CN1499858A - 信号切换装置 - Google Patents

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Abstract

一种能够保证良好的传输路径绝缘特性，降低信号传输损失，又不必使用开关器件的信号切换装置。该信号切换装置的一个传输路径包括由超导材料构成的传输段，因此通过改变超导材料的导电状态可以改变该路径的阻抗。该传输段输入端很细，以此可增大未被选择时该路径的阻抗。或者，该信号切换装置的第一传输路径里串联了一个由超导材料构成的第一传输段，第二传输路径里并联了一个由超导材料构成的第二传输段。第二传输段有开关的功能。第二传输段的截面积很小，而且当第二传输段处于超导状态时，第二传输路径的输入阻抗被调节得充分大。所以，该信号切换装置可以保证未被选择的路径有足够大的输入阻抗，又不需要开关器件。

Description

信号切换装置
技术领域
本发明涉及高频信号处理装置，特别是用来将输入信号切换到预定传输路径的信号切换装置。
背景技术
在移动通讯以及卫星通讯中，信号切换装置被用于基地台和中继台等的通讯设备中来适当切换输入信号的传输路径。该信号切换装置从其输入路径接收一高频信号，再从多个传输路径中选择所期望的路径，然后从该路径将接收到的高频信号输出。
日本特许公开公报9-275302号公报公开了一种微波开关，在此微波开关中，从其分枝部分出多个微传输带(microstrip)，每个微传输带都包含有一个由氧化物超导体构成的传输线，在分枝部和每个氧化物超导体传输线之间还设有直流元件，用来将氧化物超导体传输线致于超导状态或非超导状态(比如，通常的传导状态)。采用这种结构，可以减少泄漏到未被选择的传输路径的微波的量，改善传输路径的绝缘特性。
可是，在采用这种技术来改善传输路径的绝缘特性时，并不能保证可以减少传输到被选择传输路径的电流的损失和防止信号劣化。在某些场合下，即使没有信号漏入未被选择的传输路径，被选择传输路径的信号也会比输入信号大大劣化。所以，为保证良好的信号切换，除了传输路径的绝缘特性，还需要尽可能减少信号劣化。现有技术不能满足这一要求。
另外，信号切换装置的各个传输路径的输出端通常都连接有开关(比如机械开关或半导体开关)来防止不需要的电流传输到后续的电路中，从而改善传输路径的绝缘特性。但是，由于部件的机械损耗，机械开关的可靠性会逐渐变低。半导体开关虽然能克服机械开关的这个问题，但是绝缘性能低于机械开关，而且，还需要注意半导体开关本身的操作可靠性。再者，使用了以上开关时，就需要有相应电路来生成相应的控制信号来控制其开关操作，这使装置变得复杂。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种既能够保证良好的传输路径绝缘特性，又能够降低信号传输损失的信号切换装置。
本发明的另一个目的是提供一种能够保证良好的传输路径绝缘特性，降低信号传输损失，又不必使用机械开关或半导体开关等开关器件的信号切换装置。
本发明提供一种具有与输入路径相连的多个传输路径的信号切换装置，用于将来自输入路径的信号切换到预定的传输路径。该信号切换装置包括连接到第一传输路径的阻抗可变单元。该阻抗可变单元包括由超导材料构成的第一传输段。当将输入信号切换到第二传输路径时，该第一传输段被致于非超导状态。该第一传输段的输入侧的一定长度的区间的截面积小于第一传输段的输出端的截面积。
作为一个实施例，第一传输段的输入侧的一定长度的区间的截面的宽度可以比第一传输段的输出端的截面的宽度小。或者，第一传输段的输入侧的一定长度的区间的截面的厚度可以比第一传输段的输出端的截面的厚度小。
最好是，当将输入信号切换到第一传输路径时，第二传输路径的输入阻抗被调节得足够大。
另外，本发明的信号切换装置最好还包括一个选择单元，该选择单元通过调节第一传输段的超导材料的传导状态来选择或不选择第一传输路径。
根据以上发明，由于提供了连接到第一传输路径的由超导材料构成的第一传输段，当将信号切换到第二传输路径时，第一传输段的超导材料被致于非超导状态(比如通常的传导状态)。因为第一传输段的输入侧的截面小于输出端的截面，在非超导状态下，第一传输路径的电阻变得很大，所以可以有效地减少第一传输路径中的信号损失，保证较好的绝缘特性。
另外，本发明还提供一种具有与输入路径相连的多个传输路径的信号切换装置，用于将来自输入路径的信号切换到预定的传输路径。该信号切换装置包括第一阻抗可变单元和第二阻抗可变单元。第一阻抗可变单元被串联到第一传输路径，第二阻抗可变单元被并联到第二传输路径。第一阻抗可变单元包括由超导材料构成的第一传输段，第二阻抗可变单元包括由超导材料构成的第二传输段。第二传输段的截面积小于第二传输路径的截面积。当第二传输段被致于超导状态时，通过调节第二传输路径的长度，使得第二传输路径的输入阻抗足够大。
最好是，当第二传输段被致于超导状态时，通过调节第二传输段的长度，使得从第二传输路径到第二传输段的输入阻抗足够小。作为一个实施例，第二传输段的一端可被连接到第二传输路径，另一端可被接地，而且这时第二传输段的长度可被设为输入信号波长的二分之一，或输入信号波长的二分之一的整数倍。或者，第二传输段的一端可被连接到第二传输路径，另一端可被悬空。这时，第二传输段的长度可被设为输入信号波长的四分之一，或输入信号波长的四分之一的奇数倍。
另外，本发明的信号切换装置还可以包括一个选择单元，该选择单元通过调节第一传输段的超导材料和第二传输段的超导材料的传导状态来选择第一传输路径或第二传输路径为预定的传输路径。
另外，本发明的信号切换装置还可包括串联到第三传输路径的第三阻抗可变单元和并联到第三传输路径的第四阻抗可变单元。第三阻抗可变单元包括由超导材料构成的第三传输段。第四阻抗可变单元包括由超导材料构成的第四传输段，该第四传输段的截面积小于第三传输路径的截面积。当第四传输段被致于超导状态时，通过调节第三传输路径的长度，使得第三传输路径的输入阻抗足够大。这时，以上的信号切换装置也最好包括一个选择单元，该选择单元通过调节第一传输段的超导材料，第二传输段的超导材料，第三传输段的超导材料和第四传输段的超导材料的传导状态来选择第一传输路径，第二传输路径和第三传输路之一为预定的传输路径。
最好是，当第四传输段被致于超导状态时，第四传输段的长度被调节得使从第三传输路径到第四传输段的输入阻抗小于预定值。作为一个实施例，第四传输段的一端可以被连接到第三传输路径，另一端可以被控地。这时，第四传输段的长度被设为输入信号的半波长，或输入信号半波长的整数倍。或者，第四传输段的一端可以被连接到第三传输路径，另一端可以被悬空。这时，第四传输段的长度被设为输入信号的波长的四分之一，或输入信号波长的四分之一的奇数倍。
根据以上发明，由于提供了并联到第二传输路径的由超导材料构成的第二传输段，本发明的信号切换装置可以通过第二传输段来控制是否要将信号传输到连接到第二传输路径的后续电路，因此在第二传输路径中不需要使用开关单元(如机械开关或半导体开关)。
再者，由于同时提供了串联到第一传输路径的由超导材料构成的第一传输段和并联到第二传输路径的由超导材料构成的第二传输段，当将信号切换到第一传输路径时，可将第一传输段和第二传输段都设至为超导状态。这时，由于通过调节第二传输路径的长度使得第二传输路径的输入阻抗足够大，信号只传播到第一传输路径而不传播到第二传输路径，所以第二传输路径中的信号损失可大大减少。当将信号切换到第二传输路径时，可将第一传输段和第二传输取都设至为非超导状态。这时，由于第一传输路径的输入阻抗充分大，信号只传播到第二传输路径而不传播到第一传输路径，所以第一传输路径中的信号损失可大大减少。再者，由于第二传输段处于非超导状态而且第二传输段的截面积小于第二传输路径的截面积，第二传输段的输入阻抗也足够大，所以传播到第二传输路径的信号，可以几乎不被第二传输段分流而传播到后续电路。
所以本发明可以有效地减少传输路径中的信号损失，保证良好的绝缘特性。
附图说明
通过以下结合附图的详细说明可以对本发明的目的，特征和优点有更清楚的了解。
图1(A)是本发明第一实施例的信号切换装置3100的正面图，(B)是信号切换装置3100的侧剖面图；
图2是一个描述阻抗变化的史密斯图；
图3显示将输入信号传输到第二传输路径时的信号传输系数(信号损失)的模拟结果；
图4(A)是本发明第一实施例的信号切换装置3400的正面图，(B)是信号切换装置3400的侧剖面图；
图5(A)是本发明第一实施例的信号切换装置3400b的正面图，(B)是信号切换装置3400b的侧剖面图；
图6(A)是本发明第一实施例的信号切换装置3500的正面图，(B)是信号切换装置3500的侧剖面图；
图7显示信号切换装置3500的一个变化例；
图8(A)是本发明第一实施例的信号切换装置3500b的正面图，(B)是信号切换装置3500b的侧剖面图；
图9是本发明第一实施例的信号切换装置3700的正面图；
图10(A)是本发明第一实施例的信号切换装置3800的正面图，(B)是信号切换装置3800的侧剖面图；
图11是本发明第二实施例的信号切换装置100的正面图；
图12是沿图11中直线AA的信号切换装置100的侧剖面图；
图13是沿图11中直线BB的信号切换装置100的侧剖面图；
图14是一个描述阻抗变化的史密斯图；
图15是本实施例的信号切换装置600的整体构成的示意图；
