МЕХАНИЧЕСКИЙ СВЧ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
MECHANICAL 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 (отключения) 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 - 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 №238631, Кл 21a, 72/02, 1969). Это устройство отличается простотой конструктивного исполнения. Однако этому устройству присущи недостатки, а именно малая надежность и малая рабочая мощность, вызванная наличием трущихся контактов между подвижной и неподвижной частями центрального проводника, низкая технологичность изготовления и высокая стоимость, обусловленная жесткими требованиями к контактным цангам.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является механический СВЧ переключатель, содержащий входной и выходные разъемы, центральный полосок, заземляющие пластины и диэлектрические пластины, установленные между центральным полоском и заземляющими пластинами, центральный полосок которого жестко связан с центральными проводниками входного и выходных разъемов, заземляющие пластины жестко связаны с внешними проводниками входного и выходных разъемов, а диэлектрические пластины выполнены подвижными и составлены, по крайней мере, из двух частей, имеющих разные эффективные диэлектрические постоянные (патент на изобретение 2525110, кл. H01P 1/12 2014 г.).
Это устройство имеет повышенную надежность и увеличенную рабочую мощность за счет исключения трущихся контактов между подвижной и неподвижной частями центрального проводника.
Однако этому устройству присущи следующие недостатки.
Наличие границы между двумя диэлектриками с разными эффективными диэлектрическими постоянными непосредственно в месте разветвления проводника приводит к тому, что возникает необходимость:
- точной установки границы раздела сред относительно центра Т-сочленения центральных полосков, соединяющего входной и выходные разъемы, так как даже небольшое смещение границы раздела диэлектриков в месте Т-сочленения приводит к резкому ухудшению согласования;
- выполнения границы раздела сред в виде профиля сложной формы для получения хорошего согласования.
Это приводит к усложнению конструкции и, как следствие, к снижению технологичности изготовления устройства и нестабильности (ухудшению) его электрических параметров (коэффициент стоячей волны, потери).
Кроме того, невозможно одновременное, надежное отключение выходных разъемов от входного.
Технический результат предлагаемого изобретения - упрощение конструкции, улучшение технологичности изготовления устройства при стабильных электрических параметрах и осуществление возможности надежного отключения выходных разъемов от входного разъема.
Указанный технический результат достигается тем, что в механическом СВЧ переключателе, содержащем входной и выходные разъемы, центральный полосок, жестко связанный с центральными проводниками входного и выходных разъемов, заземляющие пластины, жестко связанные с внешними проводниками входного и выходных разъемов, и подвижные диэлектрические пластины, составленные, по крайней мере, из двух частей, имеющих разные эффективные диэлектрические постоянные, центральный полосок выполнен в виде замкнутой линии, соединяющей центральные проводники входного и выходных разъемов, и введены подвижные металлические пластины, жестко связанные с подвижными диэлектрическими пластинами.
Известны устройства (кольцевые мосты), в которых полосок выполнен в виде замкнутой линии, соединяющей центральные проводники входного и выходных разъемов (Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств, Жук М.С. и Молочков Ю.Б. М.: «Энергия», 1973 с 420…421).
Однако эти устройства имеют неизменные электрические длины участков линии между выходами и неизменяющееся распределение мощности сигнала в выходных каналах, в отличие от заявляемого устройства, где электрическая длина участков линии между выходами меняется, что влечет за собой изменение распределения мощности сигнала между выходами. Кроме того, кольцевые мосты служат только для сложения и вычитания сигналов и не могут обеспечить ни переключение, ни отключение фидерных трактов.
Таким образом, рассмотренное устройство (кольцевой мост) применятся по иному назначению, имеет конструктивные признаки, отличные от конструктивных признаков заявляемого устройства.
Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемого к нему чертежа, на котором изображено следующее:
На фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого механического СВЧ переключателя.
На фиг. 2 показан поперечный разрез предлагаемого механического СВЧ переключателя.
На фиг. 3 схематично показана конструкция предлагаемого механического СВЧ переключателя.
На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:
1 входной разъем;
2, 3 выходные разъемы;
4, 5, 6 отрезки центрального полоска;
7 центральные проводники входного и выходных разъемов;
8 заземляющие пластины;
9 внешние проводники входного и выходных разъемов;
10, 11 составные части подвижных диэлектрических пластин;
12 подвижные металлические пластины.
