DE69730546T2

DE69730546T2 - Durch Plasma getriggerter Mikrowellenschalter und Schaltungsverfahren

Info

Publication number: DE69730546T2
Application number: DE69730546T
Authority: DE
Inventors: Dan M. Tarzana Goebel; Joseph Agoura Hills Santoru; Robert L. Newbury Park Poeschel; John W. Lake Elsinore Gerstenberg
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2017-03-07
Also published as: DE69730546D1; EP0794588B1; EP0794588A2; US5663694A; JPH1031962A; EP0794588A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell Hochleistungs-Mikrowellenschalter.
Mikrowellenschalter verändern ihren Zustand typischerweise in Antwort auf einen Steuerparameter zwischen einem Durchlasszustand und einem reflektierenden Zustand. Die Wahl des Steuerparameters bezieht sich auf die beabsichtigte Verwendung des Mikrowellenschalters.
Beispielsweise werden in Radarsystemen typischerweise Sende/Empfangsschalter ("transmit/receive", T/R) verwendet, um einen Radarempfänger gegenüber reflektierten Signalen von Hochleistungs-Senderimpulsen zu schützen. Bei dieser Anwendung ist es notwendig, dass der Steuerparameter der reflektierte Impuls selbst ist. Demzufolge sind T/R-Schalter generell dazu ausgelegt, in Antwort auf ein auftreffendes Mikrowellensignal, das einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, von ihrem Durchlasszustand in ihren reflektierenden Zustand zu wechseln.
Im Gegensatz hierzu muss ein Mikrowellenschalter zum Richten bzw. Lenken von Mikrowellensignalen in einem Mikrowellennetzwerk auf ein externes Triggersignal ansprechen. Vorzugsweise zeigt ein getriggerter Mikrowellenschalter zur Netzwerkverwendung in seinem Durchlasszustand eine niedrige Einfügungsdämpfung, reflektiert, wenn er in seinem reflektierenden Zu stand ist, ein Signal, und zwar mit einer hohen Phasenstabilität, und wechselt schnell zwischen den zwei Zuständen.
Obgleich die bisherige Arbeit zu getriggerten Mikrowellenschaltern nicht so extensiv war wie die Arbeit an Schaltern vom T/R-Typ, so ist doch eine Vielzahl von getriggerten Schaltern entwickelt worden. Beispielsweise offenbart das US-Patent 3,611,008 einen beispielhaften getriggerten Hohlleiterschalter, der ein Paar von Hauptelektroden und eine Triggerelektrode aufweist. Die Hauptelektroden sind aus einem Metall mit niedrigem Dampfdruck hergestellt, z. B. aus Kupfer, und sind voneinander getrennt, so dass ein Elektrodenspalt gebildet wird. Die Hauptelektroden sind entweder innerhalb eines evakuierten Hohlleiterabschnittes oder innerhalb einer Kammer angeordnet, die mit dem Hohlleiterabschnitt in Verbindung steht. Das Material der Triggerelektrode, z. B. Titanhydrid, enthält ein gespeichertes Gas, z. B. Wasserstoff, und die Triggerelektrode ist gegenüber einer der Hauptelektroden beabstandet.
Im Betrieb wird über die Hauptelektroden ein Potential angelegt, und ein Spannungsimpuls wird an die Triggerelektrode angelegt. Der Impuls initiiert einen Funken, dessen Entladungsenergie freigesetzt wird und einen Teil des gespeicherten Gases ionisiert. Dies reduziert die dielektrische Stärke bzw. Festigkeit in dem Hauptelektrodenspalt, was einen Funken zwischen den Hauptelektroden induziert. Metallionen werden von den Elektroden weg verdampft und ionisiert, um so ein Plasma zu bilden, das den Hohlleiterabschnitt füllt und auftreffende Mikrowellensignale reflektiert. Das Plasma wird so lange aufrecht erhalten, solange das Hauptelektrodenpotential beibehalten wird. Unglücklicherweise neigt der Metalldampf dazu, sich an den Hohlleiterfenstern anzusammeln, was die Einfügungsdämpfung des Hohlleiterschalters vergrößert, wenn dieser sich in seinem Durchlasszustand befindet. Obgleich dieses Problem reduziert werden kann, indem Hohlleitertrennwände eingeführt werden, um den Fluss von Metallionen hin zu den Hohlleiterfenstern zu blockieren, können auch die Trennwände die Einfügungsdämpfung des Schalters vergrößern.
