DE2134352A1

DE2134352A1 - Mikrowellen Koaxialschalter

Info

Publication number: DE2134352A1
Application number: DE19712134352
Authority: DE
Inventors: Norbert Joseph Fairfield Conn Sladek (V St A ) HOIp 1 16
Original assignee: Bunker Ramo Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1970-09-03
Filing date: 1971-07-09
Publication date: 1972-03-09
Also published as: DE2134352C3; JPS5434303B1; US3739306A; GB1350158A; DE2134352B2

Description

DIPL.-ING. A. GRÜNECKER DR.-ING. H. KINKELDEY

DR.-ING. W. STOCKMAIR. Ae. E. (cauf. inst. of techn >

PATENTANWÄLTE

MÖNCHEN 22 Maximilianstraße 43 Telefon 297100/296744 Telegramme Monapaf München Telex 05-28380

9. Juli 1971 P 4075 - 27/Sö.

Bunker Ramo Corporation

Oakbrook North

Oak Brook, Illinois 60521

U.S.A.

Mikrowellen-Koaxialschalter

Die Erfindung "betrifft einen Mikrowellen-Koaxialschalter.

Die Erfindung ist insbesondere für Hochfrequens-Koaxialschalter sowie für Mikrowellen-Koaxialschalter geeignet, die für den un- ' benutzten Kanal in einem relativ großen Frequenzband einen relativ! hohen Isolationswiderstand besitzen. !

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HF-Koaxialschalter werden z.B. als Sende-Empfangs-Umschalter verwendet, die dazu dienen, eine einzige Antenne zwischen einem Sender und einem Empfänger umzuschalten, sowie für zahlreiche Übertragungsaufgaben. Da immer höhere Frequenzen interessant werden, wird die optimale Impedanzanpassung an den aktiven Kanal immer schwieriger. Durch diese optimale Impedanzanpassung soll ein niedriger Spannungs-Reflexionskoeffizient und eine genügende Belastbarkeit zum tibertragen von HF-Spannungen und HF-Leistungen bei hohem Isolationswiderstand für den unbenutzten Kanal- erzielt werden. Man kann diese Aufgabe zum Teil durch die Verwendung von elektronischen Schaltelementen in Form von Halbleiter-Dioden, ionisierbaren Elektronenröhren, verschiedenen Schwellwertschaltern bzw. Durchschlagselementen und dergl. lösen, doch werden in vielen Fällen mechanische Schalter nach wie vor bevorzugt.

In den derzeit für- sehr hohe Frequenzen von 12 GHz und darüber verwendeten, mechanischen Mikrowellenschaltern sind die Schaltmesser und Anschlußteile in einer Kammer angeordnet, die so ausgelegt ist, daß sie als Wellenleiter für Wellen unter der Grenzfrequenz für den Haupttyp der Wellenleiterwellen in dem. Arbeitsfrequenzbereich des Schalters wirkt. Damit der gewünschte Isolationswiderstand erzielt wird, d.h. eine Dämpfung von mindestens 60 dB für den unbenutzten Kanal im ganzen Arbeitsfrequenzbereich des Schalters, war es jedoch bisher notwendig, das Schaltmesser für den unbenutzten Kanal in gleichmäßigem, sattem elektrischem Kontakt mit der oberen Wandung der Wellenleiterkammer zu halten. Um diesen gleichmäßigen Kontakt zu gewährleisten, mußte sowohl das Schalt-

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messer als auch die Wandung der Kammer absolut eben sein, wobei die Abweichung von einer ebenflächigen Berührung zwischen dem Schaltmesser und der Wandung vom einen Ende zum anderen 0.05 mm nicht überschreiten durfte· Damit diese Toleranz für die Berührung zwischen dem Schaltmesser und der Wandung eingehalten werden konnte, mußten das Schaltmesser und die Wand mit einer Toleranz von weniger als 0,025 mm ebenflächig sein.

