(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの入力と少なくとも２つの出力とを有し、前記入力に加えられた信号を前記出力のうちの単一の出力に伝達するためのスイッチ部材であって、
前記各出力ごとに設けられ、前記信号を前記入力から選択された出力へ伝達するか、あるいは前記信号を反射するように伝導状態が制御される少なくとも１つの電子スイッチと前記電子スイッチを制御する制御端子を有する出力ブランチと、
少なくとも１つの分路電子スイッチと前記分路電子スイッチにのみ接続された負荷と、前記分路電子スイッチを制御する制御端子とを有する分路ブランチとを備えており、
前記分路電子スイッチの伝導状態は、前記分路電子スイッチを制御する制御端子に供給される電圧レベルに従って、前記入力信号を前記負荷に分路するか、前記入力信号を前記負荷に分路しないかのいずれかに制御され、
前記分路電子スイッチの前記伝導状態は、前記分路電子スイッチを制御する制御端子へ供給される電力が失われたときに、前記入力信号を前記負荷に分路する状態である、スイッチ部材。
【請求項２】
前記分路ブランチの前記分路電子スイッチが直列に接続されている、請求項１に記載のスイッチ部材。
【請求項３】
前記各出力ブランチの前記電子スイッチが並列に接続されている、請求項１に記載のスイッチ部材。
【請求項４】
各出力ブランチが、少なくとも２つの電子スイッチを並列に有する、請求項３に記載のスイッチ部材。
【請求項５】
前記各電子スイッチがトランジスタからなる、請求項１に記載のスイッチ部材。
【請求項６】
前記電子スイッチがマイクロ波レンジ集積回路である、請求項１に記載のスイッチ部材。
【請求項７】
請求項１に記載の複数のスイッチ部材からなるスイッチマトリックス。
【請求項８】
ｎつの入力とｐつの出力とを有し、ｐはｎより大きく、各入力はｒつの出力のうちの１つに接続するためのものであり、前記マトリックスは、１つの入力とｒつの出力を構成するように連結されたスイッチ部材の集合を各入力ごとに備えている、請求項７に記載のスイッチマトリックス。
【請求項９】
各出力ごとに、ｒつの入力と１つの出力とを有するスイッチ部材集合を備えており、前記出力に連結された集合が、前記入力に連結された集合と逆向きに取り付けられている、請求項８に記載のスイッチマトリックス。
【請求項１０】
前記出力に連結された前記集合が、前記入力に連結された前記集合の構造と類似の構造をもっている、請求項９に記載のスイッチマトリックス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１つの入力と少なくとも２つの出力とを有する電子スイッチ部材に関し、また、このような部材を再構成可能なスイッチマトリックスに使用する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高い信頼性が要求される用途の場合、電子素子に冗長性を持たせることにより、電子素子のうちの１つが破壊した場合における同じ素子との交換を可能にする方式が一般的に実践されている。この問題は特に、宇宙関連用途の場合に重要である。
【０００３】
破壊した素子の予備素子との交換を可能にするためには、自動的に、あるいは遠隔的に制御可能なスイッチングを提供しなければならない。
【０００４】
一般的にはこのようなスイッチングは、ｎつの入力とｐつの出力を有するマトリックスによってもたらされる。ここで、出力数ｐは入力数ｎより大きい。各々の入力は、対応する出力に接続された素子に信号を引き渡している。したがって、通常、ｐつの可能出力のうちのｎつだけがアクティブになっている。出力のうちの１つに接続されている素子が破壊すると、交換素子が接続されている出力に、対応する入力を接続するようにスイッチングが実行される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
