МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ВРАЩАЮЩИЙСЯ ЖИДКОСТНЫЙ ТОКОСЪЁМНИК
MULTICHANNEL ROTATING LIQUID CURRENT COLLECTOR

Устройство относится к области радиолокации, точнее к многоканальным токосъемным устройствам и может быть использовано для одновременного приема/передачи электрических сигналов различной частоты и мощности, в том числе и цифровых сигналов сопряжения, а также напряжений питания постоянного и переменного тока от подвижной части антенн к неподвижной части антенно-фидерных трактов радиолокационных станций как гражданского, так и военного назначения.
Известно многофункциональное вращающееся устройство – патентRU 2340047, обеспечивающее одновременную передачу от неподвижной части на вращающуюся часть антенного поста РЛС высокочастотной и низкочастотной энергии большой и малой мощности. Устройство содержит последовательно соединенные волноводное вращающееся сочленение, вращающееся контактное устройство, коаксиальное вращающееся сочленение, имеющие общую ось вращения и коробку ввода кабелей.
По своему конструктивному исполнению устройство состоит из трех установленных друг на друга контактных колонок, состоящих из металлических корпусов с расположенными в них контактными устройствами с заданным типом и количеством контактных пар, и двух переходных корпусов.
Недостатком данного устройства является сложная конфигурация устройства из-за использования пяти составных корпусов, использование различных видов линий передачи для передачи каждого типа сигнала и большие габариты.
Известно токосъемное устройство – патент RU 2267840, позволяющее передавать одновременно с энергией питания, цифровые и видеосигналы без помех. Данное устройство содержит объединенные в едином корпусе два контактных устройства, вставленных одно в другое и разделенных экраном, который одновременно является элементом конструкции для размещения контактных и изоляционных колец. По контактным парам внешнего сильноточного контактного устройства передаются постоянные токи до     120 А, 27 – 300 В и переменные до 120 А, 220 В, 400 Гц, а по контактным парам слаботочного внутреннего контактного устройства передаются цифровые, видео сигналы и импульсные токи до 1 А с частотой до 5 кГц и напряжением 15В. Для экранирования слаботочных проводников от сильноточных в подвижном и неподвижном корпусах используются экраны.
Такая конструкция обладает следующими недостатками:
- использование двух контактных устройств, значительно повышает требования по соосности и центровке устройства в целом, а отсутствие свободного доступа к слаботочным контактным кольцам затрудняет контроль при сборке и проверке параметров устройства, а также возможность замены контактных колец;
- ограничение максимальной рабочей частоты до 5 кГц;
- слаботочные проводники объединены в общий жгут, что способствует взаимным наводкам между цепями.
Известно токосъемное устройство – патент RU 2525866, обеспечивающее передачу высоковольтных сигналов с широтно-импульсной модуляцией, низковольтных аналоговых и цифровых сигналов. Пакеты колец объединены в группы в зависимости от типа передаваемых сигналов, между которыми введены заземленные экранирующие кольца. Для повышения защиты слаботочных цифровых и аналоговых сигналов от воздействия синфазных помех со стороны высоковольтных сигналов с широтно-импульсной модуляцией используется витая пара проводов с согласованным волновым сопротивлением.
Недостатками конструкции данного устройства являются:
- помехозащищенность обеспечивается минимальной длиной проводов и расположением витой пары внутри токосъемника (исключаются пересечения проводов и расположения рядом других витых пар);
- при прямом подключении проводов к контактным кольцам возникает нестабильность потерь при вращении.
Известен многоканальный скользящий токосъемник – патентRU 2351044, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого установлен на подшипниковых опорах центральный вал и соосно валу собранные в пакет ярусно установленные блоки, с достаточным количеством токосъемных цепей передачи электрических сигналов различной частоты и мощности. В соответствии с назначением формируются силовые сильноточные, управляющие слаботочные и высокочастотные блоки, защищенные от влияния друг на друга экранами из меди.
Недостатком данного устройства является ограничение функциональных возможностей использования, максимальный рабочий ток до 18 А, максимальная рабочая частота  - до 18 кГц.
Аналогом заявляемого устройства является многоканальный вращающийся жидкостной токосъемник – патент RU 112514.