Bei genügender Sorgfalt kann man zwar Elemente mit so kleinen Toleranzen herstellen, doch ist es schwierig und kostspielig, solche Toleranzen bei der Herstellung einzuhalten. In der Fertigung von Elementen mit so kleinen Toleranzen ist daher der Ausschuß-Anteil hoch. Da die Grenzfrequenz des Wellenleiters der langen Abmessungen des Wellenleiter-Querschnitts proportional ist, kann man einen Schalter für höhere Frequenzen am leichtesten erhalten, indem man die Kammer verkleinert. Dadurch werden jedoch auch die einzelnen Teile kleiner, so daß sie schwieriger zu handhaben sind. Außerdem wird dadurch das Einhalten von sehr kleinen Toleranzen noch mehr erschwert.

Es besteht also ein Bedürfnis nach einem Mikrowellen-Koaxialschalter, der bei höheren Frequenzen einen hohen Isolationswiderstand besitzt, bei dessen Herstellung aber keine zu kleinen Toleranzen eingehalten werden müssen. Ein wichtiges Ziel der Erfindung ist es, einen verbesserten Mikrowellen-Koaxialschalter zu schaffen, der bei höheren Frequenzen einen genügend hohen Isolationswider-

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stand für den unbenutzten Kanal hat, ohne daß bei der Herstellung des Schalters sehr kleine Toleranzen hinsichtlich" der Ebenflächigkeit eingehalten werden müßten, und der infolgedessen leichter und billiger herstellbar ist.

Ein erfindungsgemäßer Koaxialschalter ist gekennzeichnet durch eine rechteckige Kammer solcher Ausbildung, daß sie einen Wellenleiter für Vellen unter der Grenzfrequenz für den Haupttyp der Wellenleiterwellen im Arbeitsfrequenzbereich des Schalters bildet, durch mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Anschlußteile, die in die Kammer vorstehen und mit denen Je eine Mikrowellenübertragungsleitung verbindbar ist, durch ein in der Kammer angeordnetes Schaltmesser, das zwischen einer Wirkstellung, in der es zwei der genannten Anschlußteile miteinander verbindet, und einer Ruhestellung bewegbar ist, und durch eine Einrichtung zur Aufnahme des Schaltmessers außerhalb des normalen Wellenfortpflanzungsweges des Wellenleiters, wenn sich das Schaltmesser in seiner Ruhestellung befindet.

Der erfindungsgemäße Mikrowellen-Koaxialschalter besitzt mithin eine rechteckige Kammer, die so ausgelegt ist, daß sie einen Wellenleiter für Wellen unter der kritischen Grenzfrequenz für den Haupttyp der Wellenleiterwellen in dem Arbeitsfrequenzbereich des Schalters bildet. Durch eine erste lange Wand der Kammer ragen in diese mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Anschlußteile hinein, mit denen je ein Koaxialverbinder verbunden

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werden kann. In der zweiten langen Wand der rechteckigen Kammer befindet sich eine in deren Längsrichtung über.den Anschlußteilen angeordnete Vertiefung. In der Kammer ist ein Schaltmesser angeordnet, das zwischen einer Ruhestellung und einer Wirkst'ellung bewegbar ist, in der es zwei der Anschlußteile miteinander verbindet. Es ist ferner eine Einrichtung zum Bewegen des Schaltmessers zwischen der Werkstellung und der Ruhestellung vorgesehen, in der es sich in der Vertiefung befindet und mit deren oberer Wand in mechanischer und elektrischer Berührung steht.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 in Schnittansicht einen einpoligen Mikrowellen-Koaxial-Umschalter gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1 und Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1.