過去に使用されたスイッチマトリックスは、機械的スイッチを利用したものであった。電子式の置換え構成は、機械式スイッチマトリックスの利点に匹敵する利点を提供するものを開発する必要がある。機械式マトリックスの損失は電子スイッチの損失より遥かに小さく、さらに、電源が入っていない場合、機械式マトリックスは破壊する前のスイッチング状態を維持している。一方、電子スイッチは、特にマイクロ波領域では、電源が入っていない場合、入力信号の一部が正しい出力に伝達され、入力信号の他の部分は、その信号には無関係の他の出力に伝達されてしまう。この誤った動作は、不要な混変調産物のもととなるばかりでなく、フィルタを加熱する原因にもなっている。出力の各々は周波数レンジに対応しており、したがってフィルタに対応している。特定の出力に無関係の信号がその出力に伝達されると、結合しているフィルタがその信号を反射し、その結果、加熱が引き起こされる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の態様において、本発明は、スイッチマトリックスの一部を形成する電子スイッチ部材への電力供給がない場合に、上記スイッチマトリックスの動作妨害を最小にする電子スイッチ部材を提供する。
【０００７】
本発明によれば、上記電子スイッチ部材は、１つの入力を複数の出力のうちの１つに接続するためのものであり、信号を前記入力から出力へ伝達するか、あるいは反射するように伝導状態が制御される少なくとも１つの電子スイッチを有する出力ブランチを、各出力に備えており、また、上記電子スイッチ部材への電力が失われたときに、上記入力信号を負荷に分路する少なくとも１つの電子スイッチを有する分路ブランチを備えている。
【０００８】
したがって、上記電子スイッチへの電力が損失したときには、入力信号は負荷に分流され、それにより、フィルタあるいは増幅器などの出力に接続された素子を保護している。スイッチ素子は、スイッチへの給電が再び確立されると、通常動作に復帰する。
【０００９】
本発明はさらに、ｎつの入力とｐつの出力を有し、複数のこのような部材からなるスイッチマトリックスを提供する。
【００１０】
本発明によるマトリックスのスイッチへの電力が失われたときには、機械式スイッチによるマトリックスとは異なり、その出力は対応する入力にはもはや接続されない。このようなマトリックスの場合、第１に、出力における一時的な消失が、一般的にそれほど重大ではないこと、第２に、とりわけその質量および容積が小さいという利点のため、機械式スイッチによるマトリックスに有利に取って代わることができる。さらに、その費用を極めて低く抑えることができる。
【００１１】
スイッチ部材の一実施形態では、分路ブランチは、直列に接続された電子スイッチを有している。
【００１２】
各出力ブランチにおいて、分路内に電子スイッチを設け、対応する出力が選択された時点で開路を形成し、また非選択時あるいは非電力供給時に短絡を形成することが好ましい。
【００１３】
短絡を改善するために、各出力ブランチごとに２つの電子スイッチが並列に設けられ、共に同じバイアスで制御される。
【００１４】
本発明に関して実施された試験中に、２つまたは３つの出力を有し、損失が約１．５デシベル（ｄＢ）に限定された、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）技術によるスイッチが作られた。
【００１５】
したがって、他の態様において、本発明は、スイッチマトリックス用モジュールの構成に適した電子スイッチ部材集合を提供する。このような集合あるいはモジュールにおける各入力は、合計出力数より小さい数ｒの出力に接続することができる。
【００１６】
一実施形態においては、このようなモジュールを作るために、出力が２つと３つの２種類のスイッチ部材しか設けられていない。
【００１７】
スイッチマトリックスは、出力のうちの１つに接続された入力の他の出力への切換え時における通過スイッチ部材による損失が、スイッチングの前後において同じになるように配置され、接続されたスイッチ部材からなるようにすることが好ましい。
【００１８】
一実施形態では、上記電子スイッチは、マイクロ波レンジの集積回路である。
【００１９】
本発明はさらに、複数のスイッチ部材を備えたスイッチマトリックスを提供する。
【００２０】
一実施形態では、上記マトリックスは、ｎつの入力とｐつの出力を有している。ここで、ｐはｎより大きい数である。各入力はｒつの出力のうちの１つに接続され、それぞれ１つの入力とｒつの出力をもたらす結合スイッチ部材集合を含んでいる。
【００２１】
一実施形態では、上記マトリックスは、各出力ごとに、ｒつの入力と１つの出力を有するスイッチ部材集合を備えており、出力に連結された集合が、入力に連結された集合と逆向きに取り付けられている。
