Вращающееся сочленение с бесконтактной передачей данных

Изобретение относится к системе передачи данных для устройств с вращающимися частями. Технический результат - снижение массы и размеров, повышение надежности системы передачи данных через вращающиеся сочленения с обеспечением высокой скорости передачи данных. Достигается тем, что система передачи данных через вращающееся сочленение состоит из приемной части и передающей части, а также полого круглого волновода, выполненного по меньшей мере в одной металлической структуре, расположенной между приемной и передающей частями системы. Причем каждая из приемной и передающей частей включает в себя печатную плату с приемопередатчиком и соединенным с ним метаматериальным волноводом. Причем метаматериальный волновод представляет собой волновод с EBG-структурой, расположенной вокруг него на печатной плате. Упомянутая по меньшей мере одна металлическая структура расположена на расстоянии от каждой из упомянутых печатных плат. Причем система передачи данных выполнена с возможностью передачи данных посредством упомянутых метаматериальных волноводов и полого круглого волновода. 14 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе передачи данных для устройств с вращающимися частями.

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 данных 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 данных через вращающиеся сочленения:

1. Узлы с использованием кабелей для передачи данных. 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.), могут приводить к возникновению помех из–за искрения между контактами, деградируют со временем вследствие механического износа.

3. Высокочастотные вращающиеся сочленения на основе разделенных коаксиальных или круглых волноводов. Такие решения зачастую имеют цельнометаллическую объемную конструкцию, которая подходит только для стационарных объектов.

В существующем уровне техники известно решение, раскрытое в документе US 2015/0130565 A1, которое представляет собой вращающееся сочленение на основе двух прямоугольных металлических волноводов, соединенных посредством коаксиальной линии передачи. Данное решение имеет цельнометаллическую объемную конструкцию и не подходит для сочленений компактного робота.

В документе US 8,963,790 B2 раскрыто трехосное вращающееся сочленение на основе круглого волновода. Однако, данное решение также имеет излишне громоздкую конструкцию, что делает его непригодным для сочленений роботов.

Документ US 9,358,684 B1 описывает устройство беспроводной передачи данных для использования в руке робота, которое включает в себя вращающийся блок, имеющий первую обмотку и вторую обмотку, расположенные коаксиально с возможностью вращения относительно друг друга. Однако данное устройство передачи данных непригодно для высокоскоростной передачи данных вследствие низкочастотного механизма передачи данных.

Решение, раскрытое в документе US 2013/0181791 A1, представляет собой волноводную структуру для бесконтактного соединителя. Бесконтактный соединитель включает в себя первую микросхему связи, выполненную с возможностью по меньшей мере одного из передачи и приема беспроводных радиочастотных (RF) сигналов, вторую микросхему связи, выполненную с возможностью по меньшей мере одного из передачи и приема беспроводных RF сигналов, и волноводную структуру между первой и второй микросхемами связи. Однако, такое решение основано на громоздком металлическом волноводе и не подходит для сочленений компактного робота.

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

– низкая надежность,

– 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 передачу данных через вращающиеся сочленения роботов.

Сущность изобретения

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

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложена система передачи данных через вращающееся сочленение, состоящая из приемной части и передающей части, а также полого круглого волновода, выполненного по меньшей мере в одной металлической структуре, расположенной между приемной и передающей частями системы передачи данных, причем приемная часть расположена на одной стороне вращающегося сочленения, а передающая часть расположена на другой стороне вращающегося сочленения, причем каждая из приемной части и передающей части включает в себя печатную плату с приемопередатчиком и соединенным с ним метаматериальным волноводом, расположенным на стороне печатной платы, обращенной к упомянутой металлической структуре, причем метаматериальный волновод представляет собой волновод с EBG–структурой (структурой с электромагнитной запрещенной зоной), расположенной вокруг него на печатной плате и сформированной множеством EBG–элементов, причем упомянутая EBG-структура выполнена с возможностью блокировки распространения электромагнитных волн в заданном диапазоне частот из волновода во внешнее пространство, упомянутая по меньшей мере одна металлическая структура расположена на расстоянии от каждой из упомянутых печатных плат, ось круглого полого волновода в упомянутой по меньшей мере одной металлической структуре совмещена с осью вращения сочленения, причем система передачи данных выполнена с возможностью передачи данных посредством упомянутых метаматериальных волноводов и полого круглого волновода.

