DE68906062T2 - Mikrowellenschalter. - Google Patents

Description

• Die Erfindung hat einen Höchstfrequenzschalter zum Gegenstand, der eine Interferenzeinrichtung aufweist, wovon der eine und/oder der andere Zweig in der Lage ist, einen reversiblen Übergang von einem normalen Zustand in einen supraleitenden Zustand auszuführen, wobei die Stellung des Schalters vom jeweiligen Zustand (normal oder supraleitend) der beiden Zweige abhängt. Ein solcher Schalter kann vorteilhaft bei der Verwirklichung von Duplexeinrichtungen von Radarsystemen, von Höchstfrequenz- Phasenschiebern und von Höchstfrequenz-Dämpfern verwendet werden.
• Die Merkmale eines Höchstfrequenzschalters sind insbesondere:
• - seine Betriebsfrequenz (oder -wellenlänge);
• - die Breite des die Betriebsfrequenz einschließenden Durchlaßbandes;
• - die Art und die Größe der durch sein Vorhandensein bewirkten Verluste in einer Höchstfrequenzleitung, wobei dieses Vorhandensein eine (durch einen Welligkeitsfaktor gemessene) teilweise Reflexion, Strahlungsverluste und/oder thermischen Verluste, eine teilweise Abzweigung der über die Leitung übertragenen Energie bewirken kann;
• - seine Schaltzeit zwischen einem "Durchlaß"-Zustand (der einer Schließung des Schalters entspricht) und einem "Sperr"-Zustand (der einer Öffnung des Schalters entspricht), und umgekehrt;
• - sein Leistungsverhalten;
• - seine Abmessungen, seine Zuverlässigkeit, sein Verbrauch und seine Herstellungskosten.
• Es ist bekannt, für einen Höchstfrequenzschalter eine PIN-Diode (die auf allgemein bekannte Weise an Höchstfrequenzsignale angepaßt ist) zu verwenden: wenn sie einer Durchlaß-Vorspannung unterliegt, verhält sie sich wie ein durchlassender Schalter, während sie zu einem gesperrten Schalter analog ist, wenn an sie eine Sperr-Vorspannung angelegt ist. Wie jedoch bekannt, ist die Schaltzeit einer derartigen Diode nach unten begrenzt durch die Zeit, die zur Evakuierung der Minoritätsträger notwendig ist (welche die Träger sind, die zum Durchgang eines Höchstfrequenzstroms den größten Beitrag liefern, wenn die Diode in Durchlaßrichtung vorgespannt ist). Außerdem führt eine in einer Höchstfrequenzleitung angebrachte PIN-Diode einen parasitären Reihenwiderstand ein (ein dem Fachmann bekanntes Phänomen). Schließlich ist das Leistungsverhalten einer derartigen Diode durch den Wert der Durchbruchspannung der Diode nach oben begrenzt.
• Es ist außerdem bekannt, als Höchstfrequenzschalter eine sogenannte "TR"-Röhre zu verwenden (wobei die Bestimmung "TR" eine Abkärzung der englischen Benennung "Transmit-Receive" ist, da dieser Röhrentyp tatsächlich häufig in einer Radarantenne verwendet wird, um bei der Sendung den Empfänger zu isolieren und um eine Ausbreitung der Signale zum Sender beim Empfang zu verhindern). Die Schaltzeit derartiger Röhren ist unglücklicherweise nach unten durch die Zeit begrenzt, die für die Evakuierung und/oder die Beseitigung von ionisierten Atomen und von Elektronen notwendig ist. Außerdem ist dieses Relaxationsphänomen bekanntermaßen nur partiell: die restliche Ionisation des in der Röhre enthaltenen Gases beeinträchtigt die Zuverlässigkeit des Schalters.
• Das Dokument DE-A-1 591 528 beschreibt einen Höchstfrequenzschalter, der eine Interferenzeinrichtung aufweist, wovon ein Zweig, der einen Ferritkern enthält, in der Lage ist, einen reversiblen Übergang von einem normalen Zustand in einen magnetisierten Zustand auszuführen, wodurch für die ihn durchlaufende Welle eine zusätzliche Phasenverschiebung von π eingeführt wird.
• Die Erfindung betrifft einen Höchstfrequenzschalter mit einem in zwei Zweige mit unterschiedlichen Längen aufgeteilten Höchstfrequenzleitungsabschnitt, wobei sich die beiden Zweige anschließend an einem zweiten Abschnitt wieder vereinigen; die Längendifferenz der beiden Zweige im wesentlichen gleich einer ungeraden Anzahl von halben Betriebswellenlängen des Schalters ist; wenigstens einer der beiden Zweige in der Lage ist, in reversibler und gesteuerter Weise von einem normalen Zustand in einen supraleitenden Zustand überzugehen; der Schalter geöffnet (d.h. im gesperrten Zustand) ist, wenn sich die beiden Zweige im selben Zustand befinden, und geschlossen (d.h. im Durchlaßzustand) ist, wenn nicht.