Ein weiterer beispielhafter getriggerter Mikrowellenschalter ist in dem US-Patent 3,903,489 beschrieben. Dieser Schalter weist einen Hohlleiterabschnitt auf, der mit einer gesteuerten Atmosphäre niedrigen Druckes gefüllt wird, die dazu geeignet ist, eine Glimmentladung zu unterstützen. Ein Plasmagenerator weist eine Anode und ein Steuergitter auf, die gegenüberliegende Seiten des Hohlleiterabschnittes bilden, jedoch gegenüber dem Rest des Hohlleiters elektrisch isoliert sind. Diese Anordnung konzentriert das elektrische Feld der Anode in dem Hohlleiterabschnitt, so dass der größte Teil des Feldes verfügbar ist, um Elektronen zu beschleunigen, die die Nachbarschaft des Steuergitters erreichen. Im Betrieb wird ein hochdichtes Plasma durch das elektrische Feld der Anode in den Hohlleiterabschnitt hinein injiziert. Dies versetzt den Hohlleiterabschnitt in einen Zustand hoher Einfügungsdämpfung, so dass ein auftreffendes Mikrowellensignal im Wesentlichen reflektiert wird. Das Plasma wird von einem Triggerimpuls getriggert, der zwischen dem Steuergitter und der Anode angelegt wird. Die Leistung, die benötigt wird, um den Hohlleiterabschnitt in seinem Zustand hoher Einfügungsdämpfung zu halten, wird von dem Plasmagenerator zugeführt.
Wie es durch diese Beispiele gezeigt ist, sind getriggerte Mikrowellenschalter zwar entwickelt worden, sie sind jedoch typischerweise komplex (z. B. US-Patent 3,611,008, das Hauptelektroden, eine Triggerelektrode und isolierende Trennwände beschreibt, und US-Patent 3,903,489, das eine Heizeinrichtung, eine Kathode, ein Steuergitter, eine Anode und fokussierende Strukturen beschreibt), haben Elemente, die typischerweise einen kurzen Lebenszyklus besitzen (z. B. die Elektroden mit niedrigem Dampfdruck des US-Patentes 3,611,008 und die Heizeinrichtung des US-Patentes 3,903,489), und erfordern signifikante Eingangsleistung (z. B. das Hauptelektrodenpotential des US-Patentes 3,611,008 und der Plasmagenerator des US-Patentes 3,903,489).
Ferner offenbart das Dokument US 4,875,022 eine Hochleistungs-Mikrowellenerweiterungseinrichtung ("high-power microwave expander") zum Erzeugen von Hochleistungs-Mikrowellenimpulsen mit schneller Anstiegszeit. Die Erweiterungseinrichtung weist eine Übertragungsleitung auf, in der interne Leiter voneinander getrennt sind, um so einen Zündspalt bereitzustellen. Die Hochleistungs-Mikrowellenimpulse werden erzeugt, wenn über dem Zündspalt ein Lichtbogen erzeugt wird. Der Lichtbogenbildungsschwellenwert kann eingestellt werden, indem der interne Druck der Übertragungsleitung variiert wird, indem ein Gas in die Leitung injiziert wird, und indem freie Elektronen in enger Nachbarschaft zu dem Zündspalt bereitgestellt werden.
Es ist in Anbetracht des Obenstehenden die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum selektiven Richten bzw. Lenken eines Mikrowellensignals entlang eines ersten und eines zweiten Signalpfades, ein verbessertes Verfah ren zum Erhalten bzw. Erzielen einer ausgewählten Phase eines Mikrowellensignals, einen verbesserten triggerbaren Mikrowellenschalter sowie eine verbesserte abstimmbare Mikrowellen-Kurzschlussschaltung anzugeben.
Die obigen Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zum selektiven Richten eines Mikrowellensignals entlang eines ersten und eines zweiten Signalpfads, mit den Schritten: Bereitstellen eines ionisierbaren Gases einer ausgewählten Gattung; Veranlassen, dass das Mikrowellensignal auf das Gas auftrifft, Einstellen des Druckes des Gases, derart, dass das Auftreffen eines Mikrowellensignals aus Keimelektronen in dem Gas ein Plasma mit einer reflektierenden Elektronendichte erzeugen wird, die hinreichend ist, um das Mikrowellensignal aus dem Plasma heraus zu reflektieren, und selektives Erzeugen der Keimelektronen in dem Gas, um das Mikrowellensignal entlang eines ersten Signalpfades weg von dem Plasma zu richten, oder Unterlassen des Erzeugens der Keimelektronen, um das Mikrowellensignal entlang eines zweiten Signalpfades durch das Gas hindurch zu richten.
Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Erhalten bzw. Erzielen einer ausgewählten Phase eines Mikrowellensignals, mit den Schritten: Bereitstellen eines ionisierbaren Gases einer ausgewählten Gattung, Unterteilen des Gases in Gaskammern, die seriell miteinander verbunden sind, derart, dass sie jeweils von einem Eingangsport aus eine unterschiedliche Pfadlänge aufweisen, Veranlassen, dass das Mikrowellensignal auf den Eingangsport auftrifft, Auswählen eines Druckes des Gases, derart, dass das Auftreffen eines Mikrowellensignals in dem Gas aus Keimelektronen ein Plasma mit einer reflektierenden Elektronendichte erzeugen wird, die hinreichend ist, um das Mikrowellensignal aus dem Plasma heraus zu reflektieren, und Erzeugen von Keimelektronen in einer ausgewählten Kammer der Gaskammern, um das Mikrowellensignal entlang eines ausgewählten Signalpfades aus jener Gaskammer hin zu dem Eingangsport zu reflektieren, und zwar mit einer Phase, die dem ausgewählten Signalpfad zugeordnet ist.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch einen triggerbaren Mikrowellenschalter zum selektiven Richten bzw. Lenken eines Mikrowellensignals entlang eines ersten und eines zweiten Signalpfades, mit einem Mikrowellenübertragungsglied, einer Mikrowellenkammer, die von dem Übertragungsglied gebildet ist, zum Aufnehmen eines ionisierbaren Gases, einem Eingangs- und einem Ausgangsport, die durch das Übertragungsglied gebildet sind, um eine Verbindung mit der Mikrowellenkammer einzurichten, einem getriggerten Plasmagenerator, der dazu konfiguriert ist, in Antwort auf ein Spannungstriggersignal eine Triggerelektronendichte in dem Gas zu erzeugen, wobei das Mikrowellensignal von dem Eingangsport entlang eines ersten Pfades reflektiert wird, wenn die Triggerelektronendichte vorhanden ist, und entlang eines zweiten Pfades zu dem Ausgangsport gerichtet wird, wenn die Triggerelektronendichte nicht vorhanden ist.