Согласно одному варианту осуществления системы передачи данных приемопередатчик расположен на противоположной стороне печатной платы от метаматериального волновода и соединен с ним посредством сигнального металлизированного отверстия (VIA).

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных метаматериальный волновод представляет собой гребневый волновод с EBG–структурой, расположенной вокруг него на печатной плате.

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных гребневый волновод представляет собой первый слой заземления, из которого вдоль требуемого направления прохождения волны проходят множество VIA, расположенных на расстоянии друг от друга и соединенных между собой на поверхности печатной платы печатной дорожкой, причем упомянутая по меньшей мере одна металлическая структура является вторым слоем заземления метаматериального волновода.

Согласно альтернативному варианту осуществления системы передачи данных метаматериальный волновод представляет собой желобковый волновод с EBG-структурой, расположенной вокруг него на печатной плате.

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных в области сопряжения метаматериального волновода и полого круглого волновода упомянутый метаматериальный волновод имеет симметричную конфигурацию, состоящую из нескольких эквифазных ветвей, протягивающихся от точки соединения с приемопередатчиком и сходящихся к точке пересечения оси вращения сочленения и печатной платы.

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных симметричная конфигурация метаматериального волновода в области сопряжения состоит из четырех эквифазных ветвей.

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных симметричная конфигурация из эквифазных ветвей метаматериального волновода выполнена с возможностью возбуждения моды TM₀₁ в круглом полом волноводе при передаче сигнала.

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных упомянутые эквифазные ветви гальванически соединены в точке пересечения оси вращения сочленения и печатной платы.

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных упомянутая по меньшей мере одна металлическая структура включает в себя две металлические структуры, причем круглые полые волноводы каждой из металлических структур связаны между собой посредством бесконтактного фланцевого соединения.

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных по меньшей мере в одном фланце бесконтактного фланцевого соединения выполнены кольцевые дроссельные канавки.

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных один из приемопередатчиков соединен с антенным модулем.

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных круглый полый волновод включает в себя секции трансформаторов для согласования с метаматериальным волноводом.

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных EBG–элемент состоит из площадки, расположенной на верхнем слое печатной платы, и основания в виде VIA, протягивающегося от площадки к внутреннему слою заземления печатной платы.

Согласно другому варианту осуществления системы передачи данных площадки EBG-элемента имеют круглую, квадратную, треугольную или шестиугольную форму.

Настоящее изобретение позволяет снизить массу и размеры, повысить надежность системы передачи данных через вращающиеся сочленения, обеспечивая при этом высокую скорость передачи данных.

Краткое описание чертежей

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

На фиг. 1 изображен первый вариант осуществления вращающегося сочленения с возможностью беспроводной передачи данных согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2а изображает поперечное сечение фрагмента многослойной печатной платы с приемопередатчиком согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2б изображает вид снизу фрагмента печатной платы с приемопередатчиком согласно настоящему изобретению.

Фиг. 3 изображает примерную блок–схему приемопередатчика, применяемого в настоящем изобретении.

На фиг. 4 изображен вид сверху фрагмента печатной платы, а также поперечное сечение части упомянутого фрагмента.

Фиг. 5 изображает область сопряжения метаматериального волновода на верхнем слое печатной платы и полого круглого металлического волновода в опорной металлической структуре вблизи оси вращения сочленения.

Фиг. 6 изображает вид сверху на верхний слой печатной платы, на котором расположен примерный вариант перехода от точки соединения сигнального VIA с гребневым волноводом к конфигурации из четырех симметричных ветвей метаматериального волновода.