图16是本发明第二实施例的一个变化例的信号切换装置700的正面图；
图17是沿图16中直线AA的信号切换装置700的侧剖面图；
图18是沿图16中直线BB的信号切换装置700的侧剖面图；
图19是本发明第三实施例的信号切换装置1000的正面图；
图20是沿图19中直线AA的信号切换装置1000的侧剖面图；
图21是沿图19中直线BB的信号切换装置1000的侧剖面图；
图22显示信号切换装置1000的一个变化例的侧剖面图；
图23是本发明第二实施例的信号切换装置1400的正面图；
图24是沿图23中直线AA的信号切换装置1400的侧剖面图；
图25是沿图23中直线BB的信号切换装置1400的侧剖面图；
图26是本发明第四实施例的信号切换装置1700的正面图；
图27是本发明第五实施例的信号切换装置1800的正面图；
图28是本发明第六实施例的信号切换装置1900的一部分的正面图；
图29是本发明第六实施例的信号切换装置2000的一部分的正面图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
第一实施例
<第一例>
图1(A)是本发明第一实施例的信号切换装置的第一例(标记为信号切换装置3100)的正面图，图1(B)是信号切换装置3100的侧剖面图。信号切换装置3100构成一个共面波导(co-planar wave guide)。
信号切换装置3100包括一个分枝部3102，构成第一传输路径的第一传输部3104和串联传输部3106，构成第二传输路径的第二传输部3108，和连接到第二传输部3108的开关3110。第一传输部3104和第二传输部3108分别与分枝部3102相连接，分枝部3102将输入信号切换到第一传输部3104或第二传输部3108。串联传输部3106与第一传输部3104相连接。以上各部分构成一个共面波导。中心部的条形导体3112和3114的两侧一定距离处设有接地导体3116，3118，3120，3122，和3124。如图1(B)所示，以上各部被成型在介电材料3126上。
串联传输部3106是由超导体材料构成的，分枝部3102，第一传输部3104，和第二传输部3108是由通常的导体(以下称之为常导体)构成的。由超导体材料构成的串联传输部3106在临界温度(比如说，70K)以上呈现为常导体，在临界温度以下呈现为超导体，这时它具有非常小的电阻。
构成串联传输部3106的超导体材料可以在考虑了临界温度的大小，常传导状态时的电阻率，以及以上各部的长度后来选择。比如，可以使用金属，金属氧化物，或陶瓷。具体地说，可以使用铌钛(Nb-Ti)，锡化铌(Nb3Sn)，镓化钒(V3Ga)，钇钡铜氧(YBCO：yttrium barium copperoxide)，镧钡铜氧(RE-BCO：RE-barium copper oxide)，铋锶钙铜氧(BSCCO：bismuth-strontium-calcium-copper-oxide)，铋铅锶钙铜氧(BPSCCO：bismuth-lead-strontium-calcium-copper-bxid-e)，汞钡钙铜氧(HBCCO：mercury-barium-calcium-copper-oxide)，铊钡钙铜氧(TBCCO：thallium-barium-calcium-copper-oxide)等等。这里，RE表示镧(La)，钕(Nd)，钐(Sm)，铕(Eu)，钆(Gd)，镝(Dy)，铒(Er)，铥(Tm)，镱(Yb)，或镥(Lu)中的任何一中元素。
还有一个电路接在串联传输部3106的输出端，并在串联传输部3106被调节到超导状态时与串联传输部3106保持匹配。同样，还有一个电路与开关3110相连，该电路在开关3110处于“关”状态时与开关3110保持匹配。这些电路没有显示在图1(A)中。
在串联传输部3106处于超导状态时，为使从第一传输路径和第二传输路径的分枝点X到第一传输路径的输入阻抗(具体讲，从分枝点X到第一传输部3104的端点O1的输入阻抗ZX01)与特征阻抗相匹配，需要适当调节第一传输路径宽度，介质3126的介电常数和厚度，以及第一传输部3104和串联传输部3106与接地导体3116，3118，3120，3122，和3124之间的空隙的大小。
在本例中，串联传输部3106中条形导体3114输入端的某个区间(比如，长度为L2的区间)的宽度w1(严格讲，传输路径的宽度)比条形导体3114的输出端的宽度w2小。如以下所述，将条形导体3114的输入端做成细长形可以在条形导体3114处于非超导状态时提高条形导体3114的电阻。
如图1(A)所示，在本例中，条形导体3114的一部分被做成锥型，其宽度从w1连续地变化到w2。但是本实施例并不限于此形状，也可采用其他的形状，此如阶梯式形状等。在使路径宽度变化时，需要保证传输路径的特征阻抗不发生变化。在采用共面波导时，需要调节路径宽度和空隙的大小，即根据路径宽度来决定空隙的大小，从而保证特征阻抗不变。所以，如图1(A)所示，路径宽度较小(w1)的区域的空隙被设计的比路径宽度较大(w2)的区域的空隙小。
可以将各传输部的长度L1，L2和L3调节到最佳值。比如说，在0.1至数毫米之间。路径宽度可以取各种各样的值，比如，w1可设为3μm，w2可设为10μm。
下面说明信号切换装置3100的工作原理。首先考虑输入到分枝部3102的信号被切换到第二传输路径的情形。在这种情形下，开关3110处于关状态，串联传输部3106被设为非超导状态。当开关3110处于关状态时，第二传输路径里的第二传输部3108与开关3110(以及其后的电路)相匹配。另外，第一传输路径中第一传输部3104与处于非超导状态的串联传输部3106不相匹配。在本例中，为使输入信号低损耗地传输到第二传输路径，从分枝点X到第一传输部3104的端点O1的输入阻抗ZX01被调节得非常大(原理上可以是无穷大)。这是通过调节传输路径的长度来实现的。以下参照史密斯图来做说明。
图2显示一个描述阻抗变化的史密斯图。
在图2的史密斯图中，原点O对应于第一传输路径的特征阻抗。当串联传输部3106被至与超导状态时，第一传输部3104与串联传输部3106相匹配，因此在史密斯图中串联传输部3106的阻抗位于原点O或其附近的点Q。当串联传输部3106被至与非超导状态时，比如说，在史密斯图中串联传输部3106的阻抗位于与原点O有一定距离的点R。当将传输路径长度从0增加到1/2波长时，相应的阻抗的在史密斯图上的轨迹形成一个圆I。在图2的史密斯图上，通过原点O的水平直线K的右端点P对应与无穷大的阻抗，直线K的左端点T对应与零阻抗。所以，为增大串联传输部3106的阻抗，可以改变串联传输部3106的长度，使其阻抗位于圆I和直线K的交点R’处。
在本例中，条形导体3114输入端长度为L2的区间被设计成细长形，其宽度w1远远小于条形导体3114的输出端的宽度w2。因此，当条形导体3114处于非超导状态时，其阻抗远远大于宽度一定的条形导体的阻抗。所以，在本例中，在超导状态下串联传输部3106的输入阻抗非常小，在非超导状态下串联传输部3106的输入阻抗非常大，与宽度一定的条形导体的情形相比，当串联传输部3106的导电状态在超导状态和非超导状态之间发生变化时，串联传输部3106的输入阻抗的变化幅度非常大。超导状态和非超导状态下串联传输部3106的输入阻抗分别对应于史密斯图上以原点O为圆点的一个很小的圆(半径几乎为零)和一个很大的圆(比如，圆I)。圆I的半径越大，非超导状态下串联传输部3106的输入阻抗就可能被调节越接近点P(无穷大)。
假如条形导体3114的宽度一定，比如说等于w2，非超导状态下串联传输部3106的输入阻抗不可能太大，其输入阻抗对应于史密斯图上的，比如说，圆J上的点S。所以，当导电状态在超导状态和非超导状态之间发生变化时，串联传输部3106的输入阻抗的变化幅度不会太大。这时，通过调节串联传输部3106的路径长度，其阻抗最大可调节到圆J和直线K的交点S’处。
史密斯图上以原点O为圆点的圆的半径对应于传输路径的反射率。当第一传输路径处于匹配状态时，输入阻抗对应于原点O，即史密斯图上相应的圆的半径为零。这意味着第一传输路径的反射率为零，即信号毫无反射被完全传送到第一传输路径。
当第一传输路径处于不匹配状态，并且输入阻抗对应于原点P时，即史密斯图上相应的圆的半径为最大，第一传输路径的反射率为1，信号在第一传输路径中被完全反射，没有信号被传送到第一传输路径，全部传输到第二传输路径。
当第一传输路径不是无穷大也不是零时，史密斯图上相应的圆的半径处于最大值和零之间，第一传输路径的反射率小于1，即有一部分信号被传送到第一传输路径，另一部分传输到第二传输路。这意味着有一部分信号漏到了第一传输路径。
所以，为减少漏到了第一传输路径的信号的量，应当尽量增大第一传输路径的反射率。在本例中，通过将条形导体3114输入端长度为某区间做成细长形，大大增加了非超导状态下第一传输路径的输入阻抗(在史密斯图上位于点P附近)，即增大了第一传输路径的反射率。
下面考虑输入到分枝部3102的信号被切换到第一传输路径时的情形。在这种情形下，开关3110处于开状态，串联传输部3106设为超导状态。这时，第一传输路径中第一传输部3104与处于超导状态的串联传输部3106相匹配，而第二传输路径里的第二传输部3108与开关3110(以及其后的电路)不匹配。这时，通过调节第二传输部3108的长度L3，可以使从分枝点X到第二传输部3108的端点O2的输入阻抗ZX02变得非常大(原理上可以是无穷大)。如果开关3110处于开状态时的充分大，从分枝点X到开关3110的距离也可以设为零。