Schließlich wird die obige Aufgabe gelöst durch eine abstimmbare Mikrowellen-Kurzschlussleitung mit einer Vielzahl von Mikrowellenschaltern, wobei jeder der Schalter einen Eingangsport und einen Ausgangsport aufweist und dazu konfiguriert ist, selektiv ein Mikrowellensignal von seinem Eingangsport zu reflektieren bzw. das Mikrowellensignal von seinem Eingangsport zu seinem Ausgangsport zu übertragen, und zwar in Antwort auf ein Triggersignal, mit einem Eintrittsport, der durch den Eingangsport eines ersten Schalters der Schalter gebildet ist, wobei die Schalter seriell miteinander verbunden sind, so dass die Eingangsports der anderen Schalter um eine unterschiedliche Pfadlänge von dem ersten Schalter beabstandet sind, und mit einem Triggerplasmagenerator, der dazu konfiguriert ist, in Antwort auf ein Spannungstriggersignal ein Triggersignal zu erzeugen, das selektiv an unterschiedliche Schalter der Schalter angelegt wird, so dass in dem jeweiligen Mikrowellenschalter eine Triggerelektronendichte erzeugt wird, um zu veranlassen, dass ein an dem Eintrittsport empfangenes Mikrowellensignal unterschiedliche Pfadlängen lang wandert, bis es zu dem Eintrittsport zurückreflektiert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft generell einen einfachen, schnellen, kostengünstigen getriggerten Mikrowellenschalter, der insbesondere geeignet ist zum Steuern des Ausbreitungspfades von Hochleistungs-Mikrowellensignalen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Mikrowellenschalter, der mit einem Triggerimpuls niedriger Energie (z. B. < 0,1 Joule) mit Raten deutlich über 100 Hz geschaltet werden kann und dessen Elemente durch den Schaltprozess nicht verbraucht werden, noch sich an anderen Schalterelementen, z. B. Vakuumfenstern, ablagern, wodurch sie das Leistungsvermögen des Schalters verschlechtern würden.
Diese Ziele werden gelöst, indem erkannt wird, dass ein Hochleistungs-Mikrowellensignal, das auf ein ionisierbares Gas auftrifft, ein Plasma hoher Dichte in jenem Gas erzeugt, wenn in dem Gas hinreichend Keimelektronen vorhanden sind. Im Gegensatz hierzu wird dann, wenn keine Keimelektronen vorhanden sind, von dem Mikrowellensignal kein Plasma erzeugt. Demzufolge kann das Mikrowellensignal entlang unterschiedlicher Signalpfade gerichtet bzw. gelenkt werden, indem das Vorhandensein von Keimelektronen in einem ionisierbaren Gas gesteuert wird. Es wird ferner erkannt, dass der Druck des ionisierbaren Gases eingestellt werden kann, um eine zusätzliche Plasmaerzeugung aus den Keimelektronen durch das einfallende Mikrowellensignal zu erleichtern.
Eine Ausführungsform eines triggerbaren Mikrowellenschalters weist ein Mikrowellenübertragungsglied auf, das eine Mikrowellenkammer zum Aufnehmen eines ionisierbaren Gases, einen Eingangs- und einen Ausgangsport, die mit der Mikrowellenkammer in Verbindung stehen, und einen getriggerten Plasmagenerator aufweist. Der getriggerte Plasmagenerator ist dazu konfiguriert, um in Antwort auf ein Spannungstriggersignal eine Triggerelektronendichte N_t zu erzeugen, wobei diese Dichte für das Vorhandensein von hinreichend Keimelektronen repräsentativ ist. Das einfallende Mikrowellensignal erhöht die Triggerelektronendichte N_t auf eine reflektierende Elektronendichte N_r. Demzufolge wird das Mikrowellensignal von dem Eingangsport entlang eines ersten Pfades reflektiert, wenn die Triggerelektronendichte N_t vorhanden ist, und wird entlang eines zweiten Pfades hin zu dem Ausgangsport gerichtet, wenn die Triggerelektronendichte N_t nicht vorhanden ist.
