132a和132b以及133a和133b的长度不同，其中段长度随着距中心段139和中心通孔62的距离的增加而增加。因此，中心段139具有中心长度，段131a和131b具有大于中心段139的中心长度的第一长度，段132a和132b具有大于段131a和131b的第一长度的第二长度，并且段133a和133b具有大于段132a和132b的第二长度的第三长度。由于这种长度差异，导电段131a和131b、132a和132b以及133a和133b具有根据它们相对于中心段139的位置的不同频率响应。这种导电段的频率响应根据它们距中心段的距离或相对于中心段的位置而降低，使得段133a和133b对高频信号分量具有最低响应，并且中心段139对高频信号分量具有最高响应。导电条带130的总带长、单独的段长度和段数可以取决于接收器18期望的频率范围而不同。
50.如图4中所示并且如下关于实施例200进一步描述的，在这个实施例中，电阻器141a、141b、142a、142b、143a、143b、144a和144b的长度也不同，其中电阻器长度随着距中心段139和中心通孔62的距离的增加而增加。因此，中心段139与段131a和131b之间的电阻器141和141b分别具有第一长度，段131a和131b与段132a和132b之间的电阻器142a和142b分别具有大于电阻器141a和141b的第一长度的第二长度，并且段132a和132b与段133a和133b之间的电阻器143a和143b分别具有大于电阻器142a和142b的第二长度的第三长度。段133a和133b之间的电阻器144a和144b以及端部135a和135b的小端部电容分别有助于耗散向导电条带130的端部136和138传播的高频信号分量。电阻器141a、141b、142a、142b、143a和143b被配置为具有被设置为沿着条带130在它们的位置衰减关注的频率的值。在这个实施例中，电阻器143a和143b被配置为使得低频信号分量可以分别从导电段133a和133b传递到导电段132a和132b，而高频信号分量则不能。进而，双电阻器142a和142b被配置为使得中高频信号分量可以分别从导电段132a和132b传递到导电段131a和131b，而高频信号分量则不能。进而，电阻器141a和141b被配置为使得中频信号分量可以分别从导电段131a和131b传
递到导电段139，而高频信号分量则不能。电阻器值、单个电阻器长度和电阻器数量可以取决于接收器18期望的频率范围和衰减而不同。
51.因此，滑环115包括pcb材料的较长的发送条带162和较短的差分导电接收器探针信号捕获区域100。发送条带和接收器探针100靠近放置并且放置在发送条带162上的信号通常跨气隙60电容耦合到接收器探针100。信号由第一级放大器50放大并发送到通信接收器电路28。迹线通常被组织为差分轨道以减少emc效应，但也可以设想单个轨道。
52.如图2中所示，发送器16具有圆形平盘片构造，具有围绕中心定向的4个信道162。如图3中所示，接收器18同样被配置为具有四个探针信道100的圆形盘片电路板，其中弯曲导电条带110、130围绕中心定向。发送器16和接收器118是同轴的，使得每个信道的接收探针100从滑环115的对应信道发送轨道162跨气隙60径向对齐。在发送轨道162周围传播的信号跨气隙60电容耦合到接收探针100，其中信号被放大并且被传送到通信接收器电路。
53.虽然发送轨道162和接收器探针100在圆形盘片上弯曲(如图1-4中所示)，但在图5和图6中所示的替代实施例200中，这样的发送轨道和接收器探针被构造为直线平行轨道。现在参考图5和图6，改进的滑环探针的第二实施例一般地以200指示。除了其笔直构造外，探针200在构造和操作上与弯曲探针100类似。
54.如图5中所示，滑环215具有pcb材料的较长的发送条带260和较短的差分导电接收器探针200。发送条带260和接收器探针200靠近放置并且放置在发送条带上的信号通常跨气隙60电容耦合到接收器探针200。因此，接收探针200放置在滑环215的发送轨道262上方或附近，如图5中所示。沿着发送轨道262向下传播的信号跨气隙60电容耦合到接收探针200，其中信号经由放大器50被放大并且被传送到通信接收器电路。