Данное устройство обеспечивает передачу электрических сигналов на видеочастотах до 5 МГц, высокочастотных сигналов с частотами 24, 30,60 МГц,  низкочастотных сигналов с параметрами 45 А, 220 В и 10 А, 27 В по сильноточным цепям и сигналов с параметрами 3 А, 27 В по слаботочным цепям цепям.
Конструктивно токосъемник представляет собой электромеханическое устройство, состоящее из металлического корпуса с крышкой, внутри которого размещена установленная на подшипниковых опорах контактная колонка, состоящая из контактных пар, соединенных посредством проводов и кабелей с внешними и внутренними электрическими соединителями. Количество контактных пар токосъемника определяется количеством передаваемых сигналов. Корпус (ротор) токосъемника сочленен с антенной системой и вращается вместе с ней относительно неподвижной части антенного модуля РЛС, а центральная часть (статор) - неподвижна.
Передача электрических видеочастотных и высокочастотных сигналов осуществляется по двум контактным парам, состоящих из сигнальных и экранных колец, а низкочастотных сигналов по сильноточным и слаботочным цепям – по одинарным контактным парам, состоящих только из сигнальных колец
В примененной схеме раскладки колец контактные кольца, работающие на одной из частот 24, 30, 60 МГц, конструктивно разнесены на максимально возможное расстояние друг от друга, между экранными высокочастотными кольцами и цепями видеочастоты, а также между экранами разъемов и корпусом токосъемника дополнительно введены RC-элементы, обеспечивающие дополнительную фильтрацию между высокочастотными сигналами токосъемника.
Недостатками данного токосъемного устройства являются: взаимное влияние друг на друга видеочастотных и высокочастотных сигналов, проходящих через его сигнальные цепи, а также ограничение максимальной рабочей частоты до 60 МГц.
Задачами изобретения являются создание многоканального вращающегося жидкостного токосъемного устройства для передачи силовых питающих напряжений 220 В, 45 А, 400 Гц; сильноточных 20 А, 27 В и слаботочных 3 А, 27 В сигналов управления; высокочастотных сигналов с максимальной рабочей частотой 120 МГц; реализация помехоустойчивой высокоскоростной передачи сигнала в цифровой форме по цепям видеочастоты 1 и 4 МГц.
Поставленные задачи достигаются тем, что в заявляемом многоканальном вращающемся жидкостном токосъемнике применен комплекс принципиально новых, по сравнению с прототипом технических решений:
1. Для обеспечения помехоустойчивой высокоскоростной передачи сигнала в цифровой форме по цепям видеочастоты его передача осуществляется в виде дифференциальной пары сигналов по дифференциальным цепям.
2. Для увеличения максимальной рабочей частоты до 120 МГц высокочастотный сигнал разделяется на два канала и подводится к сигнальному кольцу в двух точках, разнесенных друг относительно друга на 180°. Для обеспечения подключения высокочастотных цепей в двух точках сигнального кольца использованы делители и сумматоры, выполненные в виде отдельных микросборок.
Технический результат достигается тем, что в многоканальном вращающемся  жидкостном токосъемнике, содержащем металлический корпус с крышкой, внутри которого размещена установленная на подшипниковых опорах контактная колонка, состоящая из контактных пар, соединенных посредством проводов и кабелей с внешними и внутренними электрическими соединителями, в котором:
– для помехоустойчивой скоростной передачи сигнала в цифровой форме по цепям видеочастот в виде дифференциальной пары сигналов по дифференциальным цепям использованы четыре контактные пары колец: две контактные пары представляют собой сигнальные кольца, и еще две контактные пары – экранные. Через каждую пару сигнальных колец передается один электрический сигнал, при этом сигнал, проходящий по одной контактной паре сигнальных колец имеет положительную полярность, а по другой – отрицательную;
– для увеличения максимальной рабочей частоты до 120 МГц высокочастотный сигнал разделяется на два канала: от входного коаксиального разъема через делитель 1:2 входной сигнал проходит через коаксиальную линию передачи, поступает на входные согласующие трансформаторы, и далее подводится к сигнальному кольцу статора в двух точках, разнесенных друг относительно друга на 180 °, передается на контактирующее с ним сигнальное кольцо ротора, снимается с него также в двух точках, разнесенных друг относительно друга на 180 °, поступает на выходные согласующие трансформаторы и через коаксиальную линию передачи на входы делителя 1:2, а с его выхода на выходной коаксиальный разъем;
– цепи для передачи силовых питающих напряжений 220 В, 45 А,400 Гц, сильноточных 20 А, 27 В и слаботочных 3 А, 27 В сигналов управления выполнены аналогично силовым сильноточным и слаботочным цепям многоканального вращающегося жидкостного токосъемника – патент RU 112514.
