CN1224912A - 高频切换装置 - Google Patents

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Abstract

一种最小化的高频切换装置,该切换装置包括有固定触点和可移动触点的接触部件。由电磁屏蔽罩包围固定触点和可移动触点。引线插头穿过固定于导体基座中的绝缘环。在接触部件中设有阻抗补偿结构,用于区分沿引线插头有限长度的第一段上的第一阻抗与紧靠第一段的第二段固有的第二阻抗,以在引线插头的整个长度上产生介于第一阻抗和第二阻抗之间的预定总阻抗。

Description

高频切换装置
本发明涉及高频切换装置，特别涉及小型切换装置，例如切换高频信号的继电器。
已知的高频切换装置包括带有固定触点和可移动触点的接触部件，驱动可移动触点使其断开和闭合固定触点之间的电流通路。为了将电流通路与周围的电磁场隔开，用电磁屏蔽罩围住固定触点和可移动触点，该电磁屏蔽罩支撑在导体基座上并通过它接地。用于电连接在高频信号下进行工作的外部负载电路的引线插头的各端部上，分别形成固定触点。引线插头穿过固定于导体基座上的绝缘环，以便使引线插头与导体基座电绝缘。为了使这种结构用于高频电流中，已要求将装置小型化至可以装入小型电子装置中，例如移动蜂窝电话，同时保持最小的回波损耗，即具有尽可能接近整数的VSWR。但是，为了实现装置的最小化，同时保持沿高频电流信号通路约50Ω的最佳总阻抗，就应该考虑限制穿过绝缘环的引线插头的短路段的特定阻抗(Z)，如下列公式所示。
Figure A9910035700051
其中，εr是绝缘环的介电常数。
因此，假设引线插头的直径沿其长度方向上是均匀的，那么沿引线插头的信号通路在被绝缘环包围的该特定段上的阻抗被改变。事实上，该段阻抗大大低于相对于信号通路的其它段的阻抗。尽管通过适当选择介电常数εr、导体基座的厚度(d)和绝缘环的直径(D)，可以将该段阻抗(Z)调整至约50Ω的最佳阻抗，但发现所有尝试却因以下原因实际上是不可行的。首先，由于可用的作为绝缘环的介电材料有限，所以介电常数εr基本上是固定的。第二，为了保持机械强度，导体基座的厚度(d)不能制作得较小。第三，考虑到装置的小型化，直径(D)不能很大。因此，还未发现既可使继电器最小化同时信号通路有总最佳阻抗的这种结合的有效方法。
鉴于上述问题，本发明可实现提供最小化的高频切换装置，该装置可以在信号通路长度上提供最佳总阻抗，同时补偿在信号通路的特定段出现的不可避免的阻抗变化。本发明的切换装置包括带有固定触点和可移动触点的接触部件，驱动可移动触点可断开和闭合在固定触点之间的电流通路。由电磁屏蔽罩包围固定触点和可移动触点，该电磁屏蔽罩支撑在导体基座上并通过其接地，使电流通路与周围的电磁场隔开。在用于电连接在高频信号下进行工作的外部负载电路的引线插头的各端部上，分别形成固定触点。引线插头穿过固定于导体基座上的绝缘环，使引线插头与导体基座电绝缘，并形成流过高频电流的信号通路。将阻抗补偿结构设置在接触部件中，用于区分沿引线插头有限长度的第一段上的第一阻抗和紧靠第一段的第二段的固有第二阻抗，以便在引线插头的整个长度上产生介于第一阻抗和第二阻抗之间的预定总阻抗。根据发现的沿信号通路有限长度的第一段上的阻抗变化可以由也为有限长度的紧相邻的第二段的阻抗的相反变化成功地进行补偿，特别是当两段的长度小于就高频电流而言的波长λ的百分之一时，给定最佳总阻抗的上述补偿很有效。
在优选实施例中，通过切口实现阻抗补偿结构，该切口形成在紧靠近导体基座的屏蔽罩内，给出了位于引线插头周围的开敞窗口，用于增加相应于切口的第一段上的第一阻抗，超过预定最佳总阻抗。更具体地说，切口在第一段产生第一阻抗，该阻抗大于由绝缘环包围的引线插头第二段提供的第二阻抗。