因为当第二传输路径的输入阻抗远大于第一传输路径的输入阻抗，信号基本上都传播到第一传输路径而不传播到第二传输路径。因此，信号切换装置3100即能保证很好的绝缘性能，又能降低信号传输中的损耗。
图3显示将输入信号传输到第二传输路径时的信号传输系数(信号损失)的模拟结果，其中，横轴代表输入信号的频率，纵轴代表第二传输路径的信号传输系数，刻度0dB表示信号的功率没有发生衰减，-3dB表示信号的功率减少到初始值的大约一半。
在图3中，上侧的曲线3302对应于有一细长部分的条形导体3314的情形，下侧的曲线3304对应于条形导体的宽度一定没有变化的情形。曲线3302显示，即使输入信号的频率在很大的范围里变化，其功率几乎不发生衰减。曲线3304显示，当输入信号的频率变化很大时其功率略有衰减。
<第二例>
图4(A)是本发明第一实施例的信号切换装置的第二例(标记为信号切换装置3400)的正面图，图4(B)是信号切换装置3400的侧剖面图。信号切换装置3400构成一个共面波导。
与信号切换装置3100相似，信号切换装置3400包括一个分枝部3402，构成第一传输路径的第一传输部3404和串联传输部3406，构成第二传输路径的第二传输部3408，和连接到第二传输部3408的开关3410。第一传输部3404和第二传输部3408分别与分枝部3402相连接，分枝部3402将输入信号切换到第一传输部3404或第二传输部3408。串联传输部3406与第一传输部3404相连接。以上各部分构成一个共面波导。中心部的条形导体3412和3414的两侧一定距离处设有接地导体3416，3418，3420，3422，和3424。如图4(B)所示，以上各部被成型于介电材料3426上。
串联传输部3406是由超导体材料构成的，分枝部3402，第一传输部3404，和第二传输部3408是由通常的导体构成的。
在本例中，串联传输部3406中条形导体3414输入端的某个区间(比如，长度为L2的区间)的宽度与输出端的宽度一样，都为w2，但是该区间的厚度t1(严格讲，传输路径的厚度)比其输出端的厚度t2小。
当串联传输部3406处于超导状态时，为使第一传输部3404与串联传输部3406特征阻抗匹配，需要调节第一传输路径的厚度t1，介质3426的介电常数和厚度，以及第一传输部3404和串联传输部3406与接地导体3416，3418，3420，3422，和3424之间的空隙的大小。
在本例中，条形导体3414输入端长度为L2的区间被设计成薄长形，其厚度t1远远小于条形导体3414的输出端的厚度t2。因此，条形导体3414在非超导状态时的阻抗远远大于厚度一定的条形导体的阻抗。
为增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度，可以如例一(图1(A))那样，将条形导体输入端的某个区间的厚度设成一定宽度做得很小，也可以将其宽度设为一定厚度做得小。在任一情形下，都是通过将条形导体输入端的截面积做得小于输出端的截面积来增大非超导状态的电阻，从而增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度。
需要主意，在现有技术中，当传输路径宽度不同的传输线相互连接时，为了抑制路径宽度不连续点处信号的反射，这些路径宽度不同的传输线之间通常需要加入连接器(connector)来改善两者的连接状况。在本例中，不同的传输线的路径宽度可以设为相同，因此就没有必要再使用连接器，所以可以减小信号切换装置的尺寸。
再者，还可以进一步将图1(A)和图1(B)与图4(A)和图4(B)的结构结合起来。
图5(A)是本发明第一实施例的信号切换装置3400b的正面图，图5(B)是信号切换装置3400b的侧剖面图。信号切换装置3400b是信号切换装置3400的一个变化例。在图5(A)和图5(B)与图4(A)和图4(B)中，相同的构成要素使用相同的符号。
如图5(A)和图5(B)所示，条形导体3414b结合了图1(A)和图1(B)中的结构与图4(A)和图4(B)的结构的特点，即条形导体3414b输入端的某个区间即有小的厚度又有小的宽度。这样就可以进一步减小条形导体输入端的截面积，增大非超导状态的电阻，增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度。
以上没有对信号切换装置3400和信号切换装置3400b中路径长度L1，L2和L3的调节做详细说明。它们的调节方法与前一例完全一样。另外，信号切换装置3400和信号切换装置3400b的工作原理也与前一例类似。
<第三例>
图6(A)是本发明第一实施例的信号切换装置的第三例(标记为信号切换装置3500)的正面图，图6(B)是信号切换装置3500的侧剖面图。信号切换装置3500构成一个微传输带线路(microstrip line)。
信号切换装置3500包括一个分枝部3502，构成第一传输路径的第一传输部3504和串联传输部3506，构成第二传输路径的第二传输部3508，和连接到第二传输部3508的开关3510。第一传输部3504和第二传输部3508分别与分枝部3502相连接，分枝部3502将输入信号切换到第一传输部3504或第二传输部3508。串联传输部3506与第一传输部3504相连接。以上各部分构成一个微传输带线路。如图6(B)所示，以上各部被成型于介电材料3526上，而介电材料3526被成型在接地导体3516上。
串联传输部3506是由超导体材料构成的，分枝部3502，第一传输部3504，和第二传输部3508是由通常的导体构成的。
在本例中，串联传输部3506中条形导体3514输入端的某个区间(比如，长度为L2的区间)的宽度w1比输出端的宽度w2小，但是该区间的厚度与输出端的厚度相同。
在微传输带线路中，特征阻抗随路径宽度，介质3526的介电常数，以及介质3526的厚度(到接地导体的距离)而变化。为保证特征阻抗不随路径宽度变化，条形导体3514输入端长度为L2的宽度较小的区间之下的介质3526的厚度t1比输出端的介质3526的厚度t2薄。
还可以如图7那样使用不同介电常数的介电材料。
图7显示信号切换装置3500的一个变化例。
如图7所示，条形导体3514输入端的长度为L2，宽度为w1的区间之下的介质3517是与介质3526有不同介电常数的介电材料构成的。采用这种方法可以使接地导体3516的厚度保持一定值。
当串联传输部3506处于超导状态时，为使第一传输部3504与串联传输部3506特征阻抗匹配，需要调节第一传输路径的宽度，以及介质3526的介电常数和厚度。
在本例中，通过将条形导体3514输入端长度为L2的区间设计成细长形，条形导体3514在非超导状态时的阻抗远远大于宽度一定的条形导体的阻抗。
为增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度，可以如图6(A)那样，将条形导体输入端的桌个区间的厚度设成一定而将其宽度做得很小，也可以将其宽度设为一定而将其厚度做得小。在任一情形下，都是通过将条形导体输入端的截面积做得小于输出端的截面积来增大非超导状态的电阻，从而增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度。
再者，还可以进一步将以上结构结合起来。
图8(A)是本发明第一实施例的信号切换装置3500b的正面图，图8(B)是信号切换装置3500b的侧剖面图。信号切换装置3500b是信号切换装置3500的另一个变化例。在图6(A)和图6(B)与图8(A)和图8(B)中，相同的构成要素使用相同的符号。
如图8(A)和图8(B)所示，条形导体3514b结合了以上所述两种结构的特点，即条形导体3514b输入端的某个区间即有小的厚度又有小的宽度。这样就可以进一步减小条形导体输入端的截面积，增大非超导状态的电阻，增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度。
以上没有对信号切换装置3500和信号切换装置3500b中路径长度L1，L2和L3的调节做详细说明。它们的调节方法与前一例完全一样。另外，信号切换装置3500和信号切换装置3500b的工作原理也与前一例类似。
<第四例>
图9是本发明第一实施例的信号切换装置的第四例(标记为信号切换装置3700)的正面图。信号切换装置3700构成一个同轴传输线路(coaxial line)。
信号切换装置3700包括一个分枝部3702，构成第一传输路径的第一传输部3704和串联传输部3706，和构成第二传输路径的第二传输部3708。第一传输部3704和第二传输部3708分别与分枝部3702相连接，分枝部3702将输入信号切换到第一传输部3704或第二传输部3708。串联传输部3706与第一传输部3704相连接。第一传输部3704与第二传输部3708的中心部有导体3712，串联传输部3706的中心部有导体3714。以上各部分构成一个同轴传输线路。
串联传输部3706是由超导体材料构成的，分枝部3702，第一传输部3704，和第二传输部3708是由通常的导体构成的。