Отличительными признаками предлагаемого многоканального вращающегося  жидкостного токосъёмника от известных являются:
– передача цифрового сигнала по цепям видеочастот в виде дифференциальной пары сигналов по дифференциальным цепям для обеспечения возможности помехоустойчивой высокоскоростной передачи сигнала в цифровой форме свыше 1 Мбит/с;
–  разделение высокочастотного сигнала с рабочей частотой 120 МГц на два канала и подключение к контактным кольцам в двух точках разнесенных друг относительно друга на 180°, наличие делителей, сумматоров и согласующих трансформаторов в цепях рабочей частоты 120 МГц.
Описание многоканального вращающегося жидкостного токосъёмника в статическом состоянии иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1– 5.
На фиг. 1 – общий вид заявляемого многоканального вращающегося жидкостного токосъемника.
На фиг.2 – разрез контактной колонки многоканального вращающегося жидкостного токосъемника.
На фиг. 3 –  вид сверху заявляемого многоканального вращающегося жидкостного токосъемника без крышки.
На фиг. 4 – продольный разрез контактных пар дифференциальной линии передач.
На фиг. 5 представлена зависимость потерь в высокочастотных контактных кольцах от рабочей частоты, определяемая с помощью прибора «Обзор-304/1».
Заявляемый многоканальный жидкостной токосъемник (фиг.1) содержит корпус 1 с крышкой 2, внутри которого установлена на подшипниковых опорах 3 и 4, контактная колонка 5, состоящая из собранных в пакет и стянутых посредством расположенных по окружности стяжных шпилек 6 контактных пар колец, представляющих собой токосъемные цепи передачи электрических сигналов различной частоты и мощности.
Внутри многоканального жидкостного токосъемника через весь корпус 1 проходит труба 7, для прокладки кабелей и подключения к внутренним соединителям токосъемника.
Для обеспечения минимального сопротивления по трению при вращении и повышенной электрической прочности, внутрь токосъемного устройства заливается диэлектрическая жидкость. Для контроля уровня залитой жидкости в верхней части токосъемника установлено смотровое окно 8 с нанесенными на него температурными рисками.
В верхней части установлен штуцер 9, к которому подсоединяется шланг для перелива жидкости. В нижней части корпуса токосъемника установлен штуцер 10 с ниппелем для обеспечения возможности слива жидкости из токосъемника.
Корпус токосъемника в своей нижней части имеет крепежный фланец 11 и посадочный центрирующий поясок 12, посредством которых токосъемник устанавливается на поворотный фланец.
В контактной колонке 5 сформированы контактные пары колец для передачи силовых питающих напряжений 220 В, 45 А, 400 Гц, сильноточных 20 А, 27 В и слаботочных 3 А, 27 В сигналов управления, видеочастотных сигналов с частотами 1 и 4МГц и высокочастотных сигналов с рабочей частотой  120 МГц.
Каждая контактная пара (фиг.2) состоит из внутренних (статор) 13 и наружных (ротор) 14 контактных колец, соединенных посредством проводов и кабелей с электрическими соединителями: внешними и внутренними.
Передача сигналов на рабочей частоте 120 МГц от неподвижной части к подвижной в токосъемном устройстве от внутренних электрических соединителей к внешним осуществляется через контактные кольца по сигнальной контактной паре. Экранные контактные пары колец расположены сверху и снизу от сигнальных колец.
Подключение сигнальных контактных колец, как в статоре, так и в роторе, осуществляется в двух точках на окружности, разнесенных на 180 º (фиг.2). Введение двух дополнительных контактных точек позволяет уменьшить максимальное изменение угла поворота колец в 2 раза (со 180º  до 90º). Для подключения контактных колец к электрическим соединителям в двух точках применены делитель на 1:2  15 и сумматор 2:1  16. Делители 1:2  15 крепятся с помощью винтов на экранных кольцах и расположены на внутренней поверхности контактной колонки 5. Сумматоры 2:1  16 крепятся с помощью винтов на экранных кольцах и расположены на наружной поверхности контактной колонки 5 (фиг.1).