• Die Erfindung hat genauer einen Höchstfrequenzschalter zum Gegenstand, der umfaßt
• - einen ersten Höchstfrequenzleitungsabschnitt,
• - eine Verzweigung des ersten Abschnitts in einen ersten und einen zweiten Höchstfrequenzleitungszweig,
• - eine Vereinigung der beiden Zweige in einen zweiten Höchstfrequenzleitungsabschnitt,
• - Phasenverschiebungsmittel, die gewährleisten, daß Signale, die über jeden der beiden Zweige übertragen und auf der Höhe der Vereinigung wiedervereinigt werden, in Gegenphase gebracht werden,
• - Steuermittel für die Phasenverschiebungsmittel, wobei der Schalter dadurch gekennzeichnet ist, daß:
• - die Phasenverschiebungsmittel aus dem ersten und dem zweiten Zweig gebildet sind, wobei sich die jeweiligen Langen dieser beiden Zweige um einen Betrag unterscheiden, der im wesentlichen gleich einer ungeraden Anzahl von halben Betriebswellenlängen des Schalters ist, wobei wenigstens einer der beiden Zweige in der Lage ist, bei einer kritischen Temperatur in reversibler Weise von einem normalen Zustand in einen supraleitenden Zustand überzugehen,
• - die Steuermittel den Zustand eines oder jedes der beiden Zweige bestimmen, wobei eine Gleichheit bzw. ein Unterschied des Zustands zwischen den beiden Zweigen das Öffnen bzw. das Schließen des Schalters bewirken und wobei die Impedanzen dieser Zweige eine Unterteilung der Leistung in zwei im wesentlichen gleiche Teile an der Stelle der Verzweigung bewirken, wenn die beiden Zweige in dem gleichen Zustand sind.
• Präzisierungen, Besonderheiten und Ausführungsformen der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung mit Hilfe der beigefügten Figuren hervor, von denen:
• - die Fig. 1 eine Teildraufsicht eines Höchstfrequenzschalters gemaß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
• - die Fig. 2 ein schematischer Schnitt des Höchstfrequenzschalters von Fig. 1 ist.
• In diesen beiden Figuren sind einerseits der tatsächliche Maßstab und die Größenverhältnisse der verschiedenen Elemente nicht berücksichtigt, andererseits beziehen sich dieselben Bezugszeichen auf dieselben Elemente.
• Die Fig. 1 zeigt eine Teildraufsicht eines Schalters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, der aus Mikrobandleitungen 1, 2, 3 und 4 hergestellt ist, welche ein (in der Fig. 1 nicht gezeigtes) gemeinsames dielektrisches Substrat und eine (in der Fig. 1 nicht gezeigte) gemeinsame Masseebene besitzen.
• Eine erste Mikrobandleitung 1 (die im folgenden erster Abschnitt genannt wird) ist auf Höhe einer Verzweigung 23 in zwei Mikrobandleitungen 2 und 3 (die im folgenden Zweige 2 und 3 genannt werden) aufgeteilt; die beiden Zweige 2 und 3 sind auf Höhe einer Vereinigung 32 wieder vereinigt, um wieder eine einzige Mikrobandleitung 4 (die im folgenden Abschnitt 4 genannt wird) zu bilden. Die Lange des Zweiges 3 ist größer als diejenige des Zweiges 2, wobei die Langendifferenz zwischen diesen beiden Zweigen im wesentlichen gleich einer ungeraden Anzahl von halben Betriebswellenlängen des Schalters ist.
• Die zentralen Leiter der Abschnitte 1 und 4 und der Zweige 2 und 3 sind aus demselben supraleitenden Material hergestellt, dessen kritische Temperatur Tc (d.h. die Temperatur des reversiblen Übergangs zwischen einem "normalen" Zustand und einem "supraleitenden" Zustand des Materials) vorzugsweise größer als 30 K ist; beispielsweise sind supraleitende Materialien bekannt, deren kritische Temperatur Tc zwischen 30 K und 95 K enthalten ist: dies sind beispielsweise Kupferoxide. Der Betrieb des (im folgenden erläuterten) Schalters bewirkt die Supraleitfähigkeit nur in dem einen der beiden Zweigen 2 oder 3, die zentralen Leiter der vier Abschnitte 1 und 4 oder Zweige 2 und 3 sind jedoch vorteilhaft aus demselben Material hergestellt, um das Auftreten von Verlusten insbesondere durch die Reflexion auf Höhe der Übergänge zwischen den verschiedenen Materialien zu vermeiden und um die industrielle Herstellung des den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Schalters zu vereinfachen.