在本例中，串联传输部3706中心的导体3714输入端的某个区间(比如，长度为L2的区间)的直径w1比输出端的直径w2小，而且这个区间的同轴电缆的直径也比输出端电缆的直径小。
在同轴传输线路中，特征阻抗随导体直径，介质的介电常数，以及介质的厚度(到接地导体的距离)而变化。为保证特征阻抗不随导体直径变化，导体3714输入端长度为L2的直径较小的区间相对应的介质3726的厚度比输出端的介质3726的厚度小。
当串联传输部3706处于超导状态时，为使第一传输部3704与串联传输部3706特征阻抗匹配，需要调节第一传输路径的直径，以及介质3726的介电常数和厚度。
在本例中，通过将导体3714输入端长度为L2的区间设计成细长形，导体3714在非超导状态时的阻抗远远大于直径一定的导体的阻抗。
如前所述，为增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度，可以通过将导体输入端的某个区间的截面积做得小于输出端的截面积来增大非超导状态的电阻，从而增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度。
再者，还可以进一步将以上结构结合起来。
图8(A)是本发明第一实施例的信号切换装置3700b的正面图，图8(B)是信号切换装置3700b的侧剖面图。信号切换装置3700b是信号切换装置3700的另一个变化例。在图6(A)和图6(B)与图8(A)和图8(B)中，相同的构成要素使用相同的符号。
如图8(A)和图8(B)所示，条形导体3714b结合了以上所述两种结构的特点.即条形导体3714b输入端的某个区间即有小的厚度又有小的宽度。这样就可以进一步减小条形导体输入端的截面积，增大非超导状态的电阻，增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度。
以上没有对信号切换装置3700和信号切换装置3700b中路径长度L1，L2和L3的调节做详细说明。它们的调节方法与前一例完全一样。另外，信号切换装置3700和信号切换装置3700b的工作原理也与前一例类似。
<第五例>
在以上的例子里的各信号切换装置都只有两个传输路径。本发明的信号切换装置也可以包含两个以上传输路径。
图10(A)是本发明第一实施例的信号切换装置的第五例(标记为信号切换装置3800)的正面图，图10(B)是信号切换装置3800的侧剖面图。信号切换装置3800构成一个共面波导。在图10(A)和图10(B)与图1(A)和图1(B)中，相同的构成要素使用相同的符号。
如图10(A)所示，信号切换装置3800有三个传输路径。
信号切换装置3800包括一个分枝部3102，构成第一传输路径的第一传输部3104和串联传输部3106，构成第二传输路径的第二传输部3108，连接到第二传输部3108的开关3110，构成第三传输路径的第二传输部3109，和连接到第二传输部3109的开关3111。第一传输部3104，第二传输部3108和第三传输部3109分别与分枝部3102相连接，分枝部3102将输入信号切换到第一传输部3104，或第二传输部3108，或第三传输部3109。串联传输部3106与第一传输部3104相连接。以上各部分构成一个共面波导。中心部的条形导体3112和3114的两侧一定距离处设有接地导体。如图10(B)所示，以上各部被成型在介电材料3126上。
串联传输部3106是由超导体材料构成的，分枝部3102，第一传输部3104，第二传输部3108和第二传输部3109是由通常的导体构成的。
以上各例所示的信号切换装置都包含有一个与第一传输部相连的由超导材料构成的串联传输部，该超导材料的导电状态被交替地设为超导状态和非超导状态，以此来确定是否要选择第一传输路径为输出路径。本实施例的以上各信号切换装置还包含一个选择单元。该选择单元通过直接加热或冷却串联传输部的超导材料，或向该超导材料施加电流，或向该超导材料施加磁场来改变该超导材料的导电状态。
在本实施例中，连接到第二传输路径的开关的开和关可以根据第一传输路径的状态变化来设定。比如说，用一温度传感器检测串联传输部的温度，以此来切换开关的工作状态。该开关可以是PIN二极管或三极管等半导体开关，也可以是由无线电控制的微电机系统(MEMS：Micro Electro Mechanical System)构成的机械开关。前者具有很高的开关速度，或者具有很高的绝缘特性。
在本实施例里说明的以上各个例子中，当将信号切换到第二传输路径时，串联传输部的超导材料被致于非超导状态。因为串联传输部输入侧的截面小于输出端的截面，在非超导状态下，第一传输路径的电阻变得很大，所以有效地减少第一传输路径中的信号损失，保证较好的绝缘特性。
串联传输部输入侧的截面的形状可以根据传输路径的宽度，厚度和直径等来适当调整。信号切换装置的结构，比如，共面型，微传输带型，或共轴型，可以连接到该信号切换装置的电路和开关的类型来决定。为增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度，最好是将传输路径的宽度，厚度和直径等设得尽量小从而使输入端的截面积远远小于输出端的截面积。但是传输路径的宽度，厚度和直径等应该具有足够的强度来承受信号传播中最小的电功耐性。
第二实施例
图11是本发明第二实施例的信号切换装置100的正面图；图12是沿图11中直线AA的信号切换装置100的侧剖面图；图13是沿图11中直线BB的信号切换装置100的侧剖面图。信号切换装置100构成一个共面波导。
信号切换装置100包括一个分枝部102，构成第一传输路径的第一传输部104和串联传输部106，构成第二传输路径的第二传输部108和并联传输部130。第一传输部104和第二传输部108分别与分枝部102相连接，分枝部102将输入信号切换到第一传输部104或第二传输部108。串联传输部106与第一传输部104相串联。中心部的条形导体112和114的两侧一定距离处设有接地导体116，118，120，122，和124。串联传输部106的条形导体114与第一传输部104的条形导体112相串联，传输线130与第二传输部108的条形导体112相并联。以上各部分构成一个共面波导。
如图12和图13所示，以上各部被成型在介电材料126之上。
串联传输部106和并联传输部130是由超导体材料构成的，分枝部102，第一传输部104，和第二传输部108是由常导体构成的。
由超导体材料构成的串联传输部106和并联传输部130在临界温度(比如说，70K)以上呈现为常导体，在临界温度以下呈现为超导体，这时它具有非常小的电阻。与第一实施例一样，构成串联传输部106和并联传输部130的超导体材料可以在考虑了临界温度的大小，非超导状态时的电阻率，以及以上各部的长度后来选择。
还有一个电路接在串联传输部106的输出端，并在串联传输部106被调节到超导状态时与串联传输部106保持匹配。同样，还有一个电路接在第二传输部108的输出端，该电路在并联传输部130处于非超导状态时与第二传输部108保持匹配。这些电路没有显示在图11中。
在串联传输部106处于超导状态时，为使从第一传输路径和第二传输路径的分枝点X到第一传输路径的输入阻抗(具体讲，从分枝点X到第一传输部104的端点O1的输入阻抗ZX01)与特征阻抗相匹配，需要适当调节第一传输路径的长度，宽度，介质126的介电常数和厚度，以及第一传输部104和串联传输部106与接地导体116，118，120，122，和124之间的空隙的大小。
在本实施例中，串联传输部106中条形导体114输入端的某个区间(比如，长度为L2的区间)的宽度w1(严格讲，传输路径的宽度)比条形导体114的输出端的宽度w2小。如以下所述，将条形导体114的输入端做成细长形可以在条形导体114处于非超导状态时提高条形导体114的电阻。
如图11所示，在本实施例，条形导体114的一部分被做成锥型，其宽度从w1连续地变化到w2。但是本实施例并不限于此形状，也可采用其他的形状，比如阶梯式形状等。在使路径宽度变化时，需要保证传输路径的特征阻抗不发生变化。在采用共面波导时，需要调节路径宽度和空隙的大小，即根据路径宽度来决定空隙的大小，从而保证特征阻抗不变。所以，如图11所示，路径宽度较小(w1)的区域的空隙被设计的比路径宽度较大(w2)的区域的空隙小。
各传输部的长度L1，L2和L3可以被调节到最佳值。比如说，在0.1至数毫米之间。路径宽度可以取各种各样的值，比如，w1可设为3μm，w2可设为10μm。
并联传输部130具有很小的宽度w4和长度L4。在本实施例里，并联传输部130与接地导体118相连，其长度为输入到分枝部102的高频信号的波长的一半或半波长的整数倍。因此，当并联传输部130处于超导状态时，从并联传输部130和条形导体112的交点O2到并联传输部130的输入阻抗几乎为零(或小于一个很小的预定值)，而当并联传输部130处于非超导状态时，该输入阻抗几乎为无穷大(或大于一个很大的预定值)。
下面说明信号切换装置100的工作原理。首先考虑输入到分枝部102的信号被切换到第二传输路径的情形。在这种情形下，串联传输部106和并联传输部130被设为非超导状态。
