КОНТАКТНЫЙ СВЧ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
CONTACT MICROWAVE SWITCH

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для коммутации СВЧ сигналов в фидерных трактах различного назначения, в частности при создании переключателя фидерных трактов.
При разработке устройств СВЧ возникает задача создания высокочастотного переключателя для коммутации фидерных трактов, и при этом не требуется высокое быстродействие. Для решения этой задачи часто используют механические переключатели. Механические переключатели имеют хорошее согласование, малые потери, высокий уровень рабочей мощности и малую мощность, потребляемую системой управления, так как, в отличие, например, от переключателей на полупроводниковых диодах, энергия потребляется только во время переключения.
4
Так, отдаленный аналог заявляемого изобретения - коаксиальный переключатель, содержащий установленную на торце статора переключателя входную коаксиальную фишку и расположенные по окружности статора выходные коаксиальные фишки, расположенный в роторе переключателя отрезок коаксиальной линии, изогнутой под углом 90°, причем ротор переключателя выполнен конической формы и снабжен подпружинивающим механизмом, регулирующим степень давления ротора на статор (авт. св. СССР №209553, Кл. 21а, 72/02, 1968). Описанная конструкция позволяет добиться хорошего согласования, малых потерь и хорошего контакта в коническом переходе.
Однако этому устройству присущи следующие недостатки:
- сложность конструкции, обусловленная, например, необходимостью точного исполнения конуса ротора для обеспечения устойчивого и надежного контакта между подвижной и неподвижной частями внешнего проводника;
- малая надежность, вызванная низкой надежностью контактов между подвижной и неподвижной частями центрального проводника коаксиальной линии. Низкая надежность контактов обусловлена малой площадью соприкосновения контактных пластин подвижной части центрального проводника с ножами фидеров, что приводит к нагреву контактов, их подгоранию и потере их пружинящих свойств вследствие изменения при нагреве свойств материала, из которых сделаны контакты. Увеличение площади соприкосновения приводит, как правило, к увеличению емкостной составляющей импеданса, что, в свою очередь, приводит к ухудшению согласования, росту потерь. Все это приводит к тому, что к контактным цангам предъявляются жесткие требования. Они должны обладать хорошими упругими свойствами в широком диапазоне температур, иметь небольшие размеры, чтобы не создавать дополнительных паразитных реактивностей, ухудшающих согласование, должны отсутствовать острые кромки, снижающие электропрочность устройства. Все эти требования снижают технологичность устройства и увеличивают его стоимость. Кроме того, при увеличении давления ротора на статор возможно смещение подвижной части центрального проводника таким образом, что оси центральных проводников подвижной и неподвижной частей перестанут находиться в одной плоскости, что приведет к еще большему уменьшению надежности, а при значительном расхождении осей - и к ухудшению согласования.
4
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является контактный СВЧ переключатель на симметричной полосковой линии, содержащий ротор с центральным полоском, вращающийся в плоскости, параллельной плоскости заземляющих пластин, причем центральный полосок имеет радиус изгиба, больший радиуса ротора, и вмонтирован в диэлектрик так, что образует участок линии с диэлектрическим заполнением (авт. св. СССР №238671, Кл.21а, 72/02, 1969). Это устройство отличается простотой конструктивного исполнения, кроме того, в этом устройстве отсутствует подвижный контакт между подвижной и неподвижной частями внешнего проводника симметричной полосковой линии. Однако и этому устройству присущи те же недостатки, а именно, малая надежность, вызванная низкой надежностью контактов между подвижной и неподвижной частями центрального полоска симметричной полосковой линии, обусловленная малой площадью соприкосновения контактов подвижной и неподвижной частей центрального полоска, низкая технологичность и высокая стоимость, обусловленная жесткими требованиями к цангам.
Технический результат предлагаемого изобретения - увеличение надежности при улучшении технологичности изготовления и уменьшении стоимости.
Другой технический результат - увеличение развязки.
Указанный технический результат достигается тем, что в контактном СВЧ переключателе, содержащем входной и выходные разъемы, центральный полосок, жестко связанный с центральными проводниками входного и выходных разъемов, заземляющие пластины, электрически связанные с внешними проводниками входного и выходных разъемов, и диэлектрические пластины, установленные между центральным полоском и заземляющими пластинами, заземляющие пластины совместно с диэлектрическими пластинами имеют возможность передвигаться.