Фиг. 7 изображает второй вариант осуществления вращающегося сочленения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 8 изображает альтернативный вариант конфигурации из четырех ветвей метаматериального волновода.

Фиг. 9 изображает альтернативный вариант осуществления круглого полого волновода в соответствии с настоящим изобретением.

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.

Вращающееся сочленение в соответствии с настоящим изобретением, изображенное на фиг. 1, состоит из двух частей: стационарной и подвижной. Согласно примерному варианту осуществления верхняя часть сочленения, изображенного на фиг. 1, является стационарной, а нижняя – подвижной. Однако, стоит отметить, что в альтернативном варианте осуществления упомянутые части сочленения могут быть инвертированы, т.е. верхняя часть может быть подвижной, а нижняя – стационарной. С точки зрения передачи данных, в зависимости от направления передачи часть системы передачи данных на стационарной части сочленения может быть как передающей частью (передает сигнал в другую часть системы передачи данных), так и приемной частью (принимает сигнал из другой части системы передачи данных). Аналогично, часть системы передачи данных на подвижной части сочленения может быть как передающей частью, так и приемной частью. При этом, когда часть системы передачи данных на стационарной части сочленения является передающей частью, часть системы передачи данных на подвижной части сочленения является приемной частью, и наоборот. Стоит отметить, что в процессе работы направление передачи данных может неоднократно изменяться на противоположное, т.е. соответствующие части системы передачи данных меняются ролями.

Стационарная часть сочленения, изображенного на фиг. 1, включает в себя опорную металлическую структуру 1 с полым круглым металлическим волноводом. На упомянутой опорной металлической структуре 1 посредством прокладок 4 закреплена многослойная печатная плата 2 (PCB – printed circuit board) с электронными компонентами 3 и бесконтактным метаматериальным волноводом. В данном случае метаматериальный волновод подразумевает волновод, по сторонам от которого реализована EBG–структура (electromagnetic band gap – электромагнитная запрещенная зона), т.е. в упомянутой EBG-структуре невозможно распространение электромагнитных сигналов некоторого заданного диапазона частот, несмотря на зазор между металлом основания волновода и печатной платой. В опорной металлической структуре 1 выполнен круглый полый волновод, ось которого совмещена с осью вращения сочленения, через который осуществляется передача данных между частями сочленения. В качестве прокладок 4 между опорной металлической структурой 1 и PCB 2 в примерном варианте осуществления применяются болты. Однако, в качестве альтернативы вместо болтов могут применяться любые крепежные элементы, обеспечивающие фиксированное взаимное расположение опорной металлической структуры 1 и PCB 2 с воздушным зазором между ними.

Согласно примерному варианту осуществления, изображенному на фиг. 1, подвижность частей сочленения относительно друг друга обеспечивается размещением между ними шарикоподшипника 9. 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.

Подвижная часть сочленения, изображенного на фиг. 1, включает в себя опорную металлическую структуру 5. Аналогично стационарной части сочленения на упомянутой опорной металлической структуре 5 посредством прокладок 8 закреплена PCB 6 с электронными компонентами 7 и бесконтактным метаматериальным волноводом.

PCB 2 и PCB 6 более подробно будут описаны далее.

В примерном варианте осуществления настоящего изобретения данные переносятся посредством радиоволн миллиметрового диапазона и передаются/принимаются через сочленение с использованием метаматериальных волноводов. 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 данных между метаматериальным волноводом, расположенным на PCB, и полым круглым металлическим волноводом опорной структуры 1 подразумевает возможность вращения сочленения на 360 градусов без ухудшения характеристик передачи сигналов. Кроме того, такая структура не требует экранирования, что позволяет снизить вес и материалоемкость конструкции.

Далее со ссылкой на фиг. 2–6 будет описана структура PCB 6 с электронными компонентами 7 и бесконтактным метаматериальным волноводом и ее функционирование.

Хотя описание ниже будет приведено для PCB 6, стоит отметить, что PCB 2 имеет идентичную структуру.