形成导体基座，使其具有在其中固定绝缘环的各通孔，绝缘环上下表面整齐地与所述导体基座上下表面齐平，导体基座最好有小于所述绝缘环直径(D)的厚度(d)，以便使第二段上第二阻抗的减小最小，能够容易地由切口进行阻抗补偿。
电磁屏蔽罩有侧壁，该侧壁使固定触点和可移动触点之间封闭，侧壁由均匀厚度的金属板加工成形，其展平肩部形成于分别与固定触点邻近的部位，当可移动触点在离开固定触点的断开条件下时，固定触点的对置端静止在展平肩部上，通过在有限长度上与可移动触点平行地向内局部变形侧壁，加工成形每个展平肩部，以便当固定触点处于断开条件时，使可移动触点大致在其整个水平长度上有与肩部恒定接触的对置端。因此，在断开位置上可移动触点的端部尽可能靠近屏蔽罩的侧壁，以便不使其本身成为浮置电极，否则的话，在端开条件下会产生地电流，并产生使固定触点与地绝缘减弱的天线效应。因此，提供用屏蔽罩容易成形的扁平肩部，可以改善绝缘。
此外，最好还使导体基座有不同水平的第一下表面和第二下表面。第一下表面在使用中被用作装配在印刷电路板上的表面，以便电连接在印刷电路板顶部上的接地导体。引线插头分别通过其延伸的第二下表面处于高于第一下表面的水平，从而在第二下表面和印刷电路板之间形成间距。该间距使引线插头焊接在印刷电路板顶部的电路上。因此，这种结构的接触部件可以成功地表面安装在印刷电路板顶部上带有接地线和电路两者的印刷电路板上。此外，该间距可以使与切口一起对由绝缘环包围的引线插头第二段的上述阻抗减小的补偿有效，以便对引线插头提供最佳总阻抗。由于高频电流将流过仅位于印刷电路板之上的每个固定触点的上段，而不流过固定触点接线的下段，所以固定触点接线可以有从导体基座至焊接连接点测量的均匀长度的独立上段，使上段的阻抗均匀，便于在设计总最佳阻抗中使阻抗匹配。
导体基座最好配有用于在印刷电路板上与接地线连接的多个接地插头。在每个接地插头的上端形成扩大的顶端，该接地插头穿过导体基座中对应的通孔，使扩大顶端在通孔下端与内凸缘啮合。在邻近内凸缘部分的通孔中填充焊料，将扩大的顶端固定在内凸缘上。因此，为连接引线插头与导体基座所用的焊料部分可熔化在印刷电路板的导体基座的固定件上，使引线插头焊接连接在电路板上，实现导体基座和印刷电路板之间的可靠电连接。
可将上述结构的接触部件装入包括装有励磁线圈和衔铁的电磁部件的电磁继电器中。该衔铁与可移动触点耦合，根据励磁线圈的激励断开和闭合可移动触点与固定触点。该装置还包括机壳，用于容纳电磁部件和接触部件，由电绝缘塑料材料模压制成机壳，并在其上淀积导电材料的接地层，电磁部件包括暴露在电磁部件上并与接地层电连接的导电材料部分，从而成功地使接触部件的信号通路与电磁部件隔离，用于实现与继电器连接的高频负载电路的可靠工作。
通过参照附图结合实施例的下述说明，将使本发明的这些和其它目的及优点变得更加明显。
图1是本发明第一实施例的按电磁继电器形式的高频切换装置的分解透视图；
图2是表示表面贴装于印刷电路板上的装置接触部件的局部剖切的正视图；
图3和图4是分别表示两个接触控制位置的接触部件的俯视图；
图5是接触部件部分的放大正视图；
图6是表示接触部件部分的放大俯视图；
图7是本发明第二实施例用于高频切换装置的接触部件的分解透视图；
图8是表面贴装于印刷电路板上的接触部件的局部剖切的正视图；
图9是接触部件部分的放大正视图；
图10是表面贴装于印刷电路板上的接触部件变形例的局部剖切的正视图；
图11是图10的接触部件变形例的侧视图；
图12是用于图10的接触部件组件中的印刷电路板的俯视图；和
图13是表示另一个可用于图10的接触部件中的引线插头部分的示意图。