Der getriggerte Plasmagenerator kann eine Elektrode aufweisen, die sich in die Mikrowellenkammer hinein erstreckt und dazu angeordnet ist, um das Spannungstriggersignal zu empfangen. Die Elektrode ist vorzugsweise aus einem feuerfesten Metall gebildet und weist vorzugsweise einen Durchmesser von < 600 Mikrometer auf. Ein weiterer getriggerter Plasmagenerator ist dazu konfiguriert, Ultraviolettstrahlung in die Mikrowellenkammer hinein zu richten, und zwar zum Zwecke der Photoionisierung des Gases.
Eine Vielzahl von getriggerten Mikrowellenschaltern der Erfindung kann dazu verwendet werden, um eine abstimmbare Kurzschlussleitung zu bilden. In einer abstimmbaren Kurzschlussleitung ist ein Eintrittsport durch den Eingangsport eines ersten Schalters gebildet, und sämtliche Schalter sind seriell verbunden, so dass die Eingangsports der anderen Schalter jeweils um eine unterschiedliche Pfadlänge von dem ersten Schalter beabstandet sind. Das selektive Anwenden eines Triggersignals auf unterschiedliche Schalter ruft hervor, dass ein Mikrowellensignal, das an dem Eintrittsport empfangen wird, unterschiedliche Pfadlängen durchläuft, bevor es zu dem Eintrittsport zurückreflektiert wird.
Die neuen Merkmale der Erfindung sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt. Die Erfindung lässt sich am besten aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung verstehen.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Mikrowellenschalters mit getriggertem Plasma gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Draufsicht auf ein Mikrowellenschaltersystem, das den Mikrowellenschalter mit getriggertem Plasma der 1 enthält;
3 ist eine Draufsicht auf einen Teil des Schalters mit getriggertem Plasma der 2, wobei eine erste Ausführungsform eines Triggerplasmagenerators durch eine zweite Ausführungsform eines Triggerplasmagenerators ersetzt worden ist;
4 ist eine Ansicht entlang der Ebene 4-4 von 3;
5A und 5B stellen jeweils einen Triggerimpuls und ein einfallendes Mikrowellensignal dar, die auf einen Prototyp des Mikrowellenschalters mit getriggertem Plasma der 1 angewendet wurden;
5C und 5D stellen jeweils ein durchgelassenes bzw. ein reflektiertes Mikrowellensignal in bzw. aus einem Prototyp des Mikrowellenschalters mit getriggertem Plasma der 1 dar, und zwar in Antwort auf den Triggerimpuls und das einfallende Mikrowellensignal der 5A und 5B;
6 ist eine Draufsicht auf ein Mikrowellenschaltsystem, das den Mikrowellenschalter mit getriggertem Plasma der 1 aufweist;
7 ist eine Seitenansicht einer abstimmbaren Kurzschlussleitung, die den Mikrowellenschalter mit getriggertem Plasma der 1 aufweist;
8 ist eine vergrößerte Ansicht der Struktur innerhalb der gekrümmten Linie 8 der 7;
9 ist ein Diagramm der gemessenen Phasenstabilität in einem Prototyp der abstimmbaren Kurzschlussleitung der 7; und
10 ist eine Seitenansicht eines Plasma-unterstützten Mikrowellenoszillators, der die abstimmbare Kurzschlussleitung der 7 beinhaltet.
Ein Mikrowellenschalter 20 mit getriggertem Plasma zum Richten bzw. Lenken eines Mikrowellensignals entlang ausgewählter Signalpfade ist in den 1 und 2 gezeigt. Der Schalter 20 weist ein Mikrowellenübertragungsglied in der Form eines rechteckigen Hohlleiters 22 und einen getriggerten Plasmagenerator bzw. Triggerplasmagenerator 24 auf. Das Übertragungsglied 22 besitzt gegenüberliegende Enden, die einen Eingangsport 26 bzw. einen Ausgangsport 28 bilden. An jedem Port ist das Übertragungsglied 22 mit einem Vakuumfenster 29 abgedichtet, das aus einem Material, z. B. Pyrex oder Quarz, gebildet ist, dessen Betriebsparameter eine geringe Mikrowellendämpfung, eine niedrige Dielektrizitätskonstante, eine gute mechanische Festigkeit und eine exzellente Vakuumabdichtungsfähigkeit beinhalten.
Mit Hilfe der Vakuumfenster 29 bildet das Übertragungsglied 22 eine Mikrowellenkammer 30 zum Aufnehmen eines ionisierbaren Gases 32, z. B. Wasserstoff, Helium oder Argon, und die Ports 26, 26 stehen mit der Kammer 30 in Verbindung. An jedem Port sind Flansche 33 angeordnet, um die Installation des Vakuumfensters 29 zu vereinfachen und um den Schalter 20 mit Übertragungsgliedern eines Mikrowellensystems zu verbinden, z. B. den Gliedern 34, die in 2 gestrichelt dargestellt sind.