Фиг. 2а изображает поперечное сечение фрагмента многослойной PCB 6 с электронными компонентами 7, а также часть опорной металлической структуры 1 стационарной части сочленения.

PCB 6 состоит из нескольких слоев, каждый из которых имеет толщину h_PCB и представляет собой пластину из диэлектрика, на поверхности и/или в объеме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. PCB 6 отделено от опорной металлической структуры 1 посредством воздушного зазора, имеющего высоту h_gap.

На нижнем слое PCB установлены электронные компоненты 7 в виде приемопередатчика, выполненного с возможностью передачи/приема данных.

Как изображено на фиг. 2а, сигнал из приемопередатчика 7 через металлизированное отверстие для сигнала (сигнальное VIA) передается в метаматериальный волновод, расположенный в верхнем слое PCB 6. Сигнальное VIA проходит через PCB 6 и через окно во внутреннем слое заземления PCB 6. Таким образом между сигнальным VIA и внутренним слоем заземления PCB образован круговой зазор.

Множество GND VIA (металлизированное отверстие заземления) в окрестности сигнального VIA запирают поле в ограниченном ими объеме. Они располагаются достаточно часто – по меньшей мере на расстоянии половины длины волны в материале диэлектрика, тем самым блокируя распространение электромагнитного поля в область, ограниченную этими отверстиями. Поле в этом случае распространяется от выхода приемопередатчика по переходу к метаматериальному волноводу и далее.

Внутренний слой заземления отделяет область, где монтируются электронные компоненты (приемопередатчик 7), от области, где находится EBG–структура. Это позволяет снизить высоту диэлектрика PCB со стороны приемопередатчика, что влияет на компактность конструкции, и предотвратить паразитное излучение. При этом со стороны метаматериального волновода высота диэлектрика PCB определяется наличием запрещенной зоны EBG–структуры и может быть порядка четверти длины волны в диэлектрике.

Фиг. 2б изображает вид снизу фрагмента PCB 6 с приемопередатчиком 7.

Как изображено на фиг. 2б, приемопередатчик 7 подключен к заземленной копланарной линии, которая соединена с сигнальным VIA для передачи сигнала в метаматериальный волновод, расположенный на верхнем слое PCB 6, и обратно. В альтернативном варианте осуществления вместо заземленной копланарной линии может быть использована микрополосковая линия.

Примерная блок–схема приемопередатчика 7 изображена на фиг. 3.

Приемопередатчик 7, изображенный на фиг. 3, включает в себя цифровой интерфейс для обмена подлежащими передаче цифровыми данными, модем для преобразования цифровых данных в сигнал мм–диапазона и обратно, а также внешний RF–интерфейс, выполненный с возможностью приема и передачи сигнала мм–диапазона.

Фиг. 4 изображает вид сверху фрагмента PCB 6 с сигнальным VIA и участком метаматериального волновода, поперечное сечение части упомянутого фрагмента, а также общий вид одного EBG–элемента.

Метаматериальный волновод в примерном варианте осуществления представляет собой компоновку, содержащую первый слой заземления, из которого вдоль требуемого направления прохождения волны выступает проводящий гребень (гребневый волновод) и EBG–структуру. Над гребнем расположен второй слой заземления гребневого волновода (RGW, Ridge Gap Waveguide), отделенный от него посредством воздушного зазора. По сторонам от гребневого волновода расположены множество EBG–элементов, формирующих EBG–структуру, которая блокирует распространение электромагнитных волн (утечку) на требуемых частотах из гребневого волновода во внешнее пространство за счет формирования, в рабочем диапазоне частот, зоны запирания (band gap) в области между первым и вторым слоями заземления гребневого волновода.

Гребневый волновод выполнен в виде отдельных VIA, проходящих от первого слоя заземления, расположенных на расстоянии друг от друга и соединенных между собой на поверхности PCB 6 печатной дорожкой.