Дополнительный результат достигается тем, что диэлектрические пластины, установленные между центральным полоском и заземляющими пластинами, выполнены, по крайней мере, из двух составных частей, имеющие разные диэлектрические постоянные.
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемого к нему чертежа, на котором изображено следующее.
На фиг.1 показана конструктивная схема предлагаемого контактного СВЧ переключателя.
На фиг.2 показан разрез предлагаемого контактного СВЧ переключателя.
На фиг.3 показан разрез предлагаемого по п.2 контактного СВЧ переключателя.
На фиг.4 показан разрез предлагаемого по п.3 контактного СВЧ переключателя.
На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1 входной разъем;
2, 3 выходные разъемы;
4 центральные проводники входного и выходных разъемов;
5 внешние проводники входного и выходных разъемов
6 неподвижная часть корпуса;
7 центральный полосок
8 заземляющие пластины;
9 диэлектрические пластины;
10 контактные пружины;
11 диэлектрическая прокладка;
12, 13 составные части диэлектрических пластин.
Контактный СВЧ переключатель содержит входной разъем 1, выходные разъемы 2, 3, состоящие из центрального 4 и внешнего 5 проводников, неподвижную часть корпуса 6, жестко связанной с внешним проводниками 4 входного 1 и выходных разъемов 2, 3, центральный полосок жестко связанный с центральными проводниками 4 входного 1 и выходных разъемов 2, 3, заземляющие пластины 8 и диэлектрические пластины 9, установленные между центральным полоском 7 и заземляющими пластинами 8. Заземляющие пластины 8 электрически связаны с неподвижной частью корпуса 6. Контактные пружины 10 осуществляют непосредственный гальванический контакт между заземляющими пластинами 7 и неподвижной частью корпуса 6.
Вместо контактных пружин 10 может быть установлена диэлектрическая прокладка 11 (см. фиг.3). Диэлектрические пластины 9 могут быть выполнены составными (см. фиг.4), по крайней мере, из двух диэлектриков 12, 13, имеющих разные диэлектрические постоянные (ε1, ε2). Причем в качестве диэлектрика может выступать воздух.
Контактный СВЧ переключатель работает следующим образом.
СВЧ сигнал со входа 1 поступает на центральный полосок 7, жестко связанный с центральными проводниками 4 входного 1 выходных разъемов 2, 3. Заземляющие пластины 8 и диэлектрические пластины 9 установлены таким образом, что волновое сопротивление участка симметричной линии (от входа 1 до выхода 2), образованной участком центрального полоска 7 заземляющими пластинами 7 и диэлектрическими пластинами 8, равно волновому сопротивлению выходного разъема 2 и присоединенному к нему ВЧ-тракта. Таким образом, вход 1 присоединен к выходу 2.
Волновое сопротивление участка симметричной линии (от входа 1 до выхода 3), образованной участком центрального полоска 7 заземляющими пластинами 8 и диэлектрическими пластинами 9, отлично от волнового сопротивления выходного разъема 3 (значительно больше) и СВЧ сигнал не проходит к выходному разъему 3. Таким образом, выход 3 оказывается отключенным и СВЧ сигнал проходит со входа 1 на выход 2.
Передвинув заземляющие пластины 6, диэлектрические пластины 8, например, повернув их на 180° (см. Фиг.1), изменяют волновое сопротивление участка таким образом, что СВЧ сигнал проходит к выходному разъему 3 и не проходит к выходному разъему 2, т.е. подключают к входному разъему 1 выходной разъем 3, а выходной разъем 2 отключают от входа 1. Контактные пружины 9 осуществляют непосредственный гальванический контакт между заземляющими пластинами 8 и неподвижной частью корпуса 6, жестко связанной с внешними 5 проводниками входного разъема 1 и выходных разъемов 2, 3.
