DE3813686A1 - Hochleistungs-hf-schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzschalter, nachfol­ gend Hf-Schalter genannt, und sie ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, für Hochfrequenzschalter verwendbar, die für den Weltraumeinsatz vorgesehen sind.

Es ist bekannt, daß Hf-Schalter, die im Weltraum verwendet werden, wo sie im Vakuum oder in einem Nahezuvakuum arbei­ ten sollen, besonderen Problemen ausgesetzt sind, darunter Multipactorentladung, Koronaentladung und erhöhten Tempera­ turen.

Eine Multipactorentladung ist eine frequenzabhängige Hf-Ent­ ladung, welche durch die Emission von Sekundärelektronen aus sich entladenden Oberflächen gespeist wird. Es ist be­ kannt (vgl. P.F. Clancey "Multipactor Control in Microwave Space Systems", Microwave Journal, Vol. 21, March 1978, pp. 77-83), daß drei Bedingungen vorhanden sein müssen, um eine Multipactorentladung zu erzeugen. Diese Bedingungen sind: 1) daß der Multipactorentladungsspalt im Vakuum sein muß; 2) daß der Sekundärelektronenemissions-Koeffizient der Oberflächen, welcher vom Typ der Oberflächen, ihrer Reinheit und ihrer Elektronenenergie abhängt, größer ist als eins; und 3) daß eine derartige Hochfrequenzenergie, Spaltbreite und Frequenz vorliegen müssen, daß sich Resonanz zwischen der Elektronenbewegung und dem Feld ergibt.

Die Koronaentladung ist auch durch den Spaltabstand, die Signalfrequenz und die Leistung bestimmt und erfordert zu­ sätzlich ein Niedervakuum, und es ist unwahrscheinlich, daß es in einem Schalter auftritt, der mit einer guten Ent­ lüftung versehen ist und bei welchem Materialien verwen­ det sind, die selbst bei erhöhten Temperaturen nicht in großem Umfang ausgasen.

Von den Schaltern wird auch eine gute Wärmeableitung gefor­ dert, um eine Erhitzung von innen liegenden Schalterbau­ teilen zu vermeiden.

Man hat für den Einsatz im Weltraum als Hochleistungsschal­ ter vorgeschlagen, bei einem Schalter eine metallische Zun­ ge zu verwenden, welche eine Übertragungsleitung zwischen zwei zu verbindenden Punkten bildet (vgl. US-PS 43 17 972 von Evert Kjellberg, veröffentlicht am 2. März 1982). Die bei diesem bekannten Schalter verwendete metallische Zunge wird mittels Zylinderspulen betätigt und sie ist von einem dielektrischen Material umgeben. Es hat sich jedoch heraus­ gestellt daß ein solcher Schalter offenbar als Ergebnis von Multipactorentladung und schlechter Wärmeleitfähigkeit dazu neigt, unzuverlässig zu funktionieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen neuen und verbesserten Hf-Schalter anzugeben, bei welchem eine Multipactorentladung vermieden wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hf- Schalter anzugeben, der eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Bereich zwischen den Schalterkontakten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Hf-Schalter ein Paar Schalterkontakte sowie Mittel aufweist, welche die Schalterkontakte in der Weise tragen, daß eine Bewegung in eine geschlossene Stellung möglich ist, in welcher eine Schaltverbindung zwischen den Schalterkontakten hergestellt ist sowie eine Bewegung aus dieser geschlossenen Stellung heraus daß die erfindungsgemäße Verbesserung ferner di­ elektrisches Material umfaßt, welches zwischen den Schal­ terkontakten angebracht ist, wobei das dielektrische Ma­ terial und die Schalterkontakte eine kapazitive Hf-Ver­ bindung zwischen den Schalterkontakten in der geschlosse­ nen Schalterposition bilden.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind erste und zweite Schalterkontakt-Paare von Schalterkontakten vor­ handen, die mit einer das erste Schalterkontakte-Paar mit­ einander verbindenden Übertragungsstrecke und mit Hf-Signal­ leitern versehen sind, welche entsprechend mit dem zweiten Schalterkontakte-Paar verbunden sind. Das erste Schalter­ kontakte-Paar ist zwischen einer geschlossenen Position hin und her bewegbar, in welcher eine Schalterverbindung zwi­ schen den betreffenden ersten und zweiten Schalterkontakte- Paaren gebildet wird, und es ist ferner in der Weise dielek­ trisches Material zwischen die ersten und zweiten Schalter­ kontakte-Paare eingefügt, daß die ersten Schalterkontakte- Paare durch das dielektrische Material vom zweiten Schalter­ kontakte-Paar getrennt sind. In der geschlossenen Stellung wirken die ersten und zweiten Schalterkontakte-Paare und das dielektrische Material in der Weise zusammen, daß eine kapa­ zitive Hf-Signalstrecke zwischen den Hf-Signalleitern ge­ bildet wird. Auf diese Weise sind die Schalterkontakte durch das dielektrische Material gegeneinander isoliert, so daß Ionisation und Multipactor-Durchschlag verhindert wird.