因为并联传输部130形状细长，在非超导状态下，其阻抗变得非常大。因此，从分枝部102传播到条形导体112的信号几乎不向并联传输部130传播，第二传输路径里的第二传输部108与其后续电路相匹配。所以，信号可以很好地从分枝部102传播到第二传输部108及其后续电路。
另外，在第一传输路径中，第一传输部104与处于非超导状态的串联传输部106不相匹配。为使位于分枝部102的输入信号低损耗地传播到第二传输部108，从分枝点X到第一传输部104的端点O1的输入阻抗ZX01应非常大(原理上应当是无穷大)。在本实施例中，通过调节传输路径L1和L2的长度得以将输入阻抗ZX01设定成非常大的值。
在本实施例里，如果通过调整路径长度，宽度，非超导状态的电阻率和介质的介电常数等可以将串联传输部106的非超导状态下的输入阻抗调节得足够大，那么从分枝点X到第一传输部104到串联传输部106的距离L1也可以设得很短，甚至为零。
其次考虑输入到分枝部102的信号被切换到第一传输路径的情形。在这种情形下，串联传输部106和并联传输部130被设为超导状态。如上所述，在第一传输路径中，第一传输部104与处于超导状态的串联传输部106相互匹配，所以，信号可以很好地从分枝部102传播到第一传输部104及其后续电路。
另外，当并联传输部130处于超导状态时，从条形导体112到并联传输部130的输入阻抗几乎变为零。所以，即使信号传播到条形导体112和并联传输部130的交点O2，该信号也不会传播到第二传输路径的后续电路，而是传播到并联传输部130。但是，在本实施例中，当并联传输部130处于超导状态时，通过调节第二传输部108的长度L3，使得从分枝点X到点O2的输入阻抗ZX02变得非常大(原理上可以是无穷大)。通过这种调整，信号几乎不传输到第二传输路径，而是低损耗地传输到第一传输路径。因此，可以实现低损耗高绝缘性能的信号切换装置。
路径长度L1，L2和L3的调节方法与第一实施例相同。下面只做简单说明。
继续参照图2的史密斯图，当串联传输部106处于超导状态时，第一传输部104与串联传输部106相匹配，因此在史密斯图中串联传输部106的阻抗位于原点O或其附近的点Q。当串联传输部106处于非超导状态时，在史密斯图中串联传输部106的阻抗位于与原点O有一定距离的点R。为增大串联传输部106的阻抗，可以改变串联传输部106的长度，使其阻抗位于圆I和直线K的交点R’处。
在本实施例中，条形导体114输入端长度为L2的区间被设计成细长形，其宽度w1远远小于条形导体114的输出端的宽度w2。因此，当条形导体114处于非超导状态时，其阻抗远远大于宽度一定的条形导体的阻抗。所以，在例中，在超导状态下串联传输部106的输入阻抗非常小，在非超导状态下串联传输部106的输入阻抗非常大，与宽度一定的条形导体的情形相比，当串联传输部106的导电状态在超导状态和非超导状态之间发生变化时，串联传输部106的输入阻抗的变化幅度非常大。超导状态和非超导状态下串联传输部106的输入阻抗分别对应于史密斯图上以原点O为圆点的一个很小的圆(半径几乎为零)和一个很大的圆，比如，圆I。圆I的半径越大，非超导状态下串联传输部106的输入阻抗就可能被调节越接近点P(无穷大)。
下面，参照图14来说明并联传输部130。
图14显示一个描述阻抗变化的史密斯图。
在图14的史密斯图中，原点O对应于特征阻抗。当并联传输部130处于超导状态时，并联传输部130的电阻率几乎为零。并联传输部130的长度L4被设定为输入信号的波长的一半或半波长的整数倍。所以，从并联传输部130和条形导体112的交点O2到并联传输部130的输入阻抗几乎为零(或小于一个很小的预定值)，即位于图14的史密斯图上的最左端的点T或其附近的点A。当将并联传输部130设为超导状态，然后将信号切换到第一传输路径时，通过调整第二传输路径的长度，可以使从分枝点X到第二传输路径的输入阻抗非常大(原则上可以是无穷大)。当并联传输部130被设为非超导状态时，由于并联传输部130非常细长，其输入阻抗也非常大(原则上可以是无穷大)，即位于图14的史密斯图上的最右端的点P或其附近的点B。所以，将信号切换到第一传输路径时，可以非常有效地抑制泄漏到第二传输路径的信号。
图15是本实施例的信号切换装置(标记为600)的整体构成的示意图。
信号切换装置600包括输入路径602，多个输出路径604，切换该多个输出路径604的切换部606，以及与切换部606相连并从多个输出路径604中选择一个期望的输出路径的选择部608。切换部606具有与图11所示信号切换装置100相同的结构，根据需要，它将各传输路径中的超导材料致于超导状态或非超导状态，比如，常传导状态。
选择部608通过(使用一个加热器或致冷器)直接加热或冷却超导材料，或向超导材料施加电流，或向超导材料施和磁场来改变超导材料的导电状态。
图16是本发明第二实施例的一个变化例的信号切换装置700的正面图；图17是沿图16中直线AA的信号切换装置700的侧剖面图；图18是沿图16中直线BB的信号切换装置700的侧剖面图。信号切换装置700构成一个共面波导。
信号切换装置700包括一个分枝部702，构成第一传输路径的第一传输部704和串联传输部706，构成第二传输路径的第二传输部708和并联传输部730。第一传输部704和第二传输部708分别与分枝部702相连接，分枝部702将输入信号切换到第一传输部704或第二传输部708。串联传输部706与第一传输部704相串联。中心部的条形导体712和714的两侧一定距离处设有接地导体716，718，720，722，和724。串联传输部706的条形导体714与第一传输部704的条形导体712相串联，并联传输部730与第二传输部708的条形导体712相并联。以上各部分构成一个共面波导。如图17和图18所示，以上各部被成型在介电材料726之上。
串联传输部706和并联传输部730是由超导体材料构成的，分枝部702，第一传输部704，和第二传输部708是由常导体构成的。
如图17所示，串联传输部706中条形导体714输入端的某个区间(比如，长度为L2的区间)的宽度与输出端的宽度一样，都为w2，但是该区间的厚度t1比其输出端的厚度t2小。
当串联传输部706处于超导状态时，为使第一传输部704与串联传输部706特征阻抗匹配，需要调节第一传输路径的厚度t1，介质726的介电常数和厚度，以及第一传输部704和串联传输部706与接地导体716，718，720，722，和724之间的空隙的大小。
在本例中，条形导体714输入端长度为L2的区间被设计成薄长形，其厚度t1远远小于条形导体714的输出端的厚度t2。因此，条形导体714在非超导状态时的阻抗远远大于厚度一定的条形导体的阻抗。
为增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度，可以将条形导体输入端的某个区间的厚度设成一定宽度做得很小，也可以将其宽度设为一定厚度做得小。在任一惰形下，都是通过将条形导体输入端的截面积做得小于输出端的截面积来增大非超导状态的电阻，从而增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度。
需要主意，在现有技术中，当传输路径宽度不同的传输线相互连接时，为了抑制路径宽度不连续点处信号的散射，这些路径宽度不同的传输线之间通常需要加入连接器来改善两者的连接状况。如本例中所示的那样将路径宽度设为一定的话，就没有必要再使用连接器，因此可以减小信号切换装置的尺寸。
如图18所示，并联传输部730的厚度t4非常小。在本例中，并联传输部730与接地导体718相连，其长度L4被设为输入信号的波长的一半或半波长的整数倍。所以，在超导状态下，从并联传输部730和条形导体712的交点O2到并联传输部730的输入阻抗几乎为零(或小于一个很小的预定值)，在常导状态下，该输入阻抗几乎为无穷大。
在信号切换装置100里，并联传输部130宽度很小厚度较大，在信号切换装置700里，并联传输部730宽度较大厚度很小。在任一情形下，都是通过减小并联传输部的截面积来增大非超导状态的电阻。所以，还可以进一步将以上二者结合起来，即并联传输部即有小的厚度又有小的宽度。这样就可以进一步减小条形导体输入端的截面积，增大非超导状态的电阻。
路径长度的调节方法与以前做过的说明相同。
信号切换装置700的工作原理与信号切换装置100基本相同。当要将输入到分枝部702的信号切换到第二传输路径时，串联传输部706和并联传输部730被设为非超导状态。因为并联传输部730形状细长，在非超导状态下，并联传输部730的阻抗变得非常大，所以，从分枝部702传播到条形导体712的信号几乎不向并联传输部730传播。所以，第二传输路径里的第二传输部708与其后续电路相匹配。因此，信号可以很好地从分枝部702传播到第二传输部708及其后续电路。
另外，在第一传输路径中，第一传输部704与处于非超导状态的串联传输部706不相匹配，从分枝点X到第一传输部704的端点O1的输入阻抗ZX01非常大，所以输入到分枝部702的信号不向第一传输路径传播，而是低损耗地传向第二传输路径。