Der Triggerplasmagenerator 24 weist eine Elektrode 36 auf, die sich in die Kammer 30 hinein erstreckt. Da das elektrische Feld eines Mikrowellensignals, das sich durch das Übertragungsglied 22 hindurch ausbreitet, typischerweise parallel zu den Schmalseiten 38 des Übertragungsglieds ausgerichtet ist, ist die Elektrode 36 vorzugsweise parallel zu den Breitseiten 40 des Übertragungsglieds angeordnet, um deren Störwirkung auf das Mikrowellensignal zu verringern. Die Elektrode 36 weist vorzugsweise einen kleinen Querschnitt auf, z. B. ~250 Mikrometer im Durchmesser, um ihre Plasmatriggerfunktion zu erleichtern, und ist aus einem feuerfesten Metall, z. B. Wolfram, gebildet, um ihre Wärmewiderstandsfähigkeit zu steigern. Sie ist gegenüber der Schmalseite 38 mittels einer Buchse 42 elektrisch isoliert, die aus einem Hochspannungsisolator gebildet ist, z. B. aus einer Keramik.
Die Kammer 30 kann evakuiert und mit dem ionisierbaren Gas 32 gefüllt werden, und zwar auf jede beliebige herkömmliche Art und Weise. Beispielsweise kann eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) mit der Kammer 30 über einen Abpumpport 48 verbunden werden, der mit der Kammer über eine kleine Öffnung in einer der Schmalseiten 38 des Übertragungsgliedes in Verbindung steht. Der Abpumpport 48 ist mit einem Druckmessgerät 49 ausgestattet und ist mit einem Vakuumventil (nicht gezeigt) verbunden.
Nach der Evakuierung kann die Kammer 30 auf herkömmliche Art und Weise bis zu einem vorbestimmten Druck mit einem ausgewählten ionisierbaren Gas gefüllt werden. Der Gleichgewichts- Gasdruck wird bestimmt durch die Gaseinlassrate und die Gaspumprate, die gesteuert wird durch Verwenden eines Vakuumventils, um den Gasfluss aus der Kammer 30 heraus zu drosseln. Diese Anordnung ermöglicht, dass kontinuierlich ein kleines Gasvolumen aus der Kammer 30 herausgepumpt wird.
Alternativ hierzu kann dieses aktive Pumpsystem durch ein einfaches, herkömmliches thermionisches Gasreservoir (nicht gezeigt) ersetzt werden, das mit der Kammer 30 gekoppelt ist. Wenn das ausgewählte Gas beispielsweise Wasserstoff ist, kann ein thermionisches Zirkonium-Aluminium-Reservoir verwendet werden. Vor der Verwendung wird das Reservoir verarbeitet, um Wasserstoffatome zu absorbieren. Nach seiner Installation in dem Schalter 20 steht die Emittanzrate von Wasserstoffatomen funktional mit der Temperatur in Beziehung, auf die das Reservoir erwärmt wird.
Im Betrieb spricht der Mikrowellenschalter 20 mit getriggertem Plasma auf ein Triggersignal an, das an dessen Triggerplasmagenerator 24 angelegt wird. Wenn das Triggersignal nicht vorhanden ist, lässt der Schalter 20 ein einfallendes Mikrowellensignal 50 (gezeigt in 1 und 2) von dem Eingangsport 26 des Schalters zu dem Ausgangsport 28 des Schalters durch. Bei Vorhandensein des Triggersignals reflektiert der Schalter 20 das einfallende Mikrowellensignal 50 an dem Eingangsport 26 des Schalters. Eine detailliertere Beschreibung des Betriebs des Mikrowellenschalters 20 mit getriggertem Plasma wird aufgewertet, indem man dieser Beschreibung die nachstehende Beschreibung der Beziehung zwischen den Mikrowellengrenzfrequenzen in dem Schalter 20 und der Dichte eines Plasmas vorangehen lässt, das durch Ionisierung des ionisierbaren Gases 32 gebildet wird.
Wenn das Mikrowellensignal 50 mit einer Winkelfrequenz ω an dem Eingangsport 26 des Übertragungsgliedes 22 empfangen wird und das Übertragungsglied mit einem Plasma gefüllt ist, lässt sich die Ausbreitung des Signals durch die bekannte Dispersionsgleichung für ein kollisionsfreies Plasma beschreiben. ω2 = ωc 2 + ωp 2 + k2c2 (1)wobei ω_c die Grenzwinkelfrequenz des Übertragungsgliedes 22 ist, wobei ω_p die Plasmawinkelfrequenz ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, und wobei k = (2π)/λ die Wellenzahl ist (wobei λ die Wellenlänge des einfallenden Mikrowellensignals im freien Raum ist). Die Grenzwinkelfrequenz ω_c des Übertragungsglieds ist eine Funktion der physikalischen Parameter des Übertragungsglieds. Beispielsweise in einem rechteckigen Hohlleiter, bei dem die Breitseiten (Wände 40 in den 1 und 2) eine Abmessung a besitzen, ist die Grenzwinkelfrequenz ω_c ~ πc/a für den Ausbreitungsmodus TE₁₀.