Ferner stellt das dielektrische Material einen wirksamen Wärmepfad zur Wärmeableitung aus dem Bereich der Schalter­ kontakte dar.

Die vorliegende Erfindung kann bei einer Vielzahl von Schal­ terausführungen angewendet werden.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfin­ dung ist eine erste Gruppe von Schalterkontakten auf einem bewegbaren Träger aus dielektrischem Material angeordnet und paarweise miteinander verbunden, während eine zweite Gruppe von Schalterkontakten in einer ortsfesten Lagerung und in Verbindung mit entsprechenden Hf-Leitern vorgesehen ist. Der Träger aus dielektrischem Material ist bezüglich der zweiten Schalterkontakte-Gruppe drehbar, um verschie­ dene, miteinander verbundene Kontakte-Paare der ersten Gruppe mit entsprechenden Kontakten der zweiten Gruppe in entsprechenden unterschiedlichen Schaltstellungen des dreh­ baren Trägers auszurichten. Insbesondere umfaßt die erste Schalterkontakte-Gruppe einen Mittelpunktskontakt, der über einen eine Übertragungsstrecke bildenden Mikrostrip mit einem der drei anderen Schalterkontakte verbunden ist, die um die Rotationsachse des Trägers aus dielektrischem Mate­ rial gleichwinkelig verteilt angeordnet sind, wobei die bei­ den anderen dieser Schalterkontakte miteinander über eine als Mikrostrip ausgebildete Übertragungsstrecke miteinander verbunden sind, und wobei die Schalterkontakte der zweiten Gruppe in einer ähnlichen Verteilung angeordnet sind.

Die kapazitive Strecke, die nachfolgend noch genauer erläu­ tert wird, bildet eine frequenzabhängige LC-Reihenschaltung, die als Bandpaß-Filter wirkt, wobei die Schalterkontakte re­ aktive Elemente bilden.

Zum weiteren Verständnis der Erfindung wird die Erfindung nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispiels weiter beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Explosionszeichnung der Hauptbestandteile eines Hf-Schalters gemäß der Er­ findung;

Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Schal­ terbauteile gemäß Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung der Schalterbau­ teile gemäß Fig. 1 und 2;

Fig. 4a bis 4c zeigen jeweils schematisch eine Aufsicht eines drehbaren Schalterkontaktträgers, der Bestand­ teil der Schalterbauteile gemäß Fig. 1 ist, in drei unterschiedlichen Drehstellungen;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch ein Schalterkontakte- Paar des in den Fig. 1 bis 4 veranschaulichten Schalters und

Fig. 6 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdar­ stellung weitere Einzelheiten des Schalters.

Die in Fig. 1 veranschaulichten Schalterbauteile umfassen einen bewegbaren Träger für Schalterkontakte, der allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist, und der als Scheibe aus einem dielektrischen Aluminiumoxyd-Keramikmaterial, bei­ spielsweise Aluminiumoxid, ausgebildet ist.

Der Träger 10 bildet eine Unterlage, auf welcher Schalter­ kontakte, die über Mikrostrips (Streifenleiter) verbunden sind, durch Atzen ausgebildet sind.