Сигнал через сигнальное VIA передается от приемопередатчика 7 и далее распространяется в гребневом метаматериальном волноводе, расположенном в верхнем слое PCB 6, причем опорная металлическая структура 1 выступает в данном случае в качестве второго слоя заземления упомянутого волновода. Такой волновод является бесконтактным и не требует замыкания контура между гребневым волноводом и вторым слоем заземления. Это обеспечивается благодаря EBG-структуре, которая не дает распространяться полю в зазоре. Опорная металлическая структура 1 имеет форму окружности и, следовательно, при любом угле поворота между стационарной частью и подвижной частью сочленения опорная металлическая структура 1 расположена над гребневым волноводом. Это обеспечивает неизменность характеристик передачи сигнала по метаматериальному волноводу при любом положении вращающегося сочленения. Такая конструкция не требует дополнительных металлических экранов, что позволяет выполнить ее компактной и легкой. Применение гребневого волновода позволяет значительно снизить потери на рассеяние тепла и потери на утечку излучения (утекающие волны). Упомянутые потери волновода в соответствии с настоящим изобретением примерно в 10 раз меньше потерь микрополосковой или копланарной линии.

С двух сторон от гребневого волновода расположено множество EBG–элементов, формирующих EBG–структуру. Примерная конструкция элемента EBG–структуры показана на фиг. 4. Упомянутые EBG–элементы имеют грибообразную форму, т.е. состоят из площадки («шляпки гриба»), расположенной на верхнем слое PCB 6, и основания («ножки гриба») в виде цилиндра, протягивающегося от площадки к внутреннему слою заземления PCB 6. 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 в случае изготовления EBG–элементов посредством фрезеровки из металла, упомянутые EBG–элементы могут быть выполнены в виде простых столбиков.

Расстояния между EBG–элементами в сечении волновода должны быть порядка воздушного зазора – тем самым соблюдается геометрия и компактность гребневого волновода.

В качестве альтернативы вместо гребневого волновода может применяться желобковый волновод без боковых стенок (groove gap waveguide) со сформированной вокруг него EBG–структурой.

Далее на фиг. 5 изображена область сопряжения метаматериального волновода, расположенного на верхнем слое PCB 6, и полого круглого металлического волновода, выполненного в опорной металлической структуре 1, вблизи оси вращения сочленения, а также вид сверху фрагмента PCB 6 в этой области.

Сигнал мм–диапазона передается от приемопередатчика в область сопряжения посредством напечатанной на PCB метаматериальной волноводной структуры, формирующей четыре эквифазные (синфазные) ветви, расположенные на верхнем слое PCB 6 под углом 90 градусов друг относительно друга и соединяющиеся в точке пересечения оси вращения сочленения и PCB 6. Возможно использование количества ветвей, отличного от четырех, в зависимости от конструктивных и иных требований. Такая симметричная конфигурация четырех ветвей метаматериального волновода обеспечивает возбуждение моды TM₀₁ в круглом полом волноводе, выполненном в опорной металлической структуре 1, и позволяет осуществлять передачу сигнала мм–диапазона из PCB 6 в PCB 2 стационарной части сочленения. Передача сигнала между метаматериальным волноводом и круглым полым волноводом является бесконтактной и не требует дополнительного экранирования. Утечка сигнала полностью блокируется посредством структуры EBG. Высота воздушного зазора между PCB 6 и опорной металлической структурой 1 определяется выражением:

$$h_{gap}<\frac{{\lambda }_{\min }}{4}$$ ,

где – минимальная длина волны в рабочем диапазоне частот. Такая высота воздушного зазора предотвращает распространение электромагнитного поля в воздушном зазоре между верхним слоем заземления и EBG–структурой.

Толщина подложки гребневого волновода () определяется в соответствии с выражением:

$$h_{gap}+h_{sub}\sqrt{{\epsilon }_r}<\frac{{\lambda }_{\min }}{2}$$ ,

где – диэлектрическая проницаемость подложки. При такой толщине не возбуждаются высшие моды гребневого волновода.

Радиус круглого полого волновода вычисляется в соответствии с выражением:

,

где – максимальная длина волны в рабочем диапазоне частот. Такой радиус круглого полого волновода обеспечивает формирование моды TM₀₁ и предотвращает возбуждение следующей моды.