Im Gegensatz hierzu ist die Plasmawinkelfrequenz ω_p generell eine Funktion der Elektronendichte des Plasmas. Sie ist gegeben durch
wobei N die Anzahl der Elektronen pro Einheitsvolumen ist, wobei e und m die Elektronenladung bzw. die Elektronenmasse sind, und wobei ε₀ die Durchlassfähigkeit bzw. Permittivität ("permittivity") im freien Raum ist. Gleichung (1) lässt sich wie folgt umschreiben ω2 – (ωc 2 + ωp 2) = k2c2. (3)
Gleichung (3) gibt an, dass ein Mikrowellensignal mit einer Winkelfrequenz ω sich durch das Übertragungsglied mit einer Wellenlänge ~(2πc)/ω ausbreitet, wenn ω² >> (ω_c ² + ω_p ²). Wenn die Plasmawinkelfrequenz ω_p jedoch erhöht wird (durch Erhöhen der Elektronendichte N in Gleichung (2)), dann verringert sich der Wert auf der linken Seite der Gleichung (3) in Richtung auf Null. Da c konstant ist, bedeutet dies, dass die Wellenlänge des Mikrowellensignals 50 nach unendlich hin ansteigt, so dass die Signalausbreitung in dem Übertragungsglied 22 endet, wenn ω = (ω_c ² + ω_p ²)^1/2.
Die Signalausbreitung durch den Schalter 20 hindurch lässt sich auch im Hinblick auf die Ausbreitungskonstante des Mikrowellensignals schreiben bzw. darstellen, die sich ausdrücken lässt zu Ex = ejγz, (4)wobei z eine Koordinatenrichtung im Raum entlang des Übertragungsgliedes von dem Eingangsport 26 zu dem Ausgangsport 28 ist, wobei x eine Koordinatenrichtung senkrecht zu z ist (z. B. parallel zu den Schmalseiten 38 des Übertragungsgliedes 22), und wobei die Signalausbreitungskonstante γ gegeben ist durch
Wenn die Plasmawinkelfrequenz ω_p hinreichend klein ist, so dass der Ausdruck ω_c ² + ω_p2 kleiner ist als der Ausdruck ω², ist die Ausbreitungskonstante ~ω/c, und Gleichung (4) wird zu
wobei es sich um die Gleichung eines sich entlang der z-Koordinate ausbreitenden Signals handelt (es wird nunmehr angenommen, dass die Grenzwinkelfrequenz ω_c sehr viel kleiner ist als die Mikrowellenwinkelfrequenz ω). In diesem Fall wird das einfallende Signal 50 durch den Mikrowellenschalter 20 hindurch zu dem Ausgangsport 28 übertragen.
Wenn im Gegensatz hierzu ω_p die Winkelfrequenz ω des einfallenden Mikrowellensignals 50 übersteigt, wird die Ausbreitungskonstante der Gleichung (5) imaginär, und Gleichung (4) wird zu Ex = e–kz,wobei k eine Konstante ist. Dies ist die Gleichung eines Signals, das gedämpft wird, wenn es sich entlang der z-Koordinate ausbreitet. Wenn ω_p >> ω ist, ist die Konstante k groß, was eine schnelle Dämpfung anzeigt. Da das einfallende Signal 50 nicht übertragen wird, erfordern die Randbedingungen an dem Eingangsport 26 ein zweites Signal, das sich entgegengesetzt zu dem einfallenden Signal hin ausbreitet, d. h. das einfallende Signal 50 wird von dem bzw. an dem Eingangsport 26 reflektiert.
Wenn demzufolge die Plasmawinkelfrequenz ω_p die Winkelfrequenz ω des einfallenden Mikrowellensignals 50 in den 1 und 2 überschreitet, wird das Signal 50 von dem Übertragungsglied 22 reflektiert. Insbesondere wird es an der Stirnseite 52 des Plasmas reflektiert, die sich direkt hinter dem Vakuumfenster 29 in 1 befindet (die Plasmafläche 52 ist identisch mit der Fläche bzw. Stirnseite des ionisierbaren Gases 32). Wenn die Plasmawinkelfrequenz ω_p im Gegensatz hierzu sehr viel kleiner ist als die Winkelfrequenz ω eines einfallenden Mikrowellensignals, wird das einfallende Signal 50 durch das Übertragungsglied 22 hindurch übertragen, und zwar mit wenig oder keiner Dämpfung.
Der Mikrowellenschalter 20 mit getriggertem Plasma der 1 und 2 ist dazu strukturiert, die Erzeugung eines Triggerplasmas innerhalb der Kammer 30 zu steuern und mittels dieser Steuerung ein einfallendes Mikrowellensignal 50 selektiv an dem Eingangsport 26 zwischen Übertragung hin zu dem Ausgangsport 28 und Reflektion weg von dem Eingangsport 26 umzuschalten.
Im Betrieb des Schalters 20 wird eine Gattung ("species") eines ionisierbaren Gases ausgewählt. Das Gas 32 weist eine Ionisierungsenergie U_i auf und lässt sich mit dem Trigger plasmagenerator 24 ionisieren, um eine Triggerdichte N_t von Keimelektronen zu erzeugen, d. h. ein Plasma zu triggern. Die Leistung des einfallenden Signals 50 wird so ausgewählt, dass sie sich in einem Leistungsbereich P_i befindet, wobei das elektrische Feld hinreichend ist, um die Keimelektronen auf eine Energie E_e zu beschleunigen, die größer oder gleich der Ionisierungsenergie U_i ist. Schließlich wird der Druck des Gases 32 so ausgewählt, dass er sich in einem Druckbereich ΔPr_g befindet, der den Prozess der weiteren Gasionisierung durch das einfallende Signal 50 steigert.