Im einzelnen hat der Träger 10 einen mittigen Schalterkontakt 12, der mit dem Träger 10 koaxial angeordnet und über eine Mikrostrip-Leitung 14 mit einem weiteren Schalterkontakt 16 verbunden ist, der sich nahe am Außenumfang des Trägers 10 befindet.

Der Schalterkontakt 16 ist einer von drei Schalterkontakten 16, 18 und 20, die bezüglich des Mittelpunktes des Trägers 10 gleichwinkelig angeordnet sind, d.h. unter einem Winkel von 120°, und die Schalterkontakte 18 und 20 sind über einen Mikrostrip 22 miteinander verbunden.

Unterhalb des Trägers 10 ist eine Scheibe 24 aus dielektri­ schem Material veranschaulicht, deren Zweck weiter unten beschrieben ist, und unter der Scheibe 24 aus dielektri­ schem Material ist ein ortsfester Träger 26 gezeigt, in welchen vier Schalterkontakte 28, 30, 32 und 34 in Form von kreisrunden Stiften eingelassen sind, wobei die Schalter­ kontakte 28, 30, 32 und 34 in Übereinstimmung mit der Anord­ nung der Schalterkontakte 12, 16, 18 und 22 angeordnet sind, d.h. mit dem Schalterkontakt 28 in der Mitte des Trägers 26 und mit den Schalterkontakten 30, 32 und 34 in gleichwinke­ liger Verteilung um den Mittelpunkt des Trägers 26.

Der Träger 26 ist aus einem dielektrischen Material herge­ stellt, beispielsweise aus Rexolite (Warenzeichen), welches auf einer Grundplatte 56 aus Aluminium montiert ist.

Über Koaxialanschlüsse 36 sind die Schalterkontakte 28, 30, 32 und 34 mit entsprechenden Koaxialleitern 38 verbunden.

Die Scheibe 24 aus dielektrischem Material ist zwischen dem Schalterkontaktträger 10 und dem Schalterkontaktträger 26 eingefügt, um einen Verschleiß der Schalterkontakte 28, 30, 32 und 34 durch den Schalterkontaktträger 10 zu vermeiden, wenn sich dieser relativ zum ortsfesten Schalterkontaktträ­ ger 26 während der Schalterbetätigung dreht.

Nachfolgend wird auf die Fig. 4a bis 4c Bezug genommen, die eine Aufsicht auf den Schalterkontaktträger 10 in verschie­ denen Schaltstellungen zeigen. In der in Fig. 4a dargestell­ ten ersten Position stellen die Schalterkontakte 12 und 16 und die sie verbindende Mikrostrip-Übertragungsstrecke 14 eine Verbindung zwischen dem Schalterkontakt 28 und bei­ spielsweise dem Schalterkontakt 30 des ortsfesten Trägers her, während die Schalterkontakte 18 und 20 und der Mikro­ strip 22 die Schalterkontakte 32 und 34 miteinander verbindet.

Es dürfte ohne weiteres deutlich werden, daß die Fig. 4b und 4c zwei andere Schaltzustände darstellen, in welchen verschiedene Schalterkontakte im ortsfesten Träger 26 paarweise miteinander verbunden sind.

In jeder dieser Schaltstellungen wirken die Schalterkon­ takte und Mikrostrips auf dem drehbaren Träger 10 mit den Schalterkontakten im ortsfesten Träger 26 und dem dazwi­ schenliegenden dielektrischen Material zusammen, d.h. dem Material des drehbaren Trägers 10 und demjenigen der Schei­ be 24, um kapazitive Signalverbindungsstrecken zwischen den betreffenden Leitern 38 herzustellen.

Diese kapazitiven Verbindungen werden anhand der Fig. 2 und 3 noch weiter verdeutlicht.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Schalterkontakte 12 und 16 und den sie verbindenden Mikrostrip 14, wobei sich diese zwei Schalterkontakte in einer Schaltstellung befinden, in welcher sie auf die Schalterkontakte 28 bzw. 30 des ortsfesten Trägers 26 ausgerichtet sind.