【００２２】
一実施形態では、出力に連結された集合の構造は、入力に連結された集合の構造と類似である。
【００２３】
本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面に照らして行った次の様々な実施形態の説明を読めば明らかになるであろう。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１に示すスイッチ部材１０は、マイクロ波周波数で動作し、ＭＭＩＣ技術を用いて、例えば、ひ化ガリウム基板上に作られたトランジスタ集合を含んでいる。
【００２５】
この例では、スイッチ部材１０は、１つの入力Ｅと２つの出力Ｓ１およびＳ２を有しているだけであるが、それでも、特に図３および図４に関して以下で説明するように、損失を緩和し、３つの出力を有するスイッチ部材を作ることが可能である。
【００２６】
このスイッチ部材は、入力Ｅの信号を出力Ｓ１またはＳ２のいずれかに伝達するためのものであるが、両方の出力に同時に伝達することはできない。部材１０はまず、２つの能動ブランチ１２および１４を含んでおり、ブランチ１２は出力Ｓ１に終端され、ブランチ１４は出力Ｓ２に終端されている。さらに、部材１０は、部材１０のスイッチへの電力が失われたときに、入力Ｅを、例えば５０Ωの負荷１８に分路させる分路ブランチ１６を有している。
【００２７】
図の例では、ブランチ１２および１４はそれぞれ２つの分路トランジスタを有している。上記ブランチは同じ構造であるため、どちらか一方、特にブランチ１２の説明で十分である。
【００２８】
入力端子Ｅは、伝送ライン２４を介してトランジスタ２２のドレン２０に接続されており、トランジスタ２２のソースは接地されている。
【００２９】
端子２０はさらに、別の伝送ライン２６を介して出力Ｓ１に接続されている。
【００３０】
ライン２６と出力Ｓ１に共通の端子は、第２のトランジスタ３０のドレン２８に接続されている。該第２のトランジスタ３０のソースも同様に接地されている。
【００３１】
２つのトランジスタ２２および３０のグリッドはいずれも、それぞれ抵抗３４、３６を介してバイアス端子３２に接続されており、直流バイアス電圧Ｖ１が印加されている。また、抵抗３４と３６に共通の端子は、抵抗３８を介して接地されている。
【００３２】
分路ブランチ１６はトランジスタ４０からなり、そのソースは入力Ｅに接続され、そのドレンは負荷抵抗１８に接続されている。負荷抵抗１８のもう一端は接地されている。トランジスタ４０のグリッドは、抵抗４４を介して端子４２に接続されている。端子４２と抵抗４４に共通のポイントは、別の抵抗４６を介して接地されている。
【００３３】
直流バイアス電圧Ｖ２が端子４２に印加されている。
【００３４】
動作については次の通りである。
【００３５】
出力Ｓ１を選択する場合、すなわち、入力Ｅを出力Ｓ１に伝達する場合は、ピンチオフ電圧より低い電圧Ｖ１が端子３２に印加され、トランジスタはそれぞれ無限大の抵抗値を示す。この例では、その電圧Ｖ１の値は−２Ｖである。分路ブランチ１６のトランジスタ４０をバイアスしている端子４２には、同じく−２Ｖの電圧が印加される。また、ブランチ１４のトランジスタをバイアスしている電圧Ｖ３の端子５０には０Ｖが印加され、そのトランジスタのチャンネルが導通状態になる。
【００３６】
このような条件の下では、ブランチ１２のトランジスタ２２および３０は開回路を構成し、したがって出力Ｓ１への信号伝達を妨げることはない。
【００３７】
逆に、ブランチ１４の端子５０に０Ｖを印加すると、対応するトランジスタ５２および５４が短絡作用することになる。マイクロ波レンジにおいては、短絡は、接地されている信号が反射して入力Ｅに戻され、したがって出力Ｓ１へ引き渡されることを意味する。
【００３８】
分路ブランチ１６でトランジスタ４０をバイアスしている端子４２に−２Ｖを印加すると、そのトランジスタを開の状態に維持する働きをする。
【００３９】