当将输入到分枝部702的信号切换到第一传输路径时，串联传输部706和并联传输部730被设为超导状态。如上所述，在第一传输路径中，第一传输部704与处于超导状态的串联传输部706相互匹配，所以，信号可以很好地从分枝部702传播到第一传输部704及其后续电路。另外，当并联传输部730处于超导状态时，从条形导体712到并联传输部730的输入阻抗几乎变为零。这时，通过调节第二传输部708的长度L3。使得从分枝点X到点O2的输入阻抗ZX02变得非常大(原理上可以是无穷大)。因此，信号几乎不传输到第二传输路径，而是低损耗地传输到第一传输路径。
第三实施例
图19是本发明第三实施例的信号切换装置1000的正面图；
图20是沿图19中直线AA的信号切换装置1000的侧剖面图；
图21是沿图19中直线BB的信号切换装置1000的侧剖面图。信号切换装置1000构成一个微传输带线路。
信号切换装置1000包括一个分枝部1002，构成第一传输路径的第一传输部1004和串联传输部1006，构成第二传输路径的第二传输部1008和并联传输部1030。第一传输部1004和第二传输部1008分别与分枝部1002相连接，分枝部1002将输入信号切换到第一传输部1004或第二传输部1008。串联传输部1006的条形导体1014与第一传输部1004的条形导体1012相串联。并联传输部1030与第二传输部1008的条形导体1012相并联。以上各部分构成一个微传输带线路。如图20和图21所示，以上各部被成型在介电材料1026之上，而介电材料1026被成型在接地导体1016上。
串联传输部1006和并联传输部1030是由超导体材料构成的，分枝部1002，第一传输部1004，和第二传输部1008是由常导体构成的。并联传输部1030的宽度为w4，长度为L4。并联传输部1030的一端连接于条形导体1012，另一端通过一个通路孔(via hole)1032与接地导体1016相连。
在本实施例中，串联传输部1006中条形导体1014输入端的桌个区间(比如，长度为L2的区间)的宽度w1比输出端的宽度w2小，但是该区间的厚度与输出端的厚度相同。通过将条形导体1014输入端长度为L2的区间设计成细长形，条形导体1014在非超导状态时的阻抗远远大于宽度一定的条形导体的阻抗。
在微传输带线路中，特征阻抗随路径宽度，介质1026的介电常数，以及介质1026的厚度(到接地导体的距离)而变化。为保证特征阻抗不随路径宽度变化，条形导体1014输入端长度为L2的宽度较小的区间之下的介质1026的厚度t1比输出端的介质1026的厚度t2薄。还可以如图22那样使用不同介电常数的介电材料。
图22显示信号切换装置1000的一个变化例的侧剖面图。
如图22所示，条形导体1014输入端的长度为L2宽度为w1的区间之下的介质1017是与介质1026有不同介电常数的介电材料构成的。采用这种方法可以使接地导体1016的厚度保持一定值。
在本实施例中，并联传输部1030的宽度w4非常小而厚度相对较大。并联传输部1030与接地导体1016相连，其长度L4为输入信号的半波长或半波长的整数倍。所以，在超导状态下，从并联传输部1030和条形导体1012的交点O2到并联传输部1030的输入阻抗几乎为零，在常导状态下，该输入阻抗几乎为无穷大。
信号切换装置1000的工作原理与信号切换装置100基本相同。当要将输入到分枝部1002的信号切换到第二传输路径时，串联传输部1006和并联传输部1030被设为非超导状态。因为并联传输部1030形状细长，在非超导状态下，并联传输部1030的阻抗变得非常大，所以，从分枝部1002传播到条形导体1012的信号几乎不向并联传输部1030传播。所以，第二传输路径里的第二传输部1008与其后续电路相匹配。因此，信号可以很好地从分枝部1002传播到第二传输部1008及其后续电路。
另外，在第一传输路径中，第一传输部1004与处于非超导状态的串联传输部1006不相匹配，从分枝点X到第上传输部1004的端点O1的输入阻抗ZX01非常大，所以输入到分枝部1002的信号不向第一传输路径传播，而是低损耗地传向第二传输路径。
当要将输入到分枝部1002的信号切换到第一传输路径时，串联传输部1006和并联传输部1030被设为超导状态。如上所述，在第一传输路径中，第一传输部1004与处于超导状态的串联传输部1006相互匹配，所以，信号可以很好地从分枝部1002传播到第一传输部1004及其后续电路。另外，因为并联传输部1030处于超导状态，所以从条形导体1012到并联传输部1030的输入阻抗几乎变为零。这时，通过调节第二传输部1008的长度L3，使得从分枝点X到点O2的输入阻抗ZX02变得非常大(原理上可以是无穷大)。因此，信号几乎不传输到第二传输路径，而是低损耗地传输到第一传输路径。
图23是本发明第二实施例的一个变化例的信号切换装置1400的正面图；图24是沿图23中直线AA的信号切换装置1400的侧剖面图；图25是沿图23中直线BB的信号切换装置1400的侧剖面图。信号切换装置1400构成一个微传输带线路。
信号切换装置1400包括一个分枝部1402，构成第一传输路径的第一传输部1404和串联传输部1406，构成第二传输路径的第二传输部1408和并联传输部1430。第一传输部1404和第二传输部1408分别与分枝部1402相连接，分枝部1402将输入信号切换到第一传输部1404或第二传输部1408。串联传输部1406的条形导体1414与第一传输部1404的条形导体1412相串联。并联传输部1430与第二传输部1408的条形导体1412相并联。以上各部分构成一个微传输带线路。如图24和图25所示，以上各部被成型在介电材料1426之上，而介电材料1426被成型在接地导体1416上。
串联传输部1406和并联传输部1430是由超导体材料构成的，分枝部1402，第一传输部1404，和第二传输部1408是由常导体构成的。并联传输部1430的宽度为w4，长度为L4。并联传输部1430的一端连接于条形导体1412，另一端通过一个通路孔1432与接地导体1416相连。
在本实施例中，串联传输部1406中条形导体1414输入端的某个区间(比如，长度为L2的区间)的厚度t1比输出端的厚度t2小，但是该区间的宽度与输出端的宽度相同。通过将条形导体1414输入端长度为L2的区间设计成薄长形，条形导体1414在非超导状态时的阻抗远远大于厚度一定的条形导体的阻抗。
在本实施例中，如图23和图25所示，并联传输部1430的宽度w4比较大而厚度t4比较小。并联传输部1430与接地导体1416相连，其长度L4为输入信号的半波长或半波长的整数倍。所以，在超导状态下，从并联传输部1430和条形导体1412的交点O2到并联传输部1430的输入阻抗几乎为零，在常导状态下，该输入阻抗几乎为无穷大。
如上所述，为增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度，可以将条形导体输入端的某个区间L2或L4的厚度设成一定而宽度做得很小，也可以将其宽度设为一定而厚度做得小，还可以将其宽度和厚度都做得很小。在任一情形下，都是通过减小导体的截面积来增大其非超导状态的电阻，从而增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度。
信号切换装置1400的工作原理与信号切换装置100基本相同。当要将输入到分枝部1402的信号切换到第二传输路径时，串联传输部1406和并联传输部1430被设为非超导状态。因为并联传输部1430形状细长，在非超导状态下，并联传输部1430的阻抗变得非常大，所以，从分枝部1402传播到条形导体1412的信号几乎不向并联传输部1430传播。所以，第二传输路径里的第二传输部1408与其后续电路相匹配。因此，信号可以很好地从分枝部1402传播到第二传输部1408及其后续电路。
另外，在第一传输路径中，第一传输部1404与处于非超导状态的串联传输部1406不相匹配，从分枝点X到第一传输部1404的端点O1的输入阻抗ZX01非常大，所以输入到分枝部1402的信号不向第一传输路径传播，而是低损耗地传向第二传输路径。
当要将输入到分枝部1402的信号切换到第一传输路径时，串联传输部1406和并联传输部1430被设为超导状态。如上所述，在第一传输路径中，第一传输部1404与处于超导状态的串联传输部1406相互匹配，所以，信号可以很好地从分枝部1402传播到第一传输部1404及其后续电路。另外，因为并联传输部1430处于超导状态，所以从条形导体1412到并联传输部1430的输入阻抗几乎变为零。这时，通过调节第二传输部1408的长度L3，使得从分枝点X到点O2的输入阻抗ZX02变得非常大。因此，信号几乎不传输到第二传输路径，而是低损耗地传输到第一传输路径。
第四实施例
图26是本发明第四实施例的信号切换装置1700的正面图。信号切换装置1700构成一个同轴传输线路。
信号切换装置1700包括一个分枝部1702，构成第一传输路径的第一传输部1704和串联传输部1706，构成第二传输路径的第二传输部1708和并联传输部1730。第一传输部1704和第二传输部1708分别与分枝部1702相连接，分枝部1702将输入信号切换到第一传输部1704或第二传输部1708。第一传输部1704与第二传输部1708的中心部有导体1712，串联传输部1706的中心部有导体1714。串联传输部1706的中心导体1714与第一传输部1704的中心导体1712相串联。并联传输部1730与第二传输部1708的中心导体1712相并联。以上各部分构成一个同轴传输线路。