Die Schalterkontakte 16 und 30 und das dazwischenliegende dielektrische Material, das ist der Schalterkontaktträger 10 und die Scheibe 24, bilden einen Kondensator C 1 und gleichermaßen bilden die Schalterkontakte 17 und 28 einen Kondensator C 2, während der Mikrostrip 14 als Spule dient, über welche Kondensatoren C 1 und C 2 in Reihe geschaltet sind, wie Fig. 3 zeigt. Fig. 3 zeigt ferner parallel zu­ einander geschaltete Kondensatoren Cs.

Es ist ohne weiteres nachvollziehbar, daß der Wert der Ka­ pazitäten C 1 und C 2 durch die Dicke und die dielektrischen Konstanten des Schalterkontaktträgers 10 und der Scheibe 24 sowie durch einen schmalen Luftspalt zwischen dem Schalter­ kontaktträger 10 und der Scheibe 24 bestimmt wird, während der Wert der Induktivität durch die Breite und Länge der Mikrostrip-Übertragungsleitung 14 bestimmt wird.

Die im Schalter verwendeten dielektrischen Materialien sind weltraumgeeignet und das Material des Schalterkontaktträgers 10 ist unter dem Gesichtspunkt ausgewählt, daß es eine hohe dielektrische Konstante, einen guten dielektrischen Verlust­ faktor und ausreichende Wärmeleitfähigkeit sowie geringe Ausgasung aufweist. Die hohe Wärmeleitfähigkeit wird be­ nötigt, um die Wärme abzuleiten, die durch Leitungsver­ luste der auf dem Schalterkontaktträger 10 geätzten Mikro­ strips erzeugt wird, und der Verlustleistungsfaktor ist wichtig, um den Dämpfungsverlust des Schalters möglichst klein zu halten.

Um diese Kriterien zu erfüllen, wird für den Träger 10 in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Aluminiumoxyd ver­ wendet, aber es wird festgehalten, daß auch andere geeig­ nete dielektrische Materialien, so z.B. Berylliumoxid oder Aluminiumnitrid, verwendbar sind.

Die Dicke des ortsfesten Trägers 26 bestimmt den Wert der Induktivität zwischen den Kontaktpunkten. Je dicker der Träger 26 ist, um so höher ist die Impedanz der Übertra­ gungsleitung und um so höher ist die Induktivität. Eine niedere Dielektrizitätskonstante wird für den ortsfesten Träger 26 bevorzugt, um eine gute kapazitive Isolierung zwischen den Schalterkontakten herzustellen, und ein nie­ derer dielektrischer Verlustfaktor ist zur Minimierung des Dämpfungsverlustes erforderlich.

Das zwischen dem drehbaren Träger 10 und dem ortsfesten Trä­ ger 26 angeordnete dielektrische Material 24 verhindert einen mechanischen Verschleiß und einen Hf-Kurzschluß, und es hat auch eine hohe dielektrische Durchschlagsfestig­ keit niedrige Ausgasungskennwerte, einen niedrigen Verlust­ leistungsfaktor und eine kleine Dielektrizitätskonstante. Um diesen Anforderungen zu genügen, wurde im Hinblick auf die leichte Verfügbarkeit ein Kapton (Warenzeichen)-Film verwendet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5, die beispielhaft einen Quer­ schnitt durch den ortsfesten Schalterkontakt 30 zeigt, ist ersichtlich, daß der Schalterkontakt 30 über eine Schraub­ verbindung mit einem mittigen Leiter 40 des betreffenden Koaxialanschlusses 36 verbunden ist. Der bewegbare Schalter­ kontakt 16 ist in einer vertikalen Ausrichtung auf den orts­ festen Schalterkontakt 30 gezeigt.

Weitere Einzelheiten des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung werden aus Fig. 6 ersichtlich, aus welcher eine Grundplatte 56 entnehmbar ist, die mit einer zylindri­ schen Ausnehmung 42 geringer Tiefe zur formschlüssigen Auf­ nahme des ortsfesten Trägers 26 versehen ist.

Der drehbare Schalterkontaktträger 10 ist zwischen die Scheibe 24 aus dielektrischem Material und eine ähnliche Scheibe 44 aus dielektrischem Material eingefügt und auf einem aus Kovar (Warenzeichen) hergestellten Träger 46 ge­ haltert.

Der Träger 46 ist auf einem Innenzylinder 48 gehalten, der drehbar in einem Außenzylinder 50 angeordnet ist, der mit einer Deckplatte 52 und einem Isoliersteg 54 versehen ist.