Для обеспечения симметричной конфигурации из четырех ветвей метаматериального волновода на верхнем слое PCB 6 вблизи оси вращения сочленения необходимо предусмотреть переход от точки соединения сигнального VIA с гребневым волноводом к упомянутой конфигурации. Примерный вариант осуществления такого перехода изображен на фиг. 6. Стоит отметить, что компоновка такого перехода должна обеспечивать эквифазность всех четырех ветвей волновода, сходящихся в точке пересечения оси вращения с PCB. Это обеспечивается посредством симметричной компоновки перехода с последовательным делением волновода на четыре ветви, при этом расстояние от точки схождения упомянутых четырех ветвей волновода в месте пересечения оси вращения с PCB до точки соединения сигнального VIA с волноводом является идентичным для всех упомянутых ветвей.

В описанном выше примерном варианте осуществления опорная металлическая структура 1 играет роль второго слоя заземления и для волновода, расположенного на PCB 6 подвижной части сочленения, и для волновода, расположенного на PCB 2 стационарной части сочленения.

Альтернативный вариант осуществления вращающегося сочленения в соответствии с настоящим изобретением, изображенный на фиг. 7, отличается от первого варианта осуществления настоящего изобретения, описанного выше, выполнением опорных металлических структур, на которых закреплены PCB 2 и PCB 6. Остальные элементы сочленения в данном варианте осуществления аналогичны описанным выше для первого варианта осуществления.

В данном варианте осуществления опорная металлическая структура 11, на которой закреплена PCB 2, играет роль второго слоя заземления только для метаматериального волновода на упомянутой PCB 2. В то же время опорная металлическая структура 15, на которой закреплена PCB 6, играет роль второго слоя заземления только для метаматериального волновода на упомянутой PCB 6. В упомянутых опорных металлических структурах выполнены идентичные круглые полые волноводы, совмещенные вдоль оси вращения сочленения. Круглые полые волноводы подвижной и стационарной частей сочленения связаны между собой посредством бесконтактного фланцевого соединения, т.е. и подвижная и стационарная части сочленения имеют часть, выполненную в виде цилиндрического фланца, в котором выполнен круглый полый волновод. Увеличенное изображение области сопряжения двух опорных металлических структур с упомянутыми фланцами изображено в нижней части фиг. 7. При этом между упомянутыми фланцами присутствует воздушный зазор, обуславливающий бесконтактную передачу сигнала. Высота воздушного зазора между фланцами определяется выражением:

$$H_{gap}\le \frac{{\lambda }_0}{2}$$ ,

где – центральная длина волны в рабочем диапазоне частот.

Для предотвращения потерь за счет утечки сигнала в воздушном зазоре между фланцами в упомянутых фланцах (либо в одном из них) выполнены кольцевые дроссельные канавки с высотой порядка четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона частот.

Расстояние от края волновода до края дроссельной канавки порядка одной четверти длины волны центральной частоты рабочего диапазона длин волн.

Описанный второй вариант осуществления сочленения в соответствии с настоящим изобретением позволяет снизить общий вес данной конструкции. Кроме того, между опорными металлическими структурами можно разместить дополнительные элементы (например, элементы системы беспроводной передачи мощности).

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

В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения, изображенном на фиг. 8, четыре ветви метаматериального волновода гальванически не соединены друг с другом в области сопряжения с круглым полым волноводом.

В еще одном альтернативном варианте осуществления круглый полый волновод может иметь несколько секций трансформаторов на каждой стороне, как изображено на фиг. 9. Высота такой секции трансформатора должна быть порядка . Упомянутые секции трансформатора предназначены для согласования полого волновода с метаматериальным волноводом.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает возможность высокоскоростной передачи данных через вращающиеся сочленения, выполняемой с помощью компактной, надежной, простой и недорогой системы передачи данных.

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.