参照图1，它表示按照本发明第一实施例的作为一个典型切换装置的电磁继电器。在使用中，继电器被安装在以高频电流进行工作的装置内部的印刷电路板80上，例如，安装在使用达3GHz的高频信号的移动蜂窝电话内。继电器由接触部件10和电磁部件50组成。接触部件10包括其上装载三个水平相隔的引线插头21的导体基座40和一对可移动触点24，在各引线插头21的上端部限定固定触点22，每一个可移动触点24为跨过两个相邻的固定触点22水平延伸的片簧形式。借助围绕引线插头21中间部分装配的介电材料的绝缘环44，引线插头21与导体基座40电绝缘。固定触点22的中心触点确定共用触点(COM)，同时其余的两个固定触点22分别确定正常断开(NO)触点和正常闭合(NC)触点。如图3和图4所示，由电磁部件50驱动可移动触点24，给出两个交替的触点位置。在一个位置上，左侧的可移动触点24与两个相邻的触点22(NO)和(COM)隔开，而右侧的可移动触点24互连两个相邻的触点22(COM)和(NC)。在另一个位置，上述关系相反。为了使触点之间的电流通路与电磁部件50相互隔离，将包围固定触点22和可移动触点24的电磁屏蔽罩30安装在导体基座40上。
电磁部件50包括固定到机壳60上的励磁线圈70和由复位弹簧62支撑到机壳60上的可移动衔铁72。衔铁72有一对电绝缘材料的支柱73，每个支柱73载有可移动触点24。当激励线圈70时，驱动衔铁72对抗复位弹簧62的偏压力而被移动，从而可移动弹簧24移入图4的位置。当解除线圈70的激励时，通过弹簧62的作用衔铁72返回到图3的位置。线圈70绕制在与带有两个磁极端的轭铁76连接的铁心74上。铁心74在其端部限定中心支柱，该中心支柱与各个磁极端合作，在衔铁72的一端形成接收磁极板78的单独的磁隙。将永磁铁77固定在磁极板78之间，当线圈70未被激励时提供将衔铁72固定在一个位置上的磁路，从而对继电器提供极化单稳态操作。线圈70有与线圈接线端79连接的反向端，该端部在远离线圈部件10的部分穿过机壳60的底部。线圈部件10被装在沿机壳60一侧端部形成的线圈室63中，同时电磁部件50被装在利用隔板65与线圈室63隔开的磁铁室64中。线圈室63的底部开口，使导体基座40完全暴露给机壳60的底部。
除引线插头21以外，如图2所示，导体基座40还载有多个接地插头46，接地插头46用于使导体基座40电连接到接地线81上，该接地线81形成于在其上安装继电器的印刷电路板80的表面上。用焊料填充用于接地插头46的通孔83，以电连接接地导体81。形成在印刷电路板80底部的是构成由继电器切换的负载电路的布线电路。穿过相应通孔85的引线插头21焊接在电路82的相应焊接区上，使接触部件10与负载电路连接。镀金的引线插头21有约0.4mm的直径，通过直径(D)约1.35mm的绝缘环44与导体基座40绝缘。由介电常数约3.1至3.4的聚丁二烯对苯二酸酯(PBT)构成绝缘环44，并且如图5所示，该绝缘环44被紧密地固定在导体基座40的通孔43中于导体基座40的整个高度(d)上。为了使继电器的体积最小，还要保持所要求的足够机械强度，选择导体基座40的高度(d)或厚度约为1.0mm。在这方面，还选择绝缘环44的直径(D)使其最小，以达到最小化，并同时确保插头21与导体基座40足够的绝缘。根据这种尺寸要求，当在缺少绝缘环的情况下将插头设计成具有50Ω的最佳阻抗时，引线插头21在由绝缘环44包围的有限长度(d)的第一段上阻抗大大下降降至29Ω。也就是说，在该第一段下降的阻抗Z由下式表示：
Figure A9910035700101
其中，εr是绝缘环44的介电常数。
可以发现在有限长度(d)的该第一段减小的阻抗可由在直接相邻的第二段的增加的阻抗成功地进行补偿，倘若该第二段相对于高频电流具有在波长λ的约百分之一内的长度L，即λ/100。也就是说，相对于3GHz的高频电流，长度L约为1.0mm。因此，为了补偿阻抗减小，在导体基座40之上立即选择1.0mm或更小有限长度L的第二段，通过在电磁屏蔽罩30下端配置切口34，使其约有70至80Ω的增加的阻抗。按照这一结果，引线插头21在其整个长度上可以有约50Ω的最佳总阻抗。由导电的薄金属板例如Be-Cu金属板成形电磁屏蔽罩30，使其成形为带有对置侧壁31、对置端壁32和底板33的顶部开口的矩形盒。底板33在对应绝缘环44的部分开口，并焊接于导体基座40上。因此，对应的绝缘环44正上方的每个切口34给出其周边围绕每个引线插头21第二段的开口，从而将第二段的阻抗增加至上述预定值。