эфф1
эфф2
Механический СВЧ переключатель содержит входной разъем 1 и выходные разъемы 2, 3, центральный полосок, образованный отрезками 4, 5, 6 и жестко связанный с центральными проводниками входного и выходных разъемов 7, заземляющие пластины 8, жестко связанные с внешними проводниками входного и выходных разъемов 9, подвижные диэлектрические пластины 10, 11, составленные, по крайней мере, из двух частей, имеющих разные эффективные диэлектрические постоянные (ε, ε), и жестко связанные с ними подвижные металлические пластины 12. Центральный полосок, образованный отрезками 4, 5, 6, выполнен в виде замкнутой линии, соединяющей центральные проводники 7 входного разъема 1 и выходных разъемов 2, 3. Отрезок центрального полоска 4 соединяет центральные проводники 7 разъемов 1 и 2, отрезок центрального полоска 5 соединяет центральные проводники 7 разъемов 1 и 3, отрезок центрального полоска 6 соединяет между собой центральные проводники 7 выходных разъемов 2 и 3.
Участки линий передачи между разъемами 1 и 2 и между разъемами 1 и 3 имеют одинаковую геометрическую длину. При этом электрическая длина этих участков изменяется при перемещении диэлектрических пластин 10, 11. Геометрические размеры частей отрезков линий передачи 4, 5, 6, диэлектрические постоянные и размеры диэлектрических пластин 10, 11 подобраны таким образом, что в то время, как длина одного из отрезков линии (например, между разъемами 1 и 2), образованной заземляющими пластинами 8, отрезком центрального полоска 4 и диэлектрическими пластинами 10 (либо комбинацией диэлектрических пластин 10, 11), имеет электрическую длину, равную четному числу четвертей длины волны, длина другого отрезка линии (между разъемами 1 и 3) имеет электрическую длину, равную нечетному числу четвертей длины волны.
эфф
Подвижные металлические пластины 12, служат для обеспечения постоянства волнового сопротивления отрезков линии передачи при изменении постоянной (ε) диэлектрического заполнения, вызванного перемещением диэлектрических пластин 10, 11. Размеры металлических пластин 12, выбраны таким образом, что линия, образованная заземляющими пластинами 8, отрезком центрального полоска 4 (5), подвижными металлическими пластинами 12, и диэлектрическими пластинами 11, имеет такое же волновое сопротивление, что и линия, образованная заземляющими пластинами 8, отрезком центрального полоска 5 (4) и диэлектрическими пластинами 10 (либо комбинацией диэлектрических пластин 10, 11).
Механический СВЧ переключатель работает следующим образом.
СВЧ сигнал с входа 1 поступает в линию передачи, образованную заземляющими пластинами 8, диэлектрическими пластинами 10, 11, металлическими пластинами 12, 13 и центральным полоском, состоящим из отрезков 4, 5, 6. СВЧ сигнал на входе 1 разделяется на два канала в отношении 1:1 по мощности и на выходные разъемы 2, 3 приходит в виде суперпозиции 2-х сигналов, пришедших разными путями.
На разъеме 2 суммируются СВЧ сигналы, приходящие по отрезку центрального полоска 4 и по отрезкам 5 и 6. На разъеме 3 суммируются СВЧ сигналы, приходящие по отрезку центрального полоска 5 и по отрезкам 4 и 6. В результате того, что диэлектрическое заполнение участков 4 и 5 линии передачи различно, их электрические длины также разные, и в то время как на одном выходном из разъемов СВЧ сигналы суммируются в фазе, на другой СВЧ сигналы приходят в противофазе. В результате весь сигнал с разъема 1 будет поступать в тот из разъемов, на котором будет осуществляться синфазное сложение.
эфф
Например, если диэлектрическая постоянная ε пластин, окружающих участок внутреннего полоска 5, такова, что электрическая длина этого участка линии передачи вдвое больше электрической длины участков 4 и 6, и составляет половину длины волны, то на выходе устройства мощность СВЧ сигнала распределится следующим образом.
На разъеме 3 СВЧ сигнал представляет собой сумму сигналов, прошедших двумя путями:
- по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8, составными частями диэлектрических пластин 10, 11 и отрезком центрального полоска 5 и имеющей длину, равную половине длины волны;
- по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 и отрезком центрального полоска 4 и имеющей длину равной четверти длины волны и затем по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 и отрезком центрального полоска 6 и имеющей также длину в четверть длины волны. Таким образом, общая длина линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 и отрезками центрального полоска 4 и 6, составляет половину длины волны.
В результате сигналы, прошедшие этими двумя путями, складываются на разъеме 3 в фазе, и СВЧ сигнал с входа 1 поступает на выходной разъем 3.