Согласование волнового сопротивления линии передачи сигналов с рабочей частотой 120 МГц со стандартными коаксиальными разъемами с волновым сопротивлением 50 Ом, достигается применением согласующих трансформаторов 17, которые крепятся к контактным лепесткам контактных колец посредством пайки. Трансформаторы представляют собой понижающие автотрансформаторы, намотанные на ферритовых сердечниках.
Для равномерного рассредоточения проводов и кабелей внутри токосъемного устройства (фиг.2), раскладка контактных лепестков колец выполнена под определенным углом, провода распаяны на переходные колодки 18, а кабели фиксируются металлическими втулками с изоляционными прокладками 19.
Внешние электрические соединители для подключения наружных контактных колец (фиг.3) расположены на внешней стороне вращающегося корпуса 1. Панель 20 из изоляционного материала, с установленными на ней радиочастотными соединителями 21 для присоединения к ним высокочастотных и видеочастотных кабелей, герметичные низкочастотные соединители 22 для присоединения сильноточных и слаботочных цепей, а также специальные контактные шпильки 23 для подключения силовых питающих напряжений 220 В, 45 А, 400 Гц закреплены непосредственно на корпусе 1.
Внутренние электрические соединители расположены под крышкой токосъемника (фиг.3). Панель 24 из изоляционного материала, с установленными на ней  радиочастотными соединителями 25, герметичные низкочастотные соединители 26 и специальные контактные шпильки 27 закреплены непосредственно на подшипниковом узле.
Конструкция контактной пары для дифференциальной линии передачи представлена на фиг. 4.
Две контактные пары сигнальных колец 28 размещены друг над другом и используются для передачи дифференциальной пары сигналов: сигнала положительной полярности (сигнал «плюс») и сигнала отрицательной полярности (сигнал «минус»). Сигнальные кольца соединяются посредством пайки с центральными жилами проводов витой пары 29. Витые пары статора и ротора подключены к соответствующим внутренним и внешним электрическим соединителям.
Экранные кольца 30, выполненные из  фольгированного с одной стороны диэлектрика, представляют собой сплошную проводящую поверхность с обратной стороны  диэлектрического основания и располагаются сверху и снизу от сигнальных колец 28. Фольгированный слой экранных колец 30, соединяется посредством пайки через перемычки 31 с экранами  витой пары 29 и образует с ним единую цепь.
.
Работает заявляемый многоканальный вращающийся жидкостной токосъемник представленный на фиг. 1, следующим образом.
Корпус 1 (ротор) токосъемника сочленен с антенной системой и вращается вместе с ней относительно неподвижной части антенного модуля РЛС, а центральная часть (статор) неподвижна, то есть при вращении подвижной части вращается ротор токосъемника (наружные кольца), а остальная часть (внутренние кольца) остается неподвижной. При этом лепестковые контакты контактных колец ротора скользят относительно плоских неподвижных контактных колец статора, благодаря чему осуществляется электрическая связь между подвижными и неподвижными контактными кольцами, соединенными посредством проводов и кабелей  с соответствующими электрическими соединителями.
Силовые питающие напряжения 220 В, 45 А, 400 Гц от контактных шпилек 27 через силовые кабели поступают на неподвижные плоские контактные кольца статора, переходят на контактирующие с ними лепестковые контакты контактных колец ротора, и по силовым кабелям поступают на контактные шпильки 23 ротора и далее на антенную систему.
Сильноточные 20 А, 27 В и слаботочные 3 А, 27 В сигналы управления от герметичных низкочастотных соединителей 26 через электрические провода поступают на неподвижные плоские контактные кольца статора переходят на контактирующие с ними лепестковые контакты контактных колец ротора, откуда по электрическим проводам поступают на герметичные низкочастотные соединители 22 ротора и далее на антенную систему.