55.如图6中所示，探针200被示为广泛地包括第一导电条带210和第二导电条带230。滑环200的第一导电条带210包括多个段219、211a、211b、212a、212b、213a和213b，多个电阻器221a、221b、222a、222b、223a、223b和224a、第一端部215a和第二端部215b。多个段219、211a、211b、212a、212b、213a和213b的长度如图6中所示并且以与关于探针100描述的相同方式不同。段211a和211b、212a和212b以及213a和213b的长度分别从中心段219到第一导电条带210的第一端215a和第二端215b增加。
56.第一导电条带210的第一端部215a和第二端部215b各自包括在第二铜焊盘上方的第一铜焊盘，其形成分别与相邻电阻器224a和224b串联接地的小电容，其被设计为在该特定位置衰减关注的频率。这些焊盘被示为正方形，其宽度大于多个段219、211a、211b、212a、212b、213a和213b的宽度。但是，如本领域的普通技术人员将理解的，包括关于多个段219、211a、211b、212a、212b、213a和213b的其它形状和宽度被预期适用于预期目的。
57.同样，多个电阻器221a、221b、222a、222b、223a、223b、224a和224b被配置为定位在多个段219、211a、211b、212a、212b、213a和213b的相邻段以及滑环探针200的端焊盘215a和215b之间。选择第一导电条带210的多个电阻器的值以在特定位置衰减关注的频率。该实施例还包括在中心段219与多个段的相邻段211a和211b之间的两个电阻器，但本公开预期仅一个电阻器或多于两个电阻器。此外，多个电阻器的长度取决于第一导电条带210的多个段的相邻段的尺寸而不同。
58.滑环200的第二导电条带220包括多个段239、231a、231b、232a、232b、233a和233b，多个电阻器241a、241b、242a、242b、243b、243b和244a、第一端部235a和第二端部235b。多个
段239、231a、231b、232a、232b、233a和233b的长度如图6中所示并且以与关于探针100描述的相同方式不同。段231a和231b、232a和232b以及233a和234b的长度分别从中心段239到第二导电条带230的第一端部235a和第二端部235b增加。
59.第一导电条带230的第一端部235a和第二端部235b各自包括在第二铜焊盘上方的第一铜焊盘，其形成分别与相邻电阻器244a和244b串联接地的小电容，其被设计为在该特定位置衰减关注的频率。这些焊盘被示为正方形，其宽度大于多个段239、231a、231b、232a、232b、233a和233b的宽度。但是，如本领域的普通技术人员将理解的，包括关于多个段239、231a、231b、232a、232b、233a和233b的其它形状和宽度被预期适用于其预期目的。
60.同样，多个电阻器241a、241b、242a、242b、243a、243b、244a和244b被配置为定位在多个段239、231a、231b、232a、232b、233b和233b的相邻段以及滑环探针200的端焊盘235a和235b之间。选择第二导电条带230的多个电阻器的值以在特定位置衰减关注的频率。该实施例还包括在中心段219与多个段的相邻段231a和231b之间的两个电阻器，但本公开预期仅一个电阻器或多于两个电阻器。此外，多个电阻器的长度取决于第二导电条带230的多个段的相邻段的尺寸而不同。
61.滑环探针200的外端(例如，第一导电条带210的第一端部215a和第二端部215b以及第二导电条带230的第一端部235a和第二端部235b)具有较高的高频损耗。滑环探针200的中心部分、最近的中心段219和中心段239以及条带210和230的中心通孔61和中心通孔62分别在高频下几乎没有损耗。这使最高频率馈送放大器50分别保持与滑环探针200的段219和239的中心通孔61和通孔62相邻，从而将波长(频率)限制到足够短以致不形成传输线的导电材料的长度(例如，第一导电条带210的多个段和第二导电条带230的多个段)。