如图3和图4所示，电磁屏蔽罩30的侧壁31局部向内弯曲，形成展平肩部35，当可移动触点位于与对应的固定触点22不相连接的断开位置时可移动弹簧24的相反纵向端静止在该肩部上。定形展平肩部35，使其在开口位置与可移动触点24的端部紧密接触，最好如图6所示，在可移动触点24的远端和肩部35之间不保留大间隙。按照这一结果，在可移动触点24的端部和可流过地电流的接地的电磁屏蔽罩30之间不形成这种大电容，当有关的可移动触点24处于断开位置时，该电容产生破坏相邻的固定触点22与接地电磁屏蔽罩30之间绝缘的不期望的天线效应。换句话说，可以防止可移动触点24的端部作为相邻的固定触点的浮置电极，并可以成功地保持地电平。
由介电塑料材料模压机壳60，并在其内部淀积接地层61，例如淀积在磁铁室64的底部。使包括铁心74、轭铁76和复位弹簧62的电磁部件50的金属部件与接地层电连接。复位弹簧62还与插入在机壳60端部的安装孔67中的金属导体的端板66连接。在安装孔67的内部形成可与在机壳60的底部上的接地层相互电连接的接地层。因此，使形成电磁部件50的所有金属部件都接地，以改善接触部件10与电磁部件的绝缘。还可以在机壳外部形成另一接地层。由介电塑料材料模压壳盖68，壳盖68固定在机壳60上，密封在它们之间的继电器所有部分，并且可在其内部或外部淀积类似的接地层，以使继电器与外部电磁场隔离。
下面，参照图7至图9，它表示可以在上述继电器中同样利用的接触部件10A。除导体基座40A的底部形成有围绕引线插头21A的凹槽41，本发明第二实施例的接触部件10A基本上与上述实施例相同。用后面加有字母“A”的相同序号表示相同部分。除凹槽41之外的导体基座40A的部分限定导体基座底部上的第一表面，用于直接接触在印刷电路板80A上。同时，凹槽41在其底部确定第二表面，该表面与印刷电路板80A隔开，从而在印刷电路板80A顶部的导体82A和导体基座40A之间产生独立的间距42。因此，通过在对应的通孔85A中填充焊料，可以将引线插头21A焊接在印刷电路板80A顶部侧的导体82A上。由于制备了凹槽41，所以可以在印刷电路板的顶部形成电路82A，使引线插头21A的电连接点保持在印刷电路板顶部的导体82A上，这消除了使电流通路延长至被印刷电路板80A包围的引线插头21A段的可能性，从而避免在该段出现别的不期望的阻抗减小。此外，可以单独用凹槽41或与电磁屏蔽罩30A的切口34A一起补偿由绝缘环44A包围的段上的阻抗减小。
如图8和图9所示，每个接地插头46A有在通孔48下端与内凸缘49啮合的扩大顶端47。将焊料84从印刷电路板底部填充在通孔48中，占据引线插头和内凸缘之间的间隙。通过加热，焊料84熔化，将引线插头21A固定在导体基座40A上和印刷电路板顶部上的接地导体81A上。
如图10至图12所示，可以成形引线插头21B使其弯曲底脚23，该底脚放置于印刷电路板80B上的相应导体82B上并焊接连接在其上。如图13所示，还可以成形引线插头21C使其带有T形底脚23C。

Claims (10)

1．一种包括接触部件的高频切换装置，所述接触部件(10)包括：至少一对固定触点(22)，各自形成在引线插头(21)的一端；可移动触点(24)，驱动可移动触点(24)使其闭合和断开在所述固定触点(22)之间的通路；
带有绝缘环(44)的导电材料的导体基座(40)，各绝缘环(44)穿过各一个所述引线插头，按相互电绝缘的关系固定在所述导体基座之上的所述固定触点，所述引线插头和所述可移动触点共同确定流过高频电流的信号通路；和
从所述导体基座竖起的电磁屏蔽罩(30)，封闭所述固定触点(22)和所述可移动触点(24)，所述电磁屏蔽罩(30)与所述导体基座(40)电连接；