Высокочастотные сигналы с рабочей частотой до 120 МГц (фиг. 2) поступают на входные радиочастотные разъемы 25, затем высокочастотные сигналы поступают на делители 1:2  15, расположенные на внутренней поверхности контактной колонки, разделяются на два канала, проходят через коаксиальные линии передачи, поступают на входные согласующие трансформаторы 17 и далее подводятся к сигнальным кольцам статора  в двух точках, разнесенных друг относительно друга на 180°, передаются на контактирующие с ним сигнальные кольца ротора, снимаются с них также в двух точках, разнесенных друг относительно друга на 180 °, поступают на выходные согласующие трансформаторы 17 и через коаксиальные линии передачи на входы сумматоров 2:1 17, расположенных на внешней стороне контактной колонки, и с их выходов на радиочастотные разъемы 21 ротора и далее на антенную систему.
Сигналы в цифровой форме, передаваемые по цепям видеочастот  1 и4 МГц (фиг.4), поступают на радиочастотные разъемы статора 25 в виде сигналов положительной (сигнал «плюс») и отрицательной полярности (сигнал «минус»), через витую пару 29 поступают на сигнальные кольца 28, передаются на контактирующие с ними сигнальные кольца ротора, и далее через коаксиальную пару на радиочастотные разъемы ротора 21 и антенную систему.
Кольца видеочастот, работающие на различных видеочастотах, максимально разнесены друг от друга, что обеспечивает развязку между каналами видеочастот разной частоты не менее 35 дБ. Кольца видеочастот, работающие на одной и той же частоте, максимально приближены друг к другу. Для обеспечения развязки не менее 30 дБ между кольцами, работающими на одной и той же частоте, применена экранная контактная пара колец, которая перекрывает по площади сигнальную пару колец.
В процессе отработки конструкции токосъемного устройства проводились измерения его параметров.
С целью определения эффективности организации помехозащищенности при передаче сигналов через симметричные линии, проведена оценка вносимых искажений дифференциальных сигналов при прохождении по дифференциальным линиям передачи токосъемного устройства.
Производилась оценка следующих параметров дифференциальных сигналов, наблюдаемых на выходе симметричных каналов блока (таблица 1):
– асимметрия амплитуд дифференциальной пары, определяемая как разность абсолютных значений амплитуд импульсов в паре, В;
– сдвиг фаз дифференциальной пары, определяемый как временное смещение момента перехода через «ноль» между симметричными импульсами пары, нс.
Таблица 1 – Результаты оценки искажений дифференциальных сигналов вносимых при прохождении по симметричным каналам токосъемника, а также измеренные величины потерь
Номер канала видеочастоты
Асимметрия амплитуд, мВ
Сдвиг фаз, нс
Потери, дБ
1МГц
2МГц
5МГц
В1
<10
<2,5
0,03
0,14
0,38
В2
<10
<2,5
0,01
0,15
0,4
В3
<10
<2,5
0,07
0,11
0,34
В6
<10
<2,5
0,08
0,11
0,3
В7
<10
<2,5
0,14
0,13
0,28
В8
<10
<2,5
0,01
0,1
0,2
В9
<10
<2,5
0,02
0,1
0,16
Для определения возможности передачи сигналов на рабочей частоте 120 МГц через контактные кольца токосъемного устройства производилась оценка потерь в высокочастотных контактных кольцах в зависимости от рабочей частоты с изпользованием  прибора «Обзор-304/1» (фиг.5).
Предлагаемая конструкция токосъемного устройства позволила достигнуть и практически отработать многовариантность реализации конструкций для обеспечения экранирования и помехозащиты электрических цепей для передачи различных видов сигналов: дополнительные экранные кольца, дифференциальные линии передачи, согласующие трансформаторы. Выбор конкретного варианта реализации экранирования и помехозащиты электрических цепей определяется видом передаваемого сигнала, величиной требуемой развязки, и габаритами токосъемного устройства.
Эффективность заложенных в конструкцию заявляемого многоканального вращающегося жидкостного токосъемника технических решений, а также возможность получения при осуществлении изобретения вышеупомянутого технического результата, заключающегося в улучшении технико-эксплуатационных характеристик вновь разработанного изделия РЛС, подтверждены изготовлением токосъемного устройства, проведением его предварительных испытаний и государственных испытаний в составе РЛС. Предлагаемое изобретение внедрено в серийное производство.