62.随着关注的频率降低和波长增加，滑环探针200的第一导电条带210和第二导电条带230的越来越长的长度被使用。在较低频率下使用的滑环探针200的这种更大的信号捕获区域增加了到发送迹线262的耦合电容。这是有益的，因为较高的频率与较小的电容很好地耦合。为了在较低频率下实现相同的耦合，需要更大的电容(假设跨滑环探针200的阻抗是平坦的)。
63.滑环探针200的第一导电条带210和第二导电条带230可以由pcb铜条带或任何其它适用于预期目的并且本领域普通技术人员理解的导电材料形成。在本实施例中，第一导电条带210的多个段219、211a、211b、212a、212b、213a和213b以及第二导电条带230的多个段239、231a、231b、232a、232b、233a和233b是铜抽头，其长度对应于滑环探针200的那个位置处的频率带宽和期望的频率响应，如图6中所示。图6图示了具有损耗角正切轴251和探针长度轴252的损耗角正切图250。图6还图示了沿着滑环探针200的长度的各种降级的频率响应253a、253b、254a、254b、255a和255b。例如，第一导电条带210和第二导电条带230的段211a和231a分别对应于损耗角正切值253a和253b。第一导电条带210和第二导电条带230的段212a和232a分别对应于损耗角正切值254a和254b。第一导电条带210和第二导电条带230的段213a和233a分别对应于损耗角正切值255a和255b。第一导电条带210和第二导电条带230的段219和239分别对应于损耗角正切值256。
64.如图11a中所示，在低频下，滑环探针200使用第一导电条带210和第二导电条带230的大部分长度来将信息传送到放大器50。如图11b中所示，在较高频率下，中心接收器段119和139，以及其它对象内部导电段，诸如例如滑环探针200的第一导电条带210和第二导
电条带230的段211a、211b和231a、231b将信号传送到放大器50。朝第一导电条带210和第二导电条带230的第一端部215a和235a以及第二端部215b和235b的较高频率作为热量被耗散和吸收。由此，没有传播到放大器拾取区域50的机会。
65.参考图7，图示了用于滑环探针100的比特序列prbs-7和prbs-31的各种眼图。滑环探针100的测试结果对应于500mbps和10gbps之间频率范围内的低端频率内容。
66.在滑环的发送轨道262上可能存在信号性能良好的位置，而在沿着发送轨道262的其它位置信号中断。这些波动取决于当接收探针200相对于滑环的发送轨道262改变位置，包括轨道不连续的位置(例如，在气隙60上方)时产生的基本发射频率和谐振结构。
67.例如，为了跨滑环通信信道传送诸如hd视频信号之类的信号，使用了33.7mhz和8910mhz之间的平坦信道带宽，所有这些都没有对正弦波振幅或相位进行置换。这些频率也对应于大约25mm到7米的波形周期长度(在实际pcb材料中估计为光速的75％)。这些波长同时经由电容和/或电感耦合传送到接收器探针200。
68.较长波长(较低频率)以电容方式将能量撞击到接收探针200中，而没有传输线效应(例如，电磁干扰和噪声)。这是因为低频波长远大于探针200的长度，并且探针200在这些频率下沿着其长度连续响应。这些较低频率信号容易被引导到第一级放大器50而不会失真。低频可以以比探针200的长度更长的周期撞击到接收器探针200上。
69.更高的频率也同时跨滑环气隙传送。随着频率增加，波长减少，并且在某个点处接收器探针会从电容结构以其它方式传送到传输线耦合器。例如，如果接收器探针的长度为100mm，那么探针可能会开始在大约1000mm波长或220mhz处(以75％的传播率)传送到传输线设备。较高频率以短于探针长度的周期撞击到接收器探针上。
70.滑环探针100和200利用嵌入在滑环探针内的独特的连续过滤机制。探针100和200通过有效地仅传送在跨非接触式气隙60转换后正确重建数字波形所需的适当的分量频率和波形相位延迟在一系列数字数据速率和协议上显示出改进的探针响应。