Из приведенного описания видно, что подвижными частями в заявляемом устройстве являются неузкий центральный полосок 7, как в аналоге или в прототипе, а заземляющие пластины 8 и диэлектрические пластины 9. Таким образом, электрический контакт необходимо осуществлять между заземляющими пластинами 8 и неподвижной частью корпуса 6. Так как площадь этих контактирующих поверхностей значительно больше площади контактирующих поверхностей между подвижной и неподвижной частями центрального полоска, то и надежность контакта значительно возрастает, при этом снижаются требования к контактным пружинам 10, по сравнению с требованиями к цангам. Это легко можно проиллюстрировать на следующем примере. В пружине большое количество лепестков, и в случае, когда один или несколько лепестков пружины сломается, это не приводит не только к выходу из строя переключателя, но даже не сказывается на основных параметрах (согласование, уровень рабочей мощности и т.д.), так как остается достаточно много исправных лепестков и контактные свойства пружины в этом случае, не ухудшаются. В случае же, когда сломается даже один лепесток цанги, из-за малого их количества может значительно ухудшится контакт между частями центрального полоска, что может привести к «подгарам», пробоям, т.е. к выходу из строя всего устройства.
Электрическую связь можно обеспечить без непосредственного гальванического (механического) контакта за счет емкостной связи между этими контактирующими поверхностями. Емкость в этом случае образована неподвижной частью корпуса 6, заземляющими пластинами 8 и диэлектрической прокладкой 11, установленной между ними (см. Фиг.3). Так как площадь контактирующих поверхностей между подвижной и неподвижной частями (между заземляющими пластинами 8 и неподвижной частью корпуса 6) имеет большую величину, следовательно, сопротивление за счет небольшого расстояния между контактирующими поверхностями и за счет диэлектрической прокладки 11 имеет небольшую величину, и обеспечивает хороший электрический контакт для СВЧ сигнала. Это позволяет исключить трущиеся части подвижного механического контакта, тем самым еще больше повысить надежность всего устройства.
Для увеличения развязки диэлектрические пластины 8 выполнены, по крайней мере, из двух составных частей 12, 13, имеющие разные диэлектрические постоянные (ε1, ε2) (см. Фиг.4). Подбор соотношения диэлектрических постоянных составных частей 12, 13 позволяет выполнить волновые сопротивления участков полосковой линии, соединяющей входной разъем 1 с выходным 2 (3) таким образом, что СВЧ сигнал будет отражаться не только от неоднородности в месте соединения входа 1 с выходом 2 (3), но и от неоднородности в месте стыковки составных частей 12, 13 с различными диэлектрическими постоянными, так как в этом месте происходит скачок волновых сопротивлений, вызванный различием диэлектрических постоянных (ε1, ε2) составных частей 12, 13.
Количество составных частей, из которых составлены диэлектрические пластины 8, может быть различным. Увеличение количества составных частей диэлектрических пластин 9 приводит, за счет увеличения количества неоднородностей, от которых отражается ВЧ-сигнал, к увеличению развязки.
Электрическую связь между подвижной и неподвижной частями (между заземляющими пластинами 7 и внешними 5 проводниками входного разъема 1 и выходных разъемов 2, 3) можно обеспечить как непосредственным гальваническим контактом, так и за счет емкостной связи между этими контактирующими поверхностями, сущность технического решения предложенного по п.3 при этом не изменится.
1
2
1
2
2
Предварительное моделирование показало, что переключатель, выполненный на симметричной полосковой линии с использованием в качестве диэлектрика фторопласт (диэлектрическая постоянная ε=2) и воздух (диэлектрическая постоянная ε=1) позволяет создать переключатель, имеющий КСВ не хуже 1, 2, развязку не хуже 20 дБ. При использовании в устройстве диэлектрической прокладки из трех диэлектриков, в качестве которых используется диэлектриков фторопласт (диэлектрическая постоянная ε=2), воздух (диэлектрическая постоянная ε=1), ФЛАН (диэлектрическая постоянная ε=10) развязка увеличивается до 29-30 дБ.
Использование технического решения позволит увеличить надежность, повысить технологичность и уменьшить стоимость СВЧ переключателей за счет увеличения площади контактирующих поверхностей между подвижной и неподвижной частями, а также улучшить электрические характеристики за счет использования составных диэлектрических пластин.