КОММУТАТОР СВЧ
SUPER-HIGH FREQUENCY SWITCHBOARD

Изобретение относится к области радиотехники СВЧ и может быть использовано в многоканальных коммутаторах, применяемых, в частности, в устройствах резервирования аппаратуры для поочередной передачи СВЧ-энергии от нескольких генераторов на общую нагрузку и для поочередной передачи СВЧ-энергии от одного генератора на несколько нагрузок; в матричных коммутаторах типа m х n для соединения каждого из m входных каналов с одним из n выходных каналов, а также в других устройствах радиолокационных станций при низком и среднем уровнях мощности, требующих малых потерь пропускания СВЧ-сигнала.
Известен коммутатор СВЧ на основе двух связанных коаксиальных ответвителей (патент ФРГ №3239207, МПК3 Н01Р 1/10, 1984 г.). В известном коммутаторе средняя коаксиальная линия соединена со входом коммутатора, а две другие крайние коаксиальные линии соединены с выходами коммутатора. Для переключения входной СВЧ-мощности на первый выход, связанный с первой коаксиальной линией, в область связи протяженностью λ/4 (где λ - средняя длина волны в линии) между средней и второй линиями вводится первый подвижный заземленный экран, а аналогичный второй подвижный заземленный экран выводится из области связи протяженностью λ/4 между средней линией и первой коаксиальной линией. И наоборот, для переключения входной СВЧ-мощности на второй выход коммутатора, связанный со второй коаксиальной линией, в область связи протяженностью λ/4 между средней линией и первой коаксиальной линией вводится второй подвижный заземленный экран, а из области связи протяженностью λ/4 между средней линией и второй коаксиальной линией выводится первый подвижный заземленный экран.
Известный коммутатор имеет следующие недостатки. Применение подвижных заземленных экранов обуславливает большую величину зазоров между средней линией и крайними коаксиальными линиями и, как следствие, малую электромагнитную связь и достаточно высокое значение коэффициента стоячей волны (КСВ) по входу и выходам, что в конечном итоге приводит к большим потерям пропускания СВЧ-мощности (примерно 3 дБ на каждый канал) и к снижению передаваемой коммутатором СВЧ-мощности.
В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения выбран коммутатор СВЧ, состоящих из двух коммутируемых линий, подключенных к входным и выходным СВЧ-соединителям, согласованным с коммутируемыми линиями по волновому сопротивлению, и размещенного в зазоре между ними переключающего элемента, представляющего собой асимметричную электропроводящую лопасть, выполненную с возможностью поворота вокруг своей оси (патент США №4119931, МПК2 Н01P 5/18, 1978 г.). В положении «замкнуто» ось лопасти ориентирована вдоль общей оси коммутируемых линий и возникающая между линиями и лопастью электромагнитная связь обеспечивает передачу СВЧ-мощности по цепи:
первая коммутируемая линия - лопасть - вторая коммутируемая линия. В положении «разомкнуто» лопасть повернута вокруг своей оси и один из торцов лопасти располагается в непосредственной близости от корпуса коммутатора. Это приводит к образованию сильной емкостной связи между лопастью и корпусом коммутатора, и, соответственно, передачи СВЧ-мощности между линиями не происходит, причем первая линия остается согласованной по волновому сопротивлению.
Недостатком ближайшего аналога является недостаточная величина передаваемой коммутатором СВЧ-мощности ввиду больших потерь пропускания СВЧ-мощности (около 7,7 дБ), поскольку связь между первой и второй линиями является относительно слабой. Малая величина связи объясняется как наличием зазоров между лопастью и линиями (которые не могут быть сделаны очень малыми по причине размещения лопасти в пространстве между торцами линий), так и небольшой площадью торцов лопасти и линий, обуславливающих электромагнитное взаимодействие между лопастью и линиями.
Задача, решаемая изобретением, - увеличение передаваемой коммутатором СВЧ-мощности за счет уменьшения потерь пропускания.
Указанная задача решается тем, что в коммутаторе СВЧ, содержащем коммутируемые линии, отделенные друг от друга зазором и подключенные к входным и выходным СВЧ-соединителям, согласованным с коммутируемыми линиями по волновому сопротивлению, и переключающий элемент, упомянутый переключающий элемент выполнен подвижным и расположен в режиме передачи СВЧ-мощности над упомянутым зазором и коммутируемыми линиями на расстоянии δ не более 0,1 W, где W - поперечный размер коммутируемых линий, при этом переключающий элемент ориентирован параллельно коммутируемым линиям, его длина равна λ/2, где λ - средняя длина волны в коммутируемых линиях, а длина зазора Δ выбрана равной 0,5 W.