Wenn der Gasdruck sich unterhalb des Druckbereiches ΔPr_g befindet, ist die Molekülpopulation des Gases so gering, dass keine Kollisionen mit den beschleunigten Keimelektronen stattfinden. Wenn der Gasdruck oberhalb des Druckbereiches ΔPr_g liegt, ist die Kollisionsrate so hoch, dass die Keimelektronen nicht für eine Zeit beschleunigt werden können, die hinreichend ist, um die Energie E_e zu erzielen. Wenn der Gasdruck sich in dem Bereich ΔPr_g befindet, werden die Keimelektronen auf die Energie E_e beschleunigt, und es werden Kollisionen zwischen ihnen und Atomen des Gases 32 erzielt. Diese Kollisionen erzeugen Sekundärelektronen, die ebenfalls auf die Energie E_e beschleunigt werden.
Bei diesem Prozess erreicht die Elektronenpopulation schnell eine Reflektionsdichte N_r, die gemäß Gleichung (1) hinreichend ist, um eine Plasmafrequenz ω_p zu erzeugen, die gleich ist oder größer als die Winkelfrequenz ω des einfallenden Signals 50. Demzufolge wird das einfallende Signal von dem Eingangsport 26 reflektiert. Insbesondere wird es von der Stirnseite 52 des Plasmas reflektiert, die sich direkt hinter dem Vakuumfenster 29 in 1 befindet.
Die Erzeugung von Sekundärelektronen ist ein selbstbegrenzender Prozess. Da das einfallende Signal 50 reflektiert wird und innere Abschnitte der Kammer 30 nicht erreicht, endet die Erzeugung von Elektronen in solchen inneren Abschnitten, und die Elektronendichte fällt unterhalb von N_r. Anderseits muss das einfallende Signal 50 eine gewisse Durchdringung der Kammer 30 erreichen, um die Elektronenreflektionsdichte N_r in irgendeinem Abschnitt des Gases 32 zu erzeugen. Demzufolge wird das einfallende Signal 50 nicht an der Stirnseite 52, sondern von einem dünnen Plasmavolumen reflektiert, das benachbart zu der Stirnseite 52 liegt.
Die Elektronenreflektionsdichte N_r wird aufrechterhalten, und zwar solange, wie das einfallende Signal 50 vorhanden ist, um die Erzeugung von Sekundärelektronen fortzusetzen. Der Triggerplasmagenerator 24 muss lediglich lang genug aktiviert werden, um die Keimelektronen in dem Gas 32 zu erzeugen. Sobald dies erreicht worden ist, wird die Keimerzeugung des Triggerplasmagenerators 24 vorzugsweise beendet, d. h. der Triggerplasmagenerator 24 muss lediglich gepulst werden, um den Schaltprozess einzuleiten. Wenn das einfallende Signal 50 abgesetzt bzw. entfernt wird, klingt die Elektronendichte schnell ab, z. B. in < 100 Mikrosekunden.
Wenn der Triggerplasmagenerator 24 nicht aktiviert ist, gibt es in der Kammer 30 keine Keimelektronen, die durch das elektrische Feld des einfallenden Signals 50 in Kollisionen mit Gasatomen zu beschleunigen sind. Obgleich das elektrische Feld des einfallenden Signals 50 Keimelektronen auf eine Energie E_e beschleunigen kann, die hinreichend ist, um mit der Ionisierungsenergie U_i übereinzustimmen, ist das elektrische Feld generell nicht hinreichend, um Elektronen von Gasatomen abzustreifen bzw. zu entfernen. Wenn demzufolge durch Anwendung des Triggerplasmagenerators 24 Keimelektronen nicht erzeugt worden sind, wird durch das einfallende Signal 50 kein Plasma erzeugt, und das Signal wird an den Ausgangsport 28 übertragen.
Daher kann der Triggerplasmagenerator 24 dazu verwendet werden, das einfallende Signal 50 entlang ausgewählter Signalpfade zu richten bzw. zu lenken. Eine Aktivierung des Triggerplasmagenerators 24 ruft hervor, dass das einfallende Signal 50 einem Reflektionspfad weg von der Stirnseite 52 des Plasmas folgt. Eine Nicht-Aktivierung des Triggerplasmagenerators 24 ruft hervor, dass das einfallende Signal 50 einem Signalpfad durch das Übertragungsglied 22 hindurch zu dem Ausgangsport 28 folgt.