Wenn im Vorstehenden auch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde, so bedeutet dies nicht, daß die vorliegende Erfindung auf die Merkmale dieses Aus­ führungsbeispiels beschränkt ist, sondern daß sie im Rah­ men der Patentansprüche auch davon abweichende Ausführungs­ formen umfaßt.

Claims (6)

1. Hf-Schalter, bestehend aus einem Paar von Schalterkontakten und Mitteln, auf welche diese Schalterkontakte in der Weise gehalten sind, daß sie in eine und aus einer ge­ schlossenen Position bewegbar sind, in welcher ein Schaltkontakt zwischen den Schalterkontakten herge­ stellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrisches Material zwischen den Schalter­ kontakten (28, 29, 30, 31, 32, 44) angeordnet ist, wobei das dielektrische Material und die Schalterkontakte (28, 29, 30, 31, 32, 34) eine kapazitive Hf-Verbindung zwischen den Schalterkontakten in der geschlossenen Position herstellen.

2. Hf-Schalter, gekennzeichnet durch
mindestens ein erstes und zweites Paar von Schalter­ kontakten;
ein eine Übertragungsleitung zwischen dem ersten Schal­ terkontakte-Paar herstellendes Mittel;
eine Hf-Signalleitungsanordnung, die mit dem zweiten Schalterkontakte-Paar zum Durchlaß von Hf-Signalen zu diesem Schalter hin und von diesem Schalter weg verbunden ist;
ein Mittel, auf welchem das erste Schalterkontakte- Paar in der Weise gehalten ist, daß es in eine und aus einer geschlossenen Stellung bewegbar ist, in welcher ein Schaltkontakt zwischen dem ersten und zweiten Schalterkontakte-Paar hergestellt ist; und
ein dielektrisches Material, welches zwischen dem ersten und zweiten Schalterkontakte-Paar in der Wei­ se eingefügt ist, daß die ersten Schalterkontakte durch das dielektrische Material von den zweiten Schalterkontakten getrennt sind und in der geschlos­ senen Stellung eine kapazitive Hf-Signalstrecke zwi­ schen der Hf-Signalleitungsanordnung bilden.

3. Hf-Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Schalterkontakte-Paare, das die Übertragungsleitung bildende Mittel und das dielektrische Material einen Bandpaßfilter in der ge­ schlossenen Stellung bilden.

4. Hf-Schalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gruppe von bewegbaren Schalterkontakten und ein eine Übertragungsleitung zwischen den Paaren von bewegbaren Schalterkontakten bildendes Mittel vor­ handen sind, daß das dielektrische Material ein Mittel zum Tragen der bewegbaren Schalterkontakte und des die Übertragungsleitung bildenden Mittels zur Bewegung in eine Vielzahl von verschiedenen Schaltstellungen aufweist, und daß eine zweite Gruppe von ortsfesten Schalterkontakten vorhanden ist, daß die ersten und zweiten Gruppen die ersten und zweiten Paare umfassen und daß die ersten durch die Übertragungsleitung ver­ bundenen Paare der ersten Gruppe mit entsprechenden Paaren der zweiten Gruppe in den entsprechenden Schal­ terstellungen zusammenwirken, um zugehörige kapaziti­ ve Hf-Signalstrecken im Schalter zu bilden.

5. Hf-Schalter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material ein Mittel zur beweg­ baren Halterung des ersten Schalterkontakte-Paares sowie ein ortsfestes Schutzmittel aufweist, welches zwischen dem Trägermittel und dem zweiten Schalter­ kontakte-Paar angeordnet ist, um einen Verschleiß des zweiten Schalterkontakte-Paares aufgrund einer Bewegung des Trägermittels zu verhindern.

6. Hf-Schalter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material ein Mittel zur dreh­ baren Halterung des ersten Schalterkontakte-Paares und ein ortsfestes Schutzmittel aufweist, welches zwischen dem Trägermittel und dem zweiten Schalter­ kontakte-Paar angeordnet ist, um einen Verschleiß des zweiten Schalterkontakte-Paares bei einer Be­ wegung des Trägermittels zu verhindern.