• Die (in der Fig. 1 nicht gezeigte) gemeinsame Masseebene ist vorzugsweise aus demselben Material wie die zentralen Leiter verwirklicht, um die Herstellung des hier beschriebenen Schalters zu vereinfachen. Die Wahl des die gemeinsame Masseebene bildenden Materials gehört in jedem Fall zum Aufgabenbereich des Fachmanns, der gleichzeitig im Bereich der Höchstfrequenzleitungen und im Bereich der Supraleitfähigkeit qualifiziert ist.
• Der hier beschriebene Schalter ist außerdem mit Mitteln zum Steuern des Zustandes (normal oder supraleitend) des Materials, das den zentralen Leiter des Zweiges 2 und/oder (entsprechend der gewünschten Betriebsweise, wobei die verschiedenen Betriebsweisen des Schalters im folgenden beschrieben werden) denjenigen des Zweiges 3 bildet; wenn der Zustand eines jeden der beiden Zweige 2 und 3 gesteuert werden kann, sind die Mittel zum Steuern des Zustandes eines jeden dieser beiden Zweige unabhängig. In dem Fall, in dem auch die gemeinsame Masseebene aus einem supraleitenden Material verwirklicht ist, steuern dieselben Steuermittel den Zustand (normal oder supraleitend) des Teils der Masseebene, der sich im wesentlichen gegenüber dem zentralen Leiter des Zweiges 2 und/oder (wie weiter oben beschrieben worden ist) demjenigen des Zweiges 3 befindet.
• Gemaß einer ersten Betriebsart des hier beschriebenen Schalters wird die Öffnung des Schalters (d.h. das Versetzen des Schalters in einen gesperrten Zustand) dadurch verwirklicht, daß der Zweig 2 und der Zweig 3 gleichzeitig supraleitend gemacht werden (d.h., daß die jeweiligen zentralen Leiter der Zweige 2 und 3 und eventuell die gegenüber diesen Zweigen sich befindenden Teile der gemeinsamen Masseebene in einen supraleitenden Zustand versetzt werden): ein entlang des Abschnittes 1 zur Verzweigung 23 sich ausbreitendes Höchstfrequenzsignal läßt nämlich zwei Signale entstehen, die sich entlang den Zweigen 2 bzw. 3 ausbreiten und sich auf Höhe der Vereinigung 32 in Gegenphase befinden; vermittels einer geeigneten Anpassung der jeweiligen Impedanzen der Zweige 2 und 3 (eine solche Anpassung kann vom Fachmann leicht verwirklicht werden: sie zielt insbesondere darauf, am Ort der Verzweigung (23) eine Unterteilung der Leistung in zwei im wesentlichen gleiche Teile zu erhalten; sie ist in Fig. 1 durch die Tatsache schematisch angegeben, daß der zentrale Leiter der Leitung 2 schmäler als deijenige der Leitung 3 ist) treffen die beiden genannten Signale auf Höhe der Vereinigung 32 außerdem mit im wesentlichen gleichen Amplituden zusammen; die relativen Phasen und Amplituden dieser beiden Signale verhindern jede Ausbreitung eines Signals entlang des Abschnittes 4, wenn sie sich von der Vereinigung 32 entfernen: der Schalter ist geöffnet. Um den Schalter zu schließen (d.h. um ihn in den Durchlaßzustand zu versetzen) wird einer der Zweige 2 oder 3, beispielsweise der Zweig 2 zu einem Übergang in einen normalen Zustand veranlaßt (indem die weiter oben erwähnten und im folgenden beschriebenen Steuermittel betätigt werden): der ("supraleitendet") Zweig 3 schließt dann den ("normalen") Zweig 2 kurz; genauer breitet sich ein Höchstfrequenzsignal entlang dem Abschnitt 1 zur Verzweigung 23 aus, geht im wesentlichen vollständig in den Zweig 3, breitet sich entlang dieses Zweiges 3 aus, durchläuft die Vereinigung 32 und breitet sich dann entlang des Abschnittes 4 aus, indem es sich von dieser Vereinigung 32 entfernt: der Schalter ist geschlossen.