Der in Fig. 1 gezeigte, einpolige Koaxial-Umschalter besitzt eine Grundplatte 10, einen Staubdeckel 12 und drei Koaxialverbinder 16 und 18. Der Verbinder 16 ist ein gemeinsamer Verbinder, der durch den Schalter mit dem Verbinder 14 oder dem Verbinder 18 verbunden werden kann. Die Verbinder 14, 16 und 18 sind in her-

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kömmlicher Weise an der Grundplatte 10 befestigt, wobei .ihre Mittelleiteranschlüsse 20, 22 und 24 durch ^e eine Ausnehmung 26, 28 oder 30 in eine gemeinsame Kammer 32 vorstehen. Diese ist von der Grundplatte 10 und einer Kappe 34- begrenzt, die beispielsweise mit Schrauben 36 oben auf der Grundplatte 10 befestigt ist. Die Kammer 32 ist von Wänden oder Wandflächen 38, 40 und 42 der Grundplatte 10 (siehe Eig. 2) und einer Fläche 44 der Kappe 34 begrenzt. In der Fläche 44 ist eine Vertiefung 46 ausgebildet, die im wesentlichen über die ganze länge der Fläche 44 reicht.

Die Kammer 32 ist so bemessen, daß sie einen Wellenleiter für Wellen unter der Grenzflrequenz für den Haupttyp der Wellenleiterwellen in dem Arbeitsfrequenzbereieh des Schalters bildet. Bei einem Schalter für Frequenzen von bis zu 18 GHz, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, kann die Kammer 32 einen Querschnitt von 4,6 χ 2,5 haben. Die Länge der Kammer kann beispielsweise zwischen 2514 und 50,8 mm liegen. Die Abmessungen der Vertiefung 46 sind von anderen Faktoren abhängig, die nachstehend beschrieben werden.

In der Kammer 32 befindet sich ein erstes bewegliches, leitendes Schaltmesser 48 mit solcher Anordnung, daß es eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlußteilen 20 und 22 herstellen kann. Ein zweites bewegliches, leitendes Schaltmesser 50 ist so angeordnet, daß es eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlußteilen 22 und 24 herstellen kann. In Fig. 1 ist das Schaltmesser 50 in der Vertiefung 46 gezeigt. Man sieht, daß das Schaltmesser

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leicht gekrümmt ist, so daß nur sein mittlerer Teil mit der oberen Wandung 52 der Vertiefung 46 in satter mechanischer und elektrischer Berührung steht. Diese Krümmung des Messers 50 ist in der Zeichnung übertrieben dargestellt; sie soll bei einem Schalter mit einer Grenzfrequenz von 12 bis 18 GHz nicht größer sein als 0,152 mm. Je kleiner die Krümmung des Schaltmessers 50 und je satter die Berührung zwischen diesem Schaltmesser und der Fläche 52 ist, desto höher ist der Isolationswiderstand und desto niedriger ist die Durchgangs- bzw. Einfügungsdämpfung (insertion loss) des Schalters. Die Toleranzen hinsichtlich der Ebenflächigkeit der Fläche 52 sind kleiner als bei dem Schaltmesser 50, doch ist in Schaltern mit den vorstehend angegebenen Funktionseigenschaften eine Abweichung von z.B. 0,076 bis 0,102 mm von der absoluten Ebenflächigkeit ohne weiteres zulässig. Auch das Schaltmesser 48 ist leicht gekrümmt, wenn es sich in seiner Ruhestellung in der Vertiefung 46 befindet·

Die Schaltmesser 48 und 50 sind auf je einem Zapfen 54 und 56 gelagert. Die Achse jedes dieser Zapfen ist rechtwinklig zu der Ebene j des zugeordneten Schaltmessers. Das eine Ende jedes Zapfens 54 bzw. 56 ist in einer ihm zugeordneten Vertiefung in der Grundplatte verschiebbar. Der Zapfen 54 ist an einer Druckfeder 58 und der Zapfen 56 an einer ähnlichen Druckfeder 60 abgestützt. Die gegenüberliegenden Enden der Zapfen 54, 56 durchsetzen je eine durchgehende Öffnung in der Kappe 34, so daß die Zapfen 54, 56 mittels eines Schwenkhebels 62 betätigt werden können. Dieser ist um eine zentral angeordnete Achse 64 verschwenkbar und von einer Druckfeder 6<