串联传输部1706和并联传输部1730是由超导体材料构成的，分枝部1702，第一传输部1704，和第二传输部1708是由常导体构成的。并联传输部1730的宽度为w4，长度为L4。并联传输部1730的一端连接于中心导体1712，另一端与周围的接地导体相连。第二传输部1708包括中心导体1712，其外围的电介质，以及电介质外围的接地导体。
在本实施例中，串联传输部1706中条形导体1714输入端的某个区间(比如，长度为L2的区间)的直径w1比输出端的直径w2小，而且这个区间的同轴电缆的直径也比输出端电缆的直径小。
在同轴传输线路中，特征阻抗随导体直径，介质的介电常数，以及介质的厚度(到接地导体的距离)而变化。为保证特征阻抗不随导体直径变化，导体1714输入端长度为L2的直径较小的区间相对应的介质1726的厚度比输出端的介质1726的厚度小。
当串联传输部1706处于超导状态时，为使第一传输部1704与串联传输部1706特征阻抗匹配，需要调节第一传输路径的直径，以及介质1726的介电常数和厚度。
在本实施例中，通过将导体1714输入端长度为L2的区间设计成细长形，导体1714在非超导状态时的阻抗远远大于直径一定的导体的阻抗。
与共面波导和微传播带线路的情形一样，为增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度，可以将导体的某个区间L2或L4的截面积做得很小，以此增大非超导状态的电阻，从而增大超导状态和非超导状态的输入阻抗的变化幅度。
信号切换装置1700的工作原理与信号切换装置100基本相同。当要将输入到分枝部1702的信号切换到第二传输路径时，串联传输部1706和并联传输部1730被设为非超导状态。因为并联传输部1730形状细长，在非超导状态下，并联传输部1730的阻抗变得非常大，从分枝部1702传播到条形导体1712的信号几乎不向并联传输部1730传播。所以，第二传输路径里的第二传输部1708与其后续电路相匹配。因此，信号可以很好地从分枝部1702传播到第二传输部1708及其后续电路。
另外，在第一传输路径中，第一传输部1704与处于非超导状态的串联传输部1706不相匹配，从分枝点X到第一传输部1704的端点O1的输入阻抗ZX01非常大，所以输入到分枝部1702的信号不向第一传输路径传播，而是低损耗地传向第二传输路径。
当要将输入到分枝部1702的信号切换到第一传输路径时，串联传输部1706和并联传输部1730被设为超导状态。如上所述，在第一传输路径中，第一传输部1704与处于超导状态的串联传输部1706相互匹配，所以，信号可以很好地从分枝部1702传播到第一传输部1704及其后续电路。另外，因为并联传输部1730处于超导状态，所以从条形导体1712到并联传输部1730的输入阻抗几乎变为零。这时，通过调节第二传输部1708的长度L3，使得从分枝点X到点O2的输入阻抗ZX02变得非常大。因此，信号几乎不传输到第二传输路径，而是低损耗地传输到第一传输路径。
第五实施例
图27是本发明第五实施例的信号切换装置1800的正面图。信号切换装置1800构成一个有三个传输路径的共面波导。
信号切换装置1800包括一个分枝部1802，构成第一传输路径的第一传输部1804和串联传输部1806，构成第二传输路径的第二传输部1808和并联传输部1830，以及构成第三传输路径的第二传输部1805，串联传输部1807和并联传输部1831。第一传输部1804，第二传输部1808和第三传输部1805分别与分枝部1802相连接，分枝部1802将输入信号切换到第一传输部1804，或第二传输部1808，或第三传输部1805。第一传输部1804，第二传输部1808和第三传输部1805的中心有一条形导体1812。串联传输部1806中心的条形导体1814与条形导体1812相串联，并联传输部1830与条形导体1812相并联，串联传输部1807中心的条形导体1815与条形导体1812相串联，并联传输部1831与条形导体1812相并联。中心部的条形导体1812，1814和1815的两侧一定距离处设有接地导体。
串联传输部1806，并联传输部1830，串联传输部1807，还有并联传输部1831是由超导体材料构成的，分枝部1802，第一传输部1804，第二传输部1808和第三传输部1805是由常导体构成的。并联传输部1830和1831的一端连接于条形导体1812，另一端与接地导体相连。并联传输部1830，1831的厚度非常小，其长度为输入信号的半波长或半波长的整数倍。所以，在超导状态下，并联传输部1830，1831的输入阻抗几乎为零，在非超导状态下，该输入阻抗几乎为无穷大。
用于串联传输部1806，并联传输部1830，串联传输部1807，还有并联传输部1831的超导材料和第一实施例中说明的材料一样。以下，为方便起见，假定构成串联传输部1806和并联传输部1831的超导材料有相同的临界温度，称之为第一临界温度TC1，假定构成串联传输部1807和并联传输部1830的超导材料有相同的临界温度，称之为第二临界温度TC2，进一步假定第二临界温度高于第一临界温度(TC2＞TC1)。
如前所述，串联传输部1806，1807中条形导体1814，1815输入端的长度一定的某个区间的宽度比输出端的宽度小。并联传输部1830，1831的宽度非常小，其长度分别为输入信号的波长的一半或半波长的整数倍。
以下说明信号切换装置1800的工作原理。当要将输入信号切换到第一传输路径时，各超导材料的温度设定得比第一临界温度TC1低，所以各个超导材料都处于超导状态。这时，在第一传输路径中，第一传输部1804与串联传输部1806及后续电路相互匹配，所以，信号可以很好地从分枝部1802传播到第一传输部1804及其后续电路。在第二传输路径中，因为并联传输部1830处于超导状态，所以从条形导体1812到并联传输部1830的输入阻抗几乎为零。这时，通过调节第二传输部1808的长度L2，使得从分枝点X到点O2的输入阻抗变得非常大。因此，信号几乎不传输到第二传输路径。同样，在第三传输路径中，因为并联传输部1831处于超导状态，所以从条形导体1812到并联传输部1831的输入阻抗几乎为零。这时，通过调节第三传输部1805的长度L3，使得从分枝点X到点O3的输入阻抗变得非常大。因此，信号也几乎不传输到第三传输路径。所以，输入信号可以低损耗地从分枝部1802传播到第一传输部1804及其后续电路。
当要将输入到分枝部1802的信号切换到第三传输路径时，各个超导材料的温度设定得比第一临界温度TC1高但是比第二临界温度TC2低。这时，串联传输部1806和并联传输部1831处于非超导状态，并联传输部1830和串联传输部1807处于超导状态。所以，在第三传输路径中，由于并联传输部1831处于非超导状态，并联传输部1831的阻抗变得非常大，所以，信号几乎不向并联传输部1831传播。由于串联传输部1807处于超导状态，第三传输部1805与串联传输部1807及后续电路相互匹配，所以，信号可以很好地从分枝部1802传播到第三传输部1805及其后续电路。在第一传输路径中，第一传输部1804与处于非超导状态的串联传输部1806不相匹配，从分枝点X到第一传输部1804的输入阻抗非常大，所以信号几乎不向第一传输路径传播。在第二传输路径中，因为并联传输部1830处于超导状态，所以从条形导体1812到并联传输部1830的输入阻抗几乎为零。这时，通过调节第二传输部1808的长度L2，使得从分枝点X到第二传输路径的输入阻抗变得非常大。因此，信号几乎不传输到第二传输路径。所以，输入信号可以低损耗地从分枝部1802传播到第三传输部1805及其后续电路。
当要将输入到分枝部1802的信号切换到第二传输路径时，各个超导材料的温度设定得比第二临界温度TC2高，这时所有超导材料都处于非超导状态。所以，在第二传输路径中，由于并联传输部1830处于非超导状态，并联传输部1830的阻抗变得非常大，所以，信号几乎不向并联传输部1830传播。第二传输部1808与后续电路相互匹配，所以，信号可以很好地从分枝部1802传播到第二传输部1808及其后续电路。在第一传输路径中，第一传输部1804与处于非超导状态的串联传输部1806不相匹配，从分枝点X到第一传输部1804的输入阻抗非常大，所以信号几乎不向第一传输路径传播。在第三传输路径中，第三传输部1805与处于非超导状态的串联传输部1807不相匹配，从分枝点X到第三传输部1805的输入阻抗非常大，所以信号几乎不向第三传输路径传播。所以，输入信号可以低损耗地从分枝部1802传播到第二传输部1808及其后续电路。
通过如此适当组合由临界温度不同的超导材料组成的串联传输部和并联传输部，可以实现多个传输路径时的信号切换。本实施例里使用了临界温度不同的两种超导材料来切换三个传输路径，但本发明不限于这种情形，可以用更多种超导材料切换更多的传输路径。
第六实施例
在以上实施例中，并联传输部的一端连接于中心导体，另一端与接地导体相连，并联传输部的长度为输入信号的半波长或半波长的整数倍。但本发明不限于这种情形，并联传输部的长度也可以设为其他值，比如说，设为1/4波长或1/4波长的奇数倍。
图28是本发明第六实施例的信号切换装置1900的一部分的正面图，显示本发明第二实施例(即共面波导的情形)的信号切换装置的第二传输路径部分。虽然以下不做详细说明，本实施例同样适用于微传输带线路和共轴传输线路的情形。