На разъеме 2 в то же время СВЧ сигнал представляет собой сумму сигналов, прошедших по тем же проводникам, но другими путями:
- по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 и отрезком центрального полоска 4 и имеющей длину равной четверти длины волны;
- по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8, составными частями диэлектрических пластин 10, 11 и отрезком центрального полоска 5, имеющей длину равной половине длины волны и затем - по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 и отрезком центрального полоска 6 и имеющей длину в четверть длины волны. Таким образом, общая длина линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 и отрезками центральных полосков 4 и 6, составляет три четверти длины волны.
В результате эти два сигнала складываются в противофазе, и на выходной разъем 2 СВЧ сигнал со входа 1 не поступает.
При перемещении диэлектрических пластин 10, 11, например, при повороте на 120° влево (см. Фиг. 1), электрическая длина участков линии передачи, содержащих отрезки центрального полоска 4 и 5, изменяется. Теперь участок линии передачи, содержащий отрезок полоска 4, имеет электрическую длину равной половине длины волны, а участок линии передачи, содержащий отрезок полоска 5, - четверти длины волны.
СВЧ сигнал, поступающий со входа 1 одновременно на участки линии передачи, содержащие отрезок полоска 4 и отрезок полоска 5, приходит на каждый из выходных разъемов по двум путям и складывается на разъеме 2 в фазе, а на разъеме 3 - в противофазе. В результате весь сигнал со входа 1 поступает в разъем 2.
Передвинув диэлектрические пластины 10, 11 еще раз, например, повернув их еще на 120° (см. Фиг. 1), получаем следующее распределение энергии сигнала на выходных разъемах:
- СВЧ сигнал с входа 1 поступает на выходной разъем 3 по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 и отрезком центрального полоска 5 и имеющей длину равной четверти длины волны, а также по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 и отрезком центрального полоска 4 и имеющей длину равной четверти длины волны, и по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 составными частями диэлектрических пластин 10, 11 и отрезком центрального полоска 6 и имеющей длину равной половине длины волны. Таким образом, сигнал со входа 1 приходит на выходной разъем 3 по двум путям, электрическая длина которых различается на половину длины волны, сложение сигналов на выходе происходит в противофазе, и СВЧ сигнал на выходной разъем 3 не поступает.
- в то же самое время СВЧ сигнал с входа 1 поступает на выходной разъем 2 по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 и отрезком центрального полоска 4 и имеющей длину равной четверти длины волны, а также по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 и отрезком центрального полоска 5 и имеющей длину равной четверти длины волны и по линии передачи, образованной заземляющими пластинами 8 составными частями диэлектрических пластин 10, 11 и отрезком центрального полоска 6 и имеющей длину равной половине длины волны. Таким образом, сигнал со входа 1 приходит на выходной разъем 2 по двум путям, электрическая длина которых различается на половину длины волны, сложение сигналов на выходе происходит в противофазе, и СВЧ сигнал на выходной разъем 2 не поступает.
Таким образом, оба выхода оказываются отключенными от входа. У заявляемого устройства появляется новое качество, которого не было у устройства, взятого за прототип, а именно отключение от входного разъема обоих выходных разъемов. Следовательно, заявляемое устройство может использоваться как выключатель, что невозможно было при использовании устройства, взятого за прототип.
Части металлических пластин 12 могут иметь как емкостную связь с заземляющими пластинами 8, так и непосредственный гальванический контакт с заземляющими пластинами 8.
Из приведенного описания видно, что выполнение центрального полоска, жестко связанного с центральными проводниками входного и выходных разъемов, в виде замкнутой линии, соединяющей центральные проводники входного и выходных разъемов, наличие подвижных диэлектрических пластин, составленных, по крайней мере, из двух частей, имеющих разные эффективные диэлектрические постоянные и введение подвижных металлических пластин, жестко связанных с подвижными диэлектрическими пластинами, позволяет:
во-первых, упростить конструкцию, следовательно, улучшить технологичность изготовления устройства при стабильных электрических параметрах;
во-вторых, осуществить возможность надежного отключения выходных разъемов от входных разъемов.
Использование данного изобретения позволяет создать механический СВЧ переключатель со стабильными электрическими параметрами, с более простой конструкцией, улучшенной технологичностью изготовления и возможностью надежного отключения выходных разъемов от входного разъема.
Предварительное макетирование показало, что механический переключатель, выполненный на симметричной полосковой линии с использованием в качестве диэлектриков материалов ФЛАН-10, ФЛАН-5 (диэлектрические постоянные ε=10 и ε=5) и воздуха (диэлектрическая постоянная ε=1), в диапазоне частот от 1,0 ГГц до 1,1 ГГц может иметь КСВ не хуже 1,4 и потери СВЧ сигнала порядка 0,4дБ. Рабочая мощность предлагаемого устройства, такая же, как в прототипе, и ограничивается так же только параметрами полосковой линии.