其特征在于，所述接触部件(10)包括阻抗补偿装置(34)，用于区分沿所述引线插头(21)有限长度的第一段上的第一阻抗与沿所述引线插头的紧靠所述第一段且对准的有限长度的第二段的固有第二阻抗，以在所述引线插头的整个长度上产生介于所述第一和第二阻抗之间的预定总阻抗。
2．如权利要求1的高频切换装置，其特征在于，所述第一段和所述第二段的所述有限长度为相对于所述高频电流而言的波长λ的百分之一(λ/100)。
3．如权利要求1的高频切换装置，其特征在于，所述阻抗补偿装置限定为切口(34)，在紧靠所述导体基座(40)的所述电磁屏蔽罩(30)中形成该切口，产生位于所述引线插头(21)周围的敞开窗口，用于相应于所述切口增加所述第一段上的第一阻抗，使第一阻抗大于所述第二阻抗。
4．如权利要求3的高频切换装置，其特征在于，在所述有限长度上由所述绝缘环(44)整体包围引线插头的所述第二段，从而提供所述第二阻抗。
5．如权利要求4的高频切换装置，其特征在于，形成所述导体基座(40)，使其具有在其中固定各所述绝缘环(44)的通孔(43)，绝缘环上下表面整齐地与所述导体基座上下表面齐平，所述导体基座有小于所述绝缘环直径(D)的厚度(d)。
6．如权利要求1的高频切换装置，其特征在于，所述电磁屏蔽罩(30)有侧壁(31)，该侧壁(31)使所述固定触点(22)和所述可移动触点(24)之间封闭，所述侧壁(31)由均匀厚度的金属板加工成形，其展平肩部(35)形成于分别与所述固定触点(22)邻近的部位，当所述可移动触点在离开所述固定触点的断开条件下时，所述固定触点(22)的对置端静止在展平肩部(35)上，通过在有限长度上与所述可移动触点平行地向内局部变形所述侧壁，加工成形每个所述展平肩部(35)，以便当所述固定触点处于所述断开条件时，使所述可移动触点(24)大致在其整个水平长度上有与所述肩部(35)恒定接触的对置端。
7．如权利要求1的高频切换装置，其特征在于，所述导体基座(40A)有不同水平的第一下表面和第二下表面，所述第一下表面在使用中被用作装配在印刷电路板(80A)上的表面，以便电连接在所述印刷电路板顶部上的接地导体(81A)，所述引线插头(21A)分别通过其延伸的所述第二下表面处于高于所述第一下表面的水平，从而在所述第二下表面和所述印刷电路板(80A)之间形成间距(42)，使所述引线插头(21A)焊接在所述印刷电路板(80A)顶部的电路(82A)上。
8．如权利要求7的高频切换装置，其特征在于，形成所述引线插头(21B)，使其下端带有展平底脚(23B)，该底脚在使用中适用于靠在所述印刷电路板(80B)的所述电路(82B)上，以与其焊接连接。
9．如权利要求7的高频切换装置，其特征在于，所述导体基座(40A)载有与所述印刷电路板(80A)上的所述接地导体(81A)连接的多个接地插头(46)，在每个所述接地插头(46)的上端形成扩大的顶端(47)，该接地插头(46)穿过所述导体基座(40A)中对应的通孔(48)，使所述扩大顶端(47)在所述通孔下端与内凸缘(49)啮合，在邻近内凸缘(49)部分的通孔(48)中填充焊料(84)，将所述扩大的顶端(47)固定在所述内凸缘(49)上。
10．如权利要求1的高频切换装置，其特征在于，包括装有励磁线圈(70)和衔铁(72)的电磁部件(50)，该衔铁与所述可移动触点(24)耦合，根据所述励磁线圈的激励断开和闭合可移动触点与固定触点(22)，所述装置还包括机壳(60)，用于容纳所述电磁部件(50)和所述接触部件(10)，由电绝缘塑料材料模压制成所述机壳，并在其上淀积导电材料的接地层，所述电磁部件包括暴露在所述电磁部件上并与所述接地层电连接的导电材料部分(74、76、62、66)。
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