• Gemäß einer zweiten Betriebsart des momentan beschriebenen Schalters ist der Schalter geöffnet, wenn die Zweige 2 und 3 beide in normalen Zuständen sind: der Schalter verhält sich dann mittels einer Anpassung der jeweiligen Impedanzen der Zweige 2 und 3, die wegen höherer Verluste entlang den Zweigen 2 und 3 größer sind, im wesentlichen auf die gleiche Weise wie wenn die Zweige 2 und 3 jeweils supraleitend wären (was der oben beschriebenen ersten Betriebsart entspricht). Um den Schalter zu schließen, wird einer der Zweige 2 oder 3, beispielsweise der Zweig 3, zu einem Übergang in einen supraleitenden Zustand veranlaßt, wobei dieser Zweig 3 dann den Zweig 2 kurzschließt.
• Die Fig. 2, die eine schematische Schnittansicht entlang der Linie AA von Fig. 1 des Höchstfrequenzschalters dieser Fig. 1 ist, zeigt eine Ausführungsform der Mittel zum Steuern des Zustandes (normal oder supraleitend) des Zweiges 2 und/oder des Zweiges 3. Diese Mittel enthalten zwei Elektromagneten 13 und 14, die unabhängig sind (d.h. die unabhängig voneinander versorgt werden). Wie bekannt, enthält der Elektromagnet 13 (bzw. 14) einen Weicheisenstab 7 (bzw. 8), der so gebogen ist, daß er eine nicht geschlossene Schleife bildet, deren Enden 15 und 16 (bzw. 17 und 18) jeweils von Wicklungen 11 und 9 (bzw. 12 und 10) umgeben sind und um den Zweig 3 (bzw. 2) angordnet sind; mit anderen Worten befindet sich der Zweig 3 (bzw. 2) im Luftspalt 19 (bzw. 20) des Elektromagneten 13 (bzw. 14).
• In dieser Fig. 2 sind außerdem die gemeinsame Masseebene 6 und das gemeinsame dielektrische Substrat 5, die in der Beschreibung von Fig. 1 erwähnt sind, gezeigt.
• Die Elektromagneten 13 und 14 gestatten im Bereich der Zweige 3 bzw. 2 das Anlegen eines Magnetfeldes, das im wesentlichen gleichmäßig ist und sich mit der Zeit verändern kann, d.h. nicht konstant ist; die Veränderung dieses Magnetfeldes erzeugt eine Veränderung der kritischen Temperatur Tc in jedem der Zweige 3 und 2. Es ist somit möglich, die kritische Temperatur Tc eines gegebenen Zweiges unter die Temperatur T abzusenken, bei der der Schalter arbeitet (die beispielsweise diejenige von flüssigem Stickstoff sein kann), und somit den Zweig "normal" zu machen; umgekehrt kann die kritische Temperatur Tc eines gegebenen Zweiges über die Temperatur T, auf der sich der Schalter befindet, angehoben werden, so daß der Zweig "supraleitend" gemacht wird.
• Anstatt der Veränderung von Tc in der Umgebung von T, wie dies im vorhergehenden Abschnitt erläutert worden ist, kann auch T in der Umgebung von Tc verändert werden (was vom theoretischen Standpunkt aus einfacher, in der Praxis jedoch schwieriger zu verwirklichen ist, wie dem Fachmann bekannt ist): dieses Mittel zum Steuern des Zustandes (normal oder supraleitend) des einen und/oder des anderen Zweiges fällt in den Umfang der Erfindung.
• Die Erfindung deckt außerdem einen Schalter ab, der zu dem obenbeschriebenen Schalter analog ist, jedoch aus Wellenleitern, aus Koaxialleitungen oder aus jedem anderen Höchstfrequenzleitungstyp mit verteilten Leitungskonstanten oder mit diskreten Leitungskonstanten (und nicht mehr aus Mikrobandleitungen) hergestellt ist. Wellenleiter, die mit einem supraleitenden Material überzogene Innenwände aufweisen, sind tatsächlich bekannt: je nach dem Zustand, normal oder supraleitend, des Materials werden die Leiter im Hinblick auf die Ausbreitung eines Höchstfrequenzsignals ebenfalls "normal" oder "supraleitend" genannt. Ein solcher Schalter enthält z.B.:
• - einen ersten Wellenleiter (der den ersten Abschnitt 1 bildet);
• - ein erstes paralleles T-Kopplungsstück (das die Verzweigung 23 bildet);
• - zwei Wellenleiterteile (die die Zweige 2 bzw. 3 bilden);
• - ein zweites paralleles T-Kopplungsstück (das die Vereinigung 32 bildet);
• - einen zweiten Wellenieiter (der den zweiten Abschnitt 4 bildet).
• Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims (8)