В варианте технического решения поперечный размер переключающего элемента равен поперечному размеру коммутируемых линий.
В варианте технического решения переключающий элемент размещен симметрично относительно середины зазора между коммутируемыми линиями.
В варианте технического решения коммутируемые линии выполнены в виде Т-образного разветвителя, содержащего одну коммутируемую линию, подключенную к входному СВЧ-соединителю, и две коммутируемые линии, подключенные к выходным СВЧ-соединителям.
В варианте технического решения коммутируемые линии выполнены в виде Т-образного разветвителя, содержащего одну коммутируемую линию, подключенную к выходному СВЧ-соединителю, и две коммутируемые линии, подключенные к входным СВЧ-соединителям.
В варианте технического решения коммутируемые линии выполнены в виде Т-образного разветвителя, и расстояние от точки разветвления по осям коммутируемых линий до середины зазора между ними равно λ / 2.
В варианте технического решения коммутатор СВЧ содержит первую коммутируемую линию, подключенную к первому входному СВЧ-соединителю и отделенную зазором от второй коммутируемой линии, которая подключена к первому выходному СВЧ-соединителю, и третью коммутируемую линию, подключенную ко второму входному СВЧ-соединителю и отделенную зазором от четвертой коммутируемой линии, которая подключена ко второму выходному СВЧ-соединителю.
В варианте технического решения коммутируемые линии выполнены в виде металлических полосков, размещенных на СВЧ диэлектрическом материале.
В варианте технического решения переключающий элемент выполнен в виде металлического полоска, размещенного на СВЧ диэлектрическом материале.
В варианте технического решения переключающий элемент снабжен электромеханическим приводом.
В варианте технического решения переключающий элемент снабжен электромагнитным приводом.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематически изображен заявляемый коммутатор СВЧ, на фиг.2 показан вид А-А, на фиг.3 - вид Б-Б, на фиг.4 иллюстрируется выполнение двухканального коммутатора СВЧ.
Заявляемый коммутатор СВЧ выполнен в виде Т-образного разветвителя (фиг.1), содержащего коаксиальный входной СВЧ-соединитель 1 и коаксиальные выходные СВЧ-соединители 2 и 3, гальванически соединенные и электрически согласованные по волновому сопротивлению с коммутируемыми линиями 4, 5 и 6, выполненными в виде металлических полосков 7 равной ширины W, размещенных на СВЧ диэлектрическом материале 8. Коммутируемая линия 4 подсоединена к входному СВЧ-соединителю 1 и отделена от коммутируемых линий 5 и 6, подключенных соответственно к выходным СВЧ-соединителям 2 и 3, зазорами 9 и 10, длина которых  равна 0,5 W. Расстояние от точки разветвления 11 по осям коммутируемых линий до середины зазоров 9 и 10 равно λ/2. Над одним из зазоров 9 или 10 симметрично относительно середины зазора в режиме передачи СВЧ-мощности размещен подвижный переключающий элемент 12, выполненный в виде металлического полоска 13 на СВЧ диэлектрическом материале 14. Переключающий элемент 12 расположен над зазором между коммутируемыми линиями на некотором расстоянии δ, которое удовлетворяет условию δ≤ 0,1 W, т.е. гальванический контакт между переключающим элементом 12 и коммутируемыми линиями 4, 5 и 6 отсутствует. Длина переключающего элемента 12 равна λ/2, a ширина переключающего элемента 12 (под которой понимается ширина полоска 13) равна ширине W коммутируемых линий 4, 5 и 6. Переключающий элемент 12 ориентирован в пространстве параллельно коммутируемым линиям.
Переключающий элемент 12 снабжен приводом 15, выполненным в виде электромеханического или электромагнитного привода, при помощи которого переключающий элемент 12 может располагаться над одним из зазоров 9 или 10.
Коммутатор СВЧ размещается в экранированном корпусе 16.
На фиг.4 представлен вариант выполнения коммутатора СВЧ в виде двухканального коммутатора, включающего первый и второй входные СВЧ-соединители 17 и 18, первый и второй выходные СВЧ-соединители 19 и 20, первую коммутируемую линию 21, подключенную к входному СВЧ-соединителю 17, вторую коммутируемую линию 22, подключенную к выходному СВЧ-соединителю 19, третью коммутируемую линию 23, подключенную к входному СВЧ-соединителю 18, и четвертую коммутируемую линию 24, подключенную к выходному СВЧ-соединителю 20. Линии 21 и 22 и линии 23 и 24 разделены зазорами. Над одним из зазоров располагается переключающий элемент 12.