1. Система передачи данных через вращающееся сочленение, состоящая из приемной части и передающей части, а также полого круглого волновода, выполненного по меньшей мере в одной металлической структуре, расположенной между приемной и передающей частями системы передачи данных, причем приемная часть расположена на одной стороне вращающегося сочленения, а передающая часть расположена на другой стороне вращающегося сочленения, причем каждая из приемной части и передающей части включает в себя печатную плату с приемопередатчиком и соединенным с ним метаматериальным волноводом, расположенным на стороне печатной платы, обращенной к упомянутой металлической структуре, причем метаматериальный волновод представляет собой волновод с EBG-структурой (структурой с электромагнитной запрещенной зоной), расположенной вокруг него на печатной плате и сформированной множеством EBG-элементов, причем упомянутая EBG-структура выполнена с возможностью блокировки распространения электромагнитных волн в заданном диапазоне частот из волновода во внешнее пространство, упомянутая по меньшей мере одна металлическая структура расположена на расстоянии от каждой из упомянутых печатных плат, ось круглого полого волновода в упомянутой по меньшей мере одной металлической структуре совмещена с осью вращения сочленения, причем система передачи данных выполнена с возможностью передачи данных посредством упомянутых метаматериальных волноводов и полого круглого волновода.

2. Система передачи данных по п. 1, в которой приемопередатчик расположен на противоположной стороне печатной платы от метаматериального волновода и соединен с ним посредством сигнального металлизированного отверстия (VIA).

3. Система передачи данных по п. 1, в которой метаматериальный волновод представляет собой гребневый волновод с EBG-структурой, расположенной вокруг него на печатной плате.

4. Система передачи данных по п. 3, в которой гребневый волновод представляет собой первый слой заземления, из которого вдоль требуемого направления прохождения волны проходят множество VIA, расположенных на расстоянии друг от друга и соединенных между собой на поверхности печатной платы печатной дорожкой, причем упомянутая по меньшей мере одна металлическая структура является вторым слоем заземления метаматериального волновода.

5. Система передачи данных по п. 1, в которой метаматериальный волновод представляет собой желобковый волновод с EBG-структурой, расположенной вокруг него на печатной плате.

6. Система передачи данных по п. 1, в которой в области сопряжения метаматериального волновода и полого круглого волновода упомянутый метаматериальный волновод имеет симметричную конфигурацию, состоящую из нескольких эквифазных ветвей, протягивающихся от точки соединения с приемопередатчиком и сходящихся к точке пересечения оси вращения сочленения и печатной платы.

7. Система передачи данных по п. 6, в которой симметричная конфигурация метаматериального волновода в области сопряжения состоит из четырех эквифазных ветвей.

8. Система передачи данных по п. 6, в которой симметричная конфигурация из эквифазных ветвей метаматериального волновода выполнена с возможностью возбуждения моды TM₀₁ в круглом полом волноводе при передаче сигнала.

9. Система передачи данных по п. 6, в которой упомянутые эквифазные ветви гальванически соединены в точке пересечения оси вращения сочленения и печатной платы.

10. Система передачи данных по п. 1, в которой упомянутая по меньшей мере одна металлическая структура включает в себя две металлические структуры, причем круглые полые волноводы каждой из металлических структур связаны между собой посредством бесконтактного фланцевого соединения.

11. Система передачи данных по п. 10, в которой по меньшей мере в одном фланце бесконтактного фланцевого соединения выполнены кольцевые дроссельные канавки.

12. Система передачи данных по п. 1, в которой один из приемопередатчиков соединен с антенным модулем.

13. Система передачи данных по п. 1, в которой круглый полый волновод включает в себя секции трансформаторов для согласования с метаматериальным волноводом.

14. Система передачи данных по п. 1, в которой EBG-элемент состоит из площадки, расположенной на верхнем слое печатной платы, и основания в виде VIA, протягивающегося от площадки к внутреннему слою заземления печатной платы.

15. Система передачи данных по п. 14, в которой площадки имеют круглую, квадратную, треугольную или шестиугольную форму.