電力が損失したとき、すなわち、バイアス源が端子３２、４２および５０の全てに電圧ゼロを印加するか、あるいはこれらの端子が開放（すなわち開回路）の状態に置かれると、能動ブランチ１２および１４のトランジスタ２２と３０および５２と５４が短絡する。したがって、これらのブランチは信号を反射して入力Ｅに戻すことになるが、このような故障の場合、トランジスタ４０の抵抗値が小さくなり、この状況において、入力Ｅに加えられた信号は、負荷１８に伝達される。したがって、出力Ｓ１およびＳ２に接続されている増幅器および／またはフィルタなどの電子素子が入力信号を受け取ることはない。したがって分路ブランチ１６は、スイッチへの電力損失に対する保護の役割を果している。
【００４０】
一変形態様では、能動ブランチ１２および１４のそれぞれに、単一のトランジスタしか設けられていないが、ブランチの非活動時における接地への分路を改善するために、２つ以上のトランジスタを設けることが好ましい。「短絡時の」トランジスタの抵抗値はゼロではなく、制限値内に維持する必要がある。
【００４１】
１２つの入力Ｅ１ないしＥ１２と１６つの出力Ｓ１ないしＳ１６を有するスイッチマトリックス６０について、図２から図５を参照しながら説明する。このマトリックスは、図１に示す種類のスイッチ部材を複数つ備えている。
【００４２】
各入力は、５つの出力に接続することができる。したがって、入力Ｅ１を出力Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４およびＳ５のうちの任意の１つに接続することができるが、それぞれの場合において、入力Ｅ１は、当然これらの出力のうちの１つにしか接続されない。同様に、入力Ｅ２を出力Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５およびＳ６のうちの任意の１つに接続することができ、以下、出力Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５およびＳ１６のうちの任意の１つに接続することができる入力Ｅ１２まで同様である。より一般的には、マトリックスがｎつの入力とｐつの出力を有している場合、各入力を、ｐ−ｎ＋１つの出力に接続することができる。
【００４３】
仮に、入力Ｅ１が出力Ｓ１に接続され、入力Ｅ２が出力Ｓ４に接続されている場合に、出力Ｓ１に接続されている電子素子（図示せず）が破壊されると、それを冗長素子、例えば、出力Ｓ２に接続されている素子と交換することができる。このような条件下では、入力Ｅ１の出力Ｓ１への接続を中止し、その代わりに出力Ｓ２に接続するように、マトリックス６０のスイッチ部材が制御される。
【００４４】
機械式スイッチ部材より遥かに損失が大きい電子式のスイッチ部材を与えた場合、接続部に対する各修正に関して、損失に対する修正がないようにマトリックス６０を構成することが好ましい。損失に対する修正の必要がある場合は、破壊した増幅器を引き継ぐ増幅器の利得を修正しなければならず、回路が極めて複雑になる。電子部材の損失は１．５ｄＢのオーダーであり、一方、機械式スイッチ部材の対応する損失は０．１５ｄＢのオーダーである。
【００４５】
接続部に対する修正時における損失維持の目的を実現するために、本発明は、スイッチ部材をまとめてグループ化した集合または図３ではモジュール６２あるいは図４では６４を提供している。さらに、Ｅ１、Ｅ２などの全ての入力が、相互に同じ集合に結合されており、Ｓ１、Ｓ２などの全ての出力が、図５に示す例に関して以下に説明する同じ集合に結合されている。
【００４６】
図３および図４は、１つの入力と２つの出力の第１の種類と、１つの入力と３つの出力（分路出力は数えない）の第２の種類の２種類のスイッチ部材だけの場合に関したものである。集合６２および６４は、図２に示す例と共に使用することを意図したものであり、したがっていずれも１つの入力と５つの出力を有している。
【００４７】
図３に示す集合６２は、１つの入力６６１と３つの出力６６２、６６３および６６４を有する一次スイッチ部材１０１と、それぞれ１つの入力と２つの出力を有する３つの二次スイッチ部材１０２、１０３および１０４とを備えている。５つの出力のみを必要とする場合であれば、上記スイッチ部材のうちの１つ（１０４）は、１つの非活動の出力を持つことになる。部材１０２の入力が、導電ライン７０２を介してスイッチ部材１０１の出力６６２に接続されている。  同様に、スイッチ部材１０３の入力は、ライン７０３を介して部材１０１の出力６６３に接続され、部材１０４の入力は、導線ライン７０４を介して部材１０１の出力６６４に接続されている。
【００４８】