如图28所示，中心部的条形导体1912的两侧一定距离处设有接地导体1918和1920。并联传输部1930的一端与条形导体1912相连，另一端被悬空。并联传输部1930的宽度为w4，其长度为输入信号波长的1/4或1/4波长的奇数倍。这样设定并联传输部1930的长度，与前面的实施例一样，可以使并联传输部1930在超导状态下的输入阻抗几乎为零。
以下做具体说明。
如前所述，当并联传输部的一端与中心导体相连，另一端接地，长度为输入信号的半波长或半波长的整数倍时，其输入阻抗为零，即位于图14所示的史密斯图上的点T处。如果并联传输部的一端与中心导体相连，另一端不接地而是悬空的话，其输入阻抗为无穷大，即位于图14所示的史密斯图上的点P处。在此情形下，如果将路径长度改变1/4波长，在史密斯图上，阻抗将沿圆周移动π弧度。如果将路径长度改变1/2波长，在史密斯图上，阻抗将沿圆周移动一周(即，2π弧度)返回原处。所以，在并联传输部的一端悬空的情形下，将路径长度改变1/4波长时，其输入阻抗变为零，位于图14的史密斯图上的点T处。
根据本实施例，并联传输部1930的长度可以缩短到1/4波长，所以与1/2波长时相比，可以减小装置的大小。
图29显示信号切换装置1900的一个变化例。以下将图29显示的信号切换装置的标记为信号切换装置2000。在信号切换装置2000中，同样并联传输部的一端与中心导体相连，另一端被悬空，其长度为输入信号波长的1/4或1/4波长的奇数倍。
如图29所示，中心部的条形导体2012的两侧一定距离处设有接地导体2018，2019和2020。并联传输部2030的一端与条形导体2012相连，另一端被悬空。并联传输部2030的宽度为w4，其长度为输入信号波长的1/4或1/4波长的奇数倍。这样设定并联传输部2030的长度，可以使并联传输部2030在超导状态下的输入阻抗几乎为零。在图29中，并联传输部2030没有被接地导体2018，2019和2020完全包围，而是略为开放。但是，为保证接地导体2018和2019电位一致，接地导体2018和2019通过一个导体2032相互连接。
根据图29所示的信号切换装置2000，并联传输部1930的长度可以缩短到1/4波长，而且接地导体2018和2019可以比图28做得薄，所以可以进一步减小装置的尺寸。
根据以上实施例，由于提供了并联到第二传输路径的由超导材料构成的并联传输部，以上实施例的信号切换装置可以通过该并联传输部来控制是否要将信号传输到连接到第二传输路径的后续电路，因此在第二传输路径中不需要使用开关单元(如机械开关或半导体开关)。
再者，由于同时提供了串联到第一传输路径的由超导材料构成的串联传输部和并联到第二传输路径的由超导材料构成的并联传输部，当将信号切换到第一传输路径时，可将串联传输部和并联传输部都设至为超导状态。这时，由于通过调节第二传输路径的长度使得第二传输路径的输入阻抗足够大，信号只传播到第一传输路径而不传播到第二传输路径，所以第二传输路径中的信号损失可大大减少。当将信号切换到第二传输路径时，可将串联传输部和并联传输部都设至为非超导状态。这时，由于第一传输路径的输入阻抗充分大，信号只传播到第二传输路径而不传播到第一传输路径，所以第一传输路径中的信号损失可大大减少。再者，由于并联传输部处于非超导状态而且并联传输部的截面积小于第二传输路径的截面积，并联传输部的输入阻抗也充分大，所以传播到第二传输路径的信号，可以几乎不被并联传输部分流而传播到后续电路。所以本发明可以有效地减少传输路径中的信号损失，保证良好的绝缘特性。
以上只说明了是本发明的优选实施例，本发明并不限于以上的实施例，属于相关技术领域的技术人员可以在不脱离本发明的范围的前提下做种种修改。
在以上的说明中，常导体和超导材料都被成型在电介质上的同一平面里。但本发明并不限于此结构。比如，也可以将超导材料先覆于电介质基板上，再在该超导材料上制作常传导材料的导线图案，然后用这种原料来制作信号切换装置。在这种情形下，当通过降温到临界温度以下来选择期望的传输路径时，由于导线处于低温中，信号的传输损失非常低。
另外，在以上的说明中，并联传输部的长度被设为输入信号的半波长或半波长的整数倍，或者输入信号的1/4波长或1/4波长的奇数倍。但只要能满足以下条件，并联传输部的长度还可以设为其他值。(1)在非超导状态下并联传输部的输入阻抗几乎为无穷大；(2)在常超导状态下并联传输部的输入阻抗几乎为零；(3)并联传输部的长度尽量短。但考虑到要使输入阻抗在史密斯图上尽量接近短路点T和开放点P，将并联传输部的长度设为输入信号的半波长或半波长的整数倍，或者输入信号的1/4波长或1/4波长的奇数倍比较有利。
以下总结本发明的效果。本发明的信号切换装置能够保证良好的传输路径绝缘特性，降低信号传输损失，又不必使用机械开关或半导体开关等开关器件的信号切换装置。

Claims (17)

1.一种具有与输入路径相连的多个传输路径的信号切换装置，用于将从所述输入路径输入的信号切换到所述多个传输路径中预定的传输路径，所述信号切换装置包括：
阻抗可变单元，它被连接到所述多个传输路径中的第一传输路径，还包括由超导材料构成的第一传输段，当将所述输入信号切换到所述多个传输路径中的第二传输路径时，该第一传输段被致于非超导状态，所述第一传输段的输入侧的一定长度的区间的截面积小于所述第一传输段的输出端的截面积。
2.根据权利要求1所述的信号切换装置，其中，当将所述输入信号切换到所述第一传输路径时，所述第二传输路径被调节得具有比预定值大的输入阻抗。
3.根据权利要求1所述的信号切换装置，其中，所述第一传输段的输入侧的一定长度的区间的截面的宽度比所述第一传输段的输出端的截面的宽度小。
4.根据权利要求1所述的信号切换装置，其中，所述第一传输段的输入侧的一定长度的区间的截面的厚度比所述第一传输段的输出端的截面的厚度小。
5.根据权利要求1所述的信号切换装置，还包括一个选择单元，用于通过调节构成所述第一传输段的超导材料的传导状态来选择或不选择所述第一传输路径为所述预定的传输路径。
6.一种具有与输入路径相连的多个传输路径的信号切换装置，用于将从所述输入路径输入的信号切换到所述多个传输路径中预定的传输路径，所述信号切换装置包括：
第一阻抗可变单元，它被串联到所述多个传输路径中的第一传输路径，还包括由超导材料构成的第一传输段；以及
第二阻抗可变单元，它被并联到所述多个传输路径中的第二传输路径，还包括由超导材料构成的第二传输段，所述第二传输段的截面积小于所述第二传输路径的截面积，当所述第二传输段被致于超导状态时，通过调节所述第二传输路径的长度，使得所述第二传输路径的输入阻抗大于预定值。
7.根据权利要求6所述的信号切换装置，其中，当所述第二传输段被致于超导状态时，通过调节所述第二传输段的长度，使得从所述第二传输路径到所述第二传输段的输入阻抗小于预定值。
8.根据权利要求7所述的信号切换装置，其中，所述第二传输段的一端被连接到所述第二传输路径，所述第二传输段的另一端被接地。
9.根据权利要求8所述的信号切换装置，其中，所述第二传输段的长度被设为所述信号的波长的二分之一，或所述信号的波长的二分之一的整数倍。
10.根据权利要求7所述的信号切换装置，其中，所述第二传输段的一端被连接到所述第二传输路径，所述第二传输段的另一端被悬空；
所述第二传输段的长度被设为所述信号的波长的四分之一，或所述信号的波长的四分之一的奇数倍。
11.根据权利要求6所述的信号切换装置，还包括一个选择单元，用于通过调节构成所述第一传输段的超导材料和构成所述第二传输段的超导材料的传导状态来选择所述第一传输路径或所述第二传输路径为所述预定的传输路径。
12.根据权利要求6所述的信号切换装置，还包括：
第三阻抗可变单元，它被串联到所述多个传输路径中的第三传输路径，还包括由超导材料构成的第三传输段；以及
第四阻抗可变单元，它被并联到所述第三传输路径，还包括由超导材料构成的第四传输段，所述第四传输段的截面积小于所述第三传输路径的截面积，当所述第四传输段被致于超导状态时，通过调节所述第三传输路径的长度，使得所述第三传输路径的输入阻抗大于预定值。
13.根据权利要求12所述的信号切换装置，其中，当所述第四传输段被致于超导状态时，所述第四传输段的长度被调节得使从所述第三传输路径到所述第四传输段的输入阻抗小于预定值。
14.根据权利要求13所述的信号切换装置，其中，所述第四传输段的一端被连接到所述第三传输路径，所述第四传输段的另一端被接地。
15，根据权利要求14所述的信号切换装置，其中，所述第四传输段的长度被设为所述信号的波长的二分之一，或所述信号的波长的二分之一的整数倍。
16.根据权利要求13所述的信号切换装置，其中，所述第四传输段的一端被连接到所述第三传输路径，所述第四传输段的另一端被悬空；
所述第四传输段的长度被设为所述信号的波长的四分之一，或所述信号的波长的四分之一的奇数倍。
17.根据权利要求12所述的信号切换装置，还包括一个选择单元，用于通过调节构成所述第一传输段的超导材料，构成所述第二传输段的超导材料，构成所述第三传输段的超导材料和构成所述第四传输段的超导材料的传导状态来选择所述第一传输路径，所述第二传输路径，和所述第三传输路之一为所述预定的传输路径。
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