Работа заявляемого коммутатора СВЧ иллюстрируется на примере коммутатора, выполненного в виде Т-образного разветвителя. Переключающий элемент 12 с помощью привода 15 располагается над одним из зазоров между коммутируемыми линиями (на фиг.1 показано расположение переключающего элемента над зазором 9 между линиями 4 и 5) и над крайними участками коммутируемых линий 4 и 5. За счет сильной распределенной электромагнитной связи между переключающим элементом 12 и коммутируемыми линиями 4 и 5 на длине λ/4 (так как переключающий элемент 12 расположен симметрично относительно середины зазора 9 и его длина равна λ/2, протяженность области электромагнитного воздействия переключающего элемента 12 с каждой из линий 4 и 5 можно примерно оценить в λ/4) СВЧ-мощность, поступающая из входного СВЧ-соединителя 1 в линию 4, передается из линии 4 на переключающий элемент 12, распространяется по переключающему элементу 12 и передается из переключающего элемента 12 в линию 5 и далее в выходной СВЧ-соединитель 2. СВЧ-мощность из линии 4 передается в линию 6 с максимальным ослаблением из-за наличия зазора между линиями 4 и 6. Часть линии 4 длиной λ/2 от точки разветвления 11 до зазора 10 не влияет на передачу СВЧ-мощности, так как СВЧ-волна, прошедшая по части линии 4 до зазора 10, находится в области зазора 10 в режиме холостого хода, вследствие чего отражается назад с поворотом фазы на 180° и, пройдя по части линии 4 длиной λ/2 к точке 11, оказывается в противофазе с исходной волной. В результате передача СВЧ-мощности по части линии 4 длиной λ/2 от точки 11 до зазора 10 не происходит.
Таким образом осуществляется передача СВЧ-мощности по первому каналу из входного СВЧ-соединителя 1 в выходной СВЧ-соединитель 2. Геометрические размеры переключающего элемента 12 (его длина, равная λ/2, и ширина, равная ширине полосковых коммутируемых линий) и его расположение относительно коммутируемых линий - над упомянутыми линиями на минимальном расстояния δ от них - и ориентация переключающего элемента 12 параллельно коммутируемым линиям создают оптимальные условия в режиме передачи СВЧ-мощности и обеспечивают передачу на выход коммутатора максимальной СВЧ-мощности. Следует отметить, что смещение переключающего элемента 12 относительно оси коммутируемых линий (параллельно линиям) на расстояние, не превышающее 0,5 W, не оказывает существенного влияния на электрические характеристики коммутатора.
Для передачи СВЧ-мощности по второму каналу из входного СВЧ-соединителя 1 в выходной СВЧ-соединитель 3 переключающий элемент 12 отводится с помощью привода 15 от зазора 9 и перемещается в положение над зазором 10. При отведении переключающего элемента 12 от зазора 9 на расстояние, равное (2-3) W, передача СВЧ-мощности по первому каналу прекращается из-за сильного ослабления электромагнитной связи в зазоре 9 и между переключающим элементом 12 и линиями 4 и 5.
Когда переключающий элемент 12 займет положение над зазором 10, аналогично описанному выше осуществляется передача СВЧ-мощности из входного СВЧ-соединителя 1 в выходной СВЧ-соединитель 3 по цепи: линия 4 - переключающий элемент 12 - линия 6. СВЧ-мощность из входного СВЧ-соединителя 1 в выходной СВЧ-соединитель 2 не передается ввиду наличия зазора между линиями 4 и 5.
Входной и выходные СВЧ-соединители заявляемого коммутатора являются взаимными, т.е. передача СВЧ-энергии может осуществляться в направлении от соединителей 2 и 3 (которые в данном случае являются входными) к соединителю 1 (который в данном случае является выходным).
Заявляемый коммутатор СВЧ может быть выполнен как в полосковом, так и в коаксиальном варианте.
Согласно изобретению был изготовлен двухканальный коммутатор СВЧ S-диапазона с коаксиальными СВЧ-соединителями при входной средней мощности 380 Вт. Указанный коммутатор имел в полосе частот 5% потери открытого канала не более 0,3 дБ, закрытого - не менее 30 дБ; в полосе частот 8% - 0,5 дБ и 28 дБ, соответственно при КСВ СВЧ-соединителей не более 1,3.
Таким образом, заявляемый коммутатор СВЧ по сравнению с ближайшим аналогом за счет применения подвижного переключающего элемента и реализации режима сильной распределенной электромагнитной связи между переключающим элементом и коммутируемыми линиями позволяет существенно уменьшить потери пропускания и, как следствие, увеличить передаваемую коммутатором СВЧ-мощность.