図４に示す集合６４は、１つの入力と６６’１と２つの出力６６’２、６６’３を有する一次スイッチ部材１０’１と、それぞれ１つの入力と３つの出力を有する２つの二次スイッチ部材１０’２、１０’３を備えている。上記の例と全く同様に、５つの出力しか必要としない場合は、上記スイッチ部材のうちの１つ、この例の場合、部材１０’３は、１つの非活動の出力を持つことになる。
【００４９】
部材１０’２の入力は、導線ライン７０’２を介して部材１０’１の出力６６’２に接続され、部材１０’３の入力は、別の導線ライン７０’３を介して部材１０’１の出力６６’３に接続されている。
【００５０】
集合６２または６４の動作原理はその構造から自明であり、各々のスイッチ部材は、図１に関して既に説明したように動作する。例えば、集合６２の入力６６１（図３）を、部材１０３の出力Ｓ１に接続する場合、部材１０１の入力６６１が出力６６３に接続され、部材１０３の入力がその出力Ｓ１に接続されている。
【００５１】
図５に示す例では、１つの集合６２に各入力端子および出力端子が結合している。したがって、入力端子Ｅ１が集合６２１に結合され、入力端子Ｅ２が集合６２２に結合されている。また、出力端子Ｓ１が集合６２’１に結合され、出力端子Ｓ２が集合６２’２に結合されている。
【００５２】
当然、集合６２’１、６２’２などは、逆向きに集合６２１、６２２などに接続されている。より正確には、集合６２’１の部材１０″２、１０″３および１０″４は、２つの入力と１つの出力からなり、部材１０″１は３つの入力と１つの出力を有している。
【００５３】
最後に、導線ライン８０１、８０２、８０３、８０４、８０５が、集合６２１の各出力を、集合６２’１から６２’５の入力のうちの１つに接続している。つまり、ライン８０１は、集合６２１の出力のうちの１つを集合６２’１の５つの入力のうちの１つに接続し、ライン８０２は、集合６２１の２番目の出力を集合６２’２の５つの入力のうちの１つに接続している。集合６２’１の入力のうちの１つだけが、導線ラインに接続されていることが分かる。他の集合６２’２以下の入力を接続している導線ラインは、その導線ライン番号が逐次大きくなっている。
【００５４】
マトリックスによる接続がどのようなものであれ、入力Ｅｉ上の信号が出力Ｓｊに加えられる毎に、信号は常に同じ種類の素子を通過する。具体的には、１つの入力と３つの出力を有するスイッチ部材、導線ライン、１つの入力と２つの出力を有するスイッチ部材、別の導線ライン８０ｉ、２つの入力と１つの出力を有するスイッチ部材、導線ライン、および３つの入力と１つの出力を有するスイッチ部材である。このような条件の下では、接続の如何にかかわらず、損失は常に同じである。
【００５５】
本発明によるスイッチ部材を用いたスイッチマトリックスは、機械式スイッチ素子のマトリックスのサイズおよび重量よりはるかに小型かつ軽量であり、そのため、宇宙関連用途に対して決定的な利点になっている。最後に、このようなマトリックスの価格は、機械式スイッチ部材のマトリックスの価格よりはるかに低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスイッチ部材の回路図である。
【図２】本発明によるスイッチ部材を複数有するスイッチマトリックスを示す図である。
【図３】本発明によるスイッチ部材集合またはスイッチ部材モジュールを示す図である。
【図４】図３と類似の変更態様を示す図である。
【図５】図３に示す種類のスイッチモジュール集合を備えたスイッチマトリックスを示す図である。
【符号の説明】
Ｅ  入力
ＭＭＩＣ  モノリシックマイクロ波集積回路
Ｓ１、Ｓ２  出力
１０  スイッチ部材
１２、１４  能動ブランチ
１６  分路ブランチ
１８  負荷抵抗
２０  トランジスタ２２のドレン
２２、３０、４０、５２、５４  トランジスタ
２４、２６  伝送ライン
２８  第２のトランジスタ３０のドレン
３２  バイアス端子
３４、３６、３８、４４、４６  抵抗
４２、５０  端子
６０  スイッチマトリックス
６２、６４  集合またはモジュール
８０１  導線ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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