71.探针100和200非常准确并且可以与任何频率分量集合一起使用以在跨气隙60运送后重建复杂波形，甚至比简单的二进制数字波形重建(即，pam-4)更复杂。这种拓扑要求导电材料中不断变化的损耗角正切。滑环探针可以通过使用可变掺杂材料的3d打印方法构建，该材料增加了沿着滑环探针长度的损耗角正切。
72.滑环探针100和200可以用于二进制编码的数字波形。滑环探针100和200还可以显著减少导致定时偏差和模拟量化误差的不想要的带外噪声。因此，滑环探针100和200适用于跨空间间隙的更复杂通信波形的准确重建，包括但不限于pam-4和pam-8波形及其衍生物。使用滑环探针100和200传送的波形的准确度还使用除二进制之外的调制，诸如跨旋转接口的pam-4或qam，从而在使用相同信道带宽的同时提高数据传输速率。此外，滑环探针100、200可以利用其它数字波形编码方案，这些方案使用替代调制，诸如psk、fsk、ask、qam、ook、cpm、qpsk、fm、am和这些调制技术的衍生物。
73.滑环探针100、200还通过有效地仅传送在跨非接触式空气间隙60运送之后正确重建数字波形所需的适当分量频率和波形相位延迟来改进在一系列数字数据速率和协议上的探针响应。
74.滑环探针100、200还改进了长行程数字通信(例如，符合smpte的视频数据流)的信号质量和跨旋转非接触式接口的8b10b通信的信号质量。这使得跨同一带宽信道更快的数
据传输速率，而无需增加需要附加信道流的成本。
75.滑环探针100、200还可以应用于旋转、线性运动或静止的非接触式通信系统。信号源和滑环探针100、200之间的气隙60的成分，虽然通常是空气，但可以是类似空气的混合物、真空或具有不同属性的介电材料。
76.现在参考图8和图9，改进的滑环探针的第三实施例一般地以300指示。如图所示，探针300具有类似于第一实施例探针100的弯曲构造并且可以用于滑环115的圆形滑环盘片构造中。探针300还具有一对分段导电条带310和330，其中第一导电条带310和第二导电条带330各自具有对应于接收器的期望低频域的长度并且被配置为跨旋转接头的气隙60从发送器16的迹线馈送362接收信号30。探针300的第一导电条带310和第二导电条带330也不是连续的，而是由中心段319和339以及从其在任一方向上延伸的分别以311和331单独指示的多个导电段或焊盘形成，其中这样的段被其间的分别以314和334单独指示的电阻器分开。但是，探针300与探针100和200的不同之处在于使用以321和341单独指示的后端电阻器r和电容器c元件分别耦合到段或焊盘311和331中的每一个，以分别根据它们距中心段319和339的距离或相对于中心段319和339的位置降低段311和331中的每一个的频率响应。导电铜段或焊盘311和331中的每一个由此被提供不同的频率响应，并且当它们分别远离探针中心和焊盘319和339移动时，这种频率响应减小。导电段311和331以及电阻器314和334中的每一个都具有相同的长度。在这个实施例中，电阻器314和334旋转九十度以缩短焊盘之间的间隔，并且两个较小的电阻器分别设置在中心焊盘319和339以及紧邻的焊盘311和334之间。
77.因此，滑环探针300包括：第一导电条带310，其中交替的导电铜段或焊盘311和电阻器314形成条带并且rc元件321控制沿着条带的焊盘频率响应；以及第二导电条带330，其中交替的铜段或焊盘331和电阻器334形成条带并且rc元件341控制沿着条带的焊盘频率响应，以衰减在滑环探针300的范围内接收到的最高频率并防止它们被发送到滑环探针300的相应第一导电条带310和第二导电条带330的中心铜段或焊盘319和339。r/c频率滤波器元件321和341附接到每个段或焊盘311和331的下侧。在这个实施例中，滤波器元件321和341中的每个电容器c的电容根据它们距中心段319和339的距离或相对于中心段319和339的位置而增加，使得紧邻中心焊盘319和339的段311和331具有最低电容并且在条带310和330的端部的段处的电容器c具有最高电容。