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"belastet, die .eine Flache 68 des Schwenkhebels gegen den Zapfen 56 drückt, so daß das Schaltmesser 50 mit den Anschlußteilen 22 und 24 in Berührung gehalten wird, Wenn der Elektromagnet 70 erregt ist, . greift gemäß 3?ig. 1 sein Abtriebsglied 72 an dem Vorsprung 74 des Schwenkhebels 62 an, so daß dessen Fläche 76 gegen den Zapfen 54 drückt und der Schalter in die in Eig» 1 gezeigte Stellung gelangt. Die Federn 58 und 60 gewährleisten eine satte mechanische und elektrische Berührung zwischen dem Schaltmesser für den unbenutzten Kanal und der Fläche 52 der -"Vertiefung.

Aus der Fig., 3 geht hervor, daß die Vertiefung 46 eine solche Siefe hat, daß "bei in ihr befindlichem Schaltmesser 50 kein Teil desselben ia die Kammer 32 vorsteht« Die Breite der Vertiefung 46 ist vo3?3Ugsw©ise mzr ganz "wenig größer als die Breite der Schaltmesser 48 und 5Oe Sa sieh jedoch das Schaltmesser bei seiner Bewsgnag swisciiea Beinen beiden Stellungen auch etwas seitwärtsbevtegt.j ist ein gewisses Spiel erforderlich« Die Breite der Vertiefimg ist ,jsöocJi-zweckmäßig um nicht mehr als z.B. 0,508 mm größ@3» als die Breite ö.©s Hassers 50»

Ba öl© ia der-- Kammer 32 laufenden ¥©11 en sich der Form des Eaupteier Easaaer anpassen_s. "besteht nur eine geringe Abstrahlung oder

g von elektromagnetischer Energie in die Vertiefung, so daß das ia dieser Vertiefung 46 angeordnete Schaltmesser besser isoliert v/eräsa kann, als wenn es ia der Kammer angeordnet wäre. Infolgedessen sind' hinsichtlich der Erdung bzw«, Hass ©verbindung des Schaltmessers größere Toleranzen zulässig, als dies sonst der Pail wäre«

t ρ £ e ι

Die gezeichnete Ausbildung des Schalters führt nicht zu einer Herabsetzung der in Fig, 2 angegebenen Abmessung D, so daß die Spannungs- und Leistungsbelastbarkeit des Schalters nicht herabgesetzt wird. Ferner bewirkt diese Ausgestaltung keine Veränderung, von Form und Größe der Schaltmesser und ihrer* Orientierung in der Wirkstellung; daher bleiben die Anpassungseigenschaften des Schalters unverändert, und man erzielt'einen niedrigen Spannungs-Eeflexionskoeffizienten.

Vorstehend wurde ein Koaxialschalter beschrieben, dessen Eingänge von Koaxialverbindern gebildet sind. Die Eingänge können jedoch auch aus Koaxialleitungen und Koaxialkabeln, Parallelplattenleitungen (parallel plate lines), Bandleitungen (striplines), Mikrobandleitungen (microstrips), Wellenleitern oder anderen für die Übertragung von Mikrowellenenergie geeigneten Leitungen bestehen. Infolgedessen ist die Bezeichnung "Koaxialschalter" für Schalter der vorliegenden Art im weitesten Sinne zu verstehen. Es ist ferner hervorzuheben, daß die in Fig. 1 gezeigte Betätigungseinrichtung lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellt und zum Betätigen der Schaltmesser 48 und 50 jede geeignete Einrichtung verwendbar ist. Die für die verschiedenen Bestandteile angegebenen Abmessungen dienen ebenfalls nur zur Erläuterung und müssen je nach den Erfordernissen bestimmt werden, die sich aus der Anwendung des Schalters ergeben.

Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich

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konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

- Patentansprüche -

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Claims

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Patentansprüche

Mikrowellen-Köaxialschalter, gekennz ei chnet durch eine rechteckige Kammer (32) solcher Ausbildung, daß sie einen Wellenleiter für Wellen unter der Grenzfrequenz für den Haupttyp der Wellenleiterwellen im Arbeitsfrequenzbereich des Schalters bildet, durch mindestens zwei im Abstand voneinander angeordnete Anschlußteile (20,22,24), die in die Kamm er (32) vorstehen und mit denen ^e eine Mikrowellenübertragungsleitung verbindbar ist, durch ein in der Kammer angeordnetes Schaltmesser (48,50), das zwischen einer Wirkstellung, in der es zwei der genannten Anschlußteile (20,22;22,24) miteinander verbindet, und einer Ruhestellung bewegbar ist, und durch eine Einrichtung (46) zur Aufnahme des Schaltmessers (48,50) außerhalb des normalen Wellenfortpflanzungsweges des Wellenleiters, wenn sich das Schaltmesser (48,50) in seiner Ruhestellung befindet·

Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Aufnahme des Schaltmessers eine Vertiefung (46) aufweist, die in gener Wand (44) der Kammer "(32) ausgebildet ist, welche der von den Anschi ißteilen durchsetzenden Wand (38) gegenüberliegt.

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3. Schalter nach Anspruch- 2, dadurch gekennzeichnet,, daß die Vertiefung (46) eine obere Fläche (52) besitzt und eine Einrichtung (54 bis 76) vorgesehen ist, mittels deren das Schaltmesser (48,50) bis zur guten mechanischen und elektrischen Berührung mit der oberen , Fläche (52) bewegbar und daran in guter mechanischer und elektrischer Berührung gehalten ist.

Schalter nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet , daß die Vertiefung (46) so tief ist, daß bei in der Buhestellung darin befindlichem Schaltmesser (48,50) kein !Peil desselben in die rechteckige Kammer vorsteht.

5· Schalter nach Anspruch 3₅ dadurch gekennzeichnet , daß die Wände (38,44) zueinander parallel sind, daß die Vertiefung (46) sich in der Längsrichtung der damit versehenen Wand (44) erstreckt, über den Anschlußteilen (20,22;22,24) angeordnet ist sowie eine im wesentlichen ebene P obere Fläche (52) besitzt, und daß mittels der Einrichtung

(54 bis 76) zum Bewegen des Schaltmessers (48,50) dieses zwischen seiner Wirkstellung und seiner Ruhestellung bewegbar ist.

6. Schalter nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmesser (48,50) im wesentlichen ebenflächig ist und eine Krümmung von nicht mehr als 0,152 mm hat.

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7. Schalter nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß' die Breite der Vertiefung (46) etwas größer ist als die Breite des Schaltmessers (48,50).

8. Schalter nach wenigstens einem der Ansprüche 5 "bis 7t dadurch gekennzeichnet, daß die obere Fläche (52) der Vertiefung (46) mit einer Toleranz von 0,102 mm ebenflächig ist.

9. Schalter wenigstens nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß drei in die Kammer (32) vorstehende Anschlußteile (22,22,24) vorgesehen sind, daß mittels eines ersten Schaltmessers (48) ein erster (20) und ein zweiter (22) Anschlußteil miteinander verbindbar sind, daß mittels eines zweiten Schaltmessers (50) der zweite Anschlußteil (22) und ein dritter Anschlußteil (24) miteinander verbindbar sind und daß mittels der Einrichtung (54 bis 76) zum Bewegen des Schaltmessers beide Schaltmesser (48,50) derart bewegbar sind, daß sich jeweils ein Schaltmesser in seiner Ruhestellung befindet, wenn das andere Schaltmesser in seiner Wirkstellung steht.

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