1. Höchstfrequenzschalter mit:

- einem ersten Höchstfrequenzleitungsabschnitt (1),

- einer Verzweigung (23) des ersten Abschnitts (1) in einen ersten und einen zweiten Höchstfrequenzleitungszweig (2, 3),

- einer Vereinigung (32) der beiden Zweige (2, 3) in einen zweiten Höchstfrequenzleitungsabschnitt (4),

- Phasenverschiebungsmitteln (2, 3), die gewährleisten, daß Signale, die über jeden der beiden Zweige übertragen und auf der Höhe der Vereinigung (32) wiedervereinigt werden, in Gegenphase gebracht werden,

- Steuennitteln (13, 14) für die Phasenverschiebungsmittel (2, 3), wobei der Schalter dadurch gekennzeichnet ist, daß:

- die Phasenverschiebungsmittel (2, 3) aus dem ersten und dem zweiten Zweig (2, 3) gebildet sind, wobei sich die jeweiligen Längen dieser beiden Zweige um einen Betrag unterscheiden, der im wesentlichen gleich einer ungeraden Anzahl von halben Betriebswellenlängen des Schalters ist, wobei wenigstens einer der beiden Zweige (2; 3; 2, 3) in der Lage ist, bei einer kritischen Temperatur (Tc) in reversibler Weise von einem normalen Zustand in einen supraleitenden Zustand überzugehen,

- die Steuermittel (13, 14) den Zustand eines oder jedes der beiden Zweige (2; 3; 2, 3) bestimmen, wobei eine Gleichheit bzw. ein Unterschied des Zustands zwischen den beiden Zweigen das Öffnen bzw. das Schließen des Schalters bewirken und wobei die Impedanzen dieser Zweige (2, 3) eine Unterteilung der Leistung in zwei im wesentlichen gleiche Teile an der Stelle der Verzweigung (23) bewirken, wenn die beiden Zweige in dem gleichen Zustand sind.

2. Höchstfrequenzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (13, 14) das Anlegen eines veränderlichen Magnetfelds an einen oder an jeden der beiden Zweige bewirken, wobei dieses Anlegen die kritische Temperatur (Tc) des betreffenden Zweiges oder der betreffenden Zweige verändert, was den reversiblen Übergang von einem normalen Zustand in einen supraleitenden Zustand des betreffenden Zweiges oder der betreffenden Zweige ohne Änderung von deren Temperatur bewirkt.

3. Höchstfrequenzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (13, 14) zwei unabhängige Elektromagnete (13, 14) enthalten, deren jeweilige Luftspalte die beiden Zweige (2, 3) umgeben.

4. Höchstfrequenzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (13, 14) eine Änderung der Temperatur eines oder jedes der beiden Zweige um die kritische Temperatur (Tc) ohne deren Änderung bewirken.

5. Höchstfrequenzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er geöffnet ist, wenn die beiden Zweige (2, 3) in einem normalen Zustand sind.

6. Höchstfrequenzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er geöffnet ist, wenn die beiden Zweige (2, 3) in einem supraleitenden Zustand sind.

7. Höchstfrequenzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höchstfrequenzleitungsabschnitte (1, 4) und die Höchstfrequenzleitungszweige (2, 3) Mikrobandleitungen sind.

8. Höchstfrequenzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Höchstfrequenzleitungsabschnitte (1, 4) und die Höchstfrequenzleitungszweige (2, 3) Wellenleiter sind;

- die Verzweigung (23) und die Vereinigung (32) parallele T-Kopplungsstücke sind.