因此，在这个实施例中，在中心段319和339处的电容为零，并且对于每个段311和331的每个电容器c，随着它们远离探针的中心移动，这样的电容由此增加，因此这些段随着它们远离探针的中心移动响应于越来越低的频率。导电铜段或焊盘311和331中的每一个由此被提供不同的频率响应，并且当它们分别远离探针中心和焊盘319和339移动时，这种频率响应减小。在这个实施例中，每个滤波器元件321和341的电容器c的电容根据距探针的中心的对应段311、331距离而不同，但是每个滤波器元件321和341的对应电阻器r的电阻可能相同。条带310被示为具有十个线电阻器314、位于中心段两侧的线段311和对应滤波器元件321以及通孔319。条带330被示为具有十个线电阻器334、位于中心段两侧的线段331和对应滤波器元件341以及通孔339。但是，取决于适用于预期目的和本领域普通技术人员理解的特定频率范围，可以使用更多或更少的线路电阻器、线段和滤波器元件。
78.滑环探针300是保持分段拓扑结构的梯度频率响应探针，但是高频分量在每个导
电部分311和331处分别通过无源电阻器r和电容器c滤波器321和341(例如，低通滤波器)衰减，这有效地将高频分量通过电阻分量分流到地平面322和342。r-c滤波器321和341电耦合在相应的第一导电条带310和第二导电条带330的每个段311和331下方。因此，在这个实施例中，滑环探针300包括跨探针300的长度的无源电阻-电容多极低通滤波器技术而不是错误端接的传输线段。在任一情况下，离中心抽头和中心信息抽头61和62的距离越远，信号30的高频区域衰减得越多。
79.图9中的电路表示中所示的电阻器r和电容器c可以是分立组件、分立组件和pcb嵌入组件的混合，或者所有pcb嵌入组件。此外，增加梯度频率响应(gfr)部分组件的数量产生原始数字波形的更简洁的表示，因为包含在给定数字信令级数中的所有可能谐波频率都无间隙地被考虑在内。在还有的实施例中，具有更多和更小段的gfr探针将开始表现为理想的、连续的gfr探针，如图10中所示。
80.图9还图示了在2.6ghz和11ghz之间的频率结构谐振范围。但是，滑环探针可以利用更小或更大的频率结构谐振范围以适合预期目的并且被本领域普通技术人员理解。
81.在这个实施例中，滑环探针300可以具有大约2.30英寸的总长度。每个接收器焊盘311和331可以是大约0.11英寸长和0.075英寸宽。滑环探针300的基板可以表示为er＝～4，其中传播速度大约为光速(c)的50％。焊盘311、331之间的电阻器314、334垂直放置以最小化焊盘到焊盘的间距。滤波器组件r、c可以位于每个焊盘处并且可以包括分立的和/或嵌入的组件。选择滤波器组件r、c值以通过最高频率，同时避免结构谐振。
82.图10图示了具有损耗角正切轴251和探针长度轴252的理想损耗角正切图40。图10还图示了具有沿着滑环探针的长度连续降级的频率响应33的滑环探针400。滑环探针的外端，朝滑环探针的第一端15a、15b和第二端35a、35b，具有更大的高频损耗。靠近中心抽头或通孔61、62的滑环探针的内部在高频下几乎没有损耗。这允许较高的频率在滑环探针的中心抽头61、62处馈送放大器50并将波长(频率)限制到滑环探针的导电材料10、30的一部分，以便足够短以不沿着滑环探针的长度形成传输线。随着导电段和导电段之间的电阻器变得越来越小，探针的损耗角正切图接近图10中所示的理想情况。
83.应该认识到的是，为了清楚起见在单独实施例的上下文中描述的本公开的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为了简洁起见在单个实施例的上下文中描述的本公开的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。
84.本公开预期可以进行许多改变和修改。因此，虽然已经示出和描述了改进的探针的形式，并且讨论了许多替代方案，但是本领域技术人员将容易地认识到，可以进行各种附加的改变和修改而不脱离本发明的范围，如由以下权利要求所定义和区分的那样。