Im Betrieb des Triggerplasmagenerators 24 wird ein Hochspannungs-Triggerimpuls (z. B. in dem Bereich von 2–5 kV) an die Elektrode 26 angelegt. Im Ergebnis wird ein großer Strom von z. B. ~50 Ampere durch die Elektrode 36 hindurch gezogen. Es wird in der Theorie angenommen, dass einige wenige Streuelektronen, die eine Dichte deutlich kleiner als die Triggerdichte N_t darstellen, in dem ionisierbaren Gas aufgrund von natürlichen Prozessen, z. B. kosmischen Strahlen, immer vorhanden sind. Diese Streuelektronen werden auf die Elektrode 36 zu beschleunigt, wie es durch den spiralförmigen Pfad 56 eines beispielhaften Elektrons in 2 gezeigt ist.
Die dünne Konfiguration der Elektrode 36 wird ausgewählt, um eine Pfadlänge 56 zu erhalten, die hinreichend Kollisionen mit Gasatomen und demzufolge eine Sekundärelektronenproduktion erzielt, um die Triggerdichte N_t von Keimelektronen zu erzeugen. Die Elektrode 36 ist für diese Funktion besonders ausgelegt. Aufgrund des kleinen Profils der Elektrode ruft eine Elektronengeschwindigkeit typischerweise hervor, dass ein Elektron anfänglich die Elektrode verfehlt. Demzufolge wandern die Elektronen einen längeren Pfad, z. B. den Pfad 56, wenn sie die Elektrode umkreisen, bevor sie sie schließlich erreichen. Dies steigert die Produktion von Keimelektronen und erzeugt den beobachteten großen Strom.
Obgleich die Elektronendichte, die von dem Triggerplasmagenerator 24 erzeugt wird, ziemlich groß sein kann (sogar temporär die Reflektionsdichte N_r erreichen kann), muss sie lediglich die relativ kleine Triggerdichte N_t erreichen, um die schnelle Erzeugung von Sekundärelektronen durch das einfallende Signal 50 zu initiieren.
Da die dünne Elektrode 36 durch die Triggerimpulse signifikant erwärmt werden kann, ist sie vorzugsweise aus einem feuerfesten Material, z. B. Wolfram, gebildet. Um die Pfadlänge 56 zu vergrößern, ist der Durchmesser der Elektrode 36 sehr klein, z. B. < 600 Mikrometer. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Elektrode sogar noch kleiner, z. B. ~250 Mikrometer, um die Pfadlänge 56 weiter zu vergrößern und um die Erzeugung von Sekundärelektronen weiter zu steigern.
Es ist ein beispielhafter Prototyp des Mikrowellenschalters 20 mit getriggertem Plasma hergestellt worden. Der Proto typ beinhaltete einen rechteckförmigen Hohlleiter (einen Hohlleiter WR-650 gemäß EIA Waveguide Designation Standard RS261A) als das Übertragungsglied 22. Als die Gassorte bzw. -gattung wurde Wasserstoff ausgewählt, und es wurde ein Gasdruck von ~1 × 10^–3 Torr ausgewählt. Der Triggerplasmagenerator des Prototyps verwendete eine Elektrode (36 in den 1 und 2), die aus einem Wolframdraht bestand, der einen Durchmesser von ~250 Mikrometern besaß. Die Leistung der einfallenden Mikrowellenfrequenz wurde auf etwa 20 kW ausgewählt.
Beispielhafte Testergebnisse sind in den Diagrammen 60, 62, 64 und 66 der 3A–3D gezeigt. Der Prototyp wurde getestet, indem ein Mikrowellensignal mit einer Impulsdauer von 100 Mikrosekunden, einer Frequenz von ~1,25 GHz und einer Leistung von ~19,5 kW an den Eingangsport (26 in den 1 und 2) des Schalters angelegt wurde. Dieser eingangsseitige Mikrowellensignalimpuls ist als der Impuls 67 in Diagramm 62 gezeigt. Aufgrund von Testbeschränkungen hatte der Impuls 67 eine anfängliche Leistung von ~19,5 kW und fiel dann auf einen niedrigeren Leistungspegel von ~9,7 kW für den Rest des Impulses 67 ab.
Die Spannung des Triggerimpulses an der Elektrode 36 wurde aus einem Bereich von 2–5 kV ausgewählt. Bei dem in den 5A–5D gezeigten Test erzeugten die Keimelektronen (die von dem Triggerimpuls zu der Elektrode angezogen wurden) einen Strom von ~50 Ampere, wie es durch den Triggerimpuls 69 in Diagramm 60 angedeutet ist. Die erforderliche Triggerenergie betrug < 0,1 Joule. Der Triggerimpuls wurde in einem Impulsgenerator 70 erzeugt, der in 2 in schematischer Form gezeigt ist. Der Impulsgenerator 70 lud einen Kondensator 72 über einen Widerstand 74 aus einer Spannungsquelle 76 auf. Ein Schalter 78 koppelte elektrische Energie von dem Kondensator 72 und durch einen strombegrenzenden Widerstand 79 in den Triggerplasmagenerator 24 des Schalters. Der von der Elektrode gezogene Strom wurde von einem Stromsensor 81 erfasst.
Die durch den Prototyp-Schalter hindurch übertragene Leistung ist als der Impuls 80 in 5C gezeigt, und die von dem Schalter reflektierte Leistung ist als der Impuls 82 in 5D gezeigt. Vor dem Anlegen des Triggerimpulses 69 stellen die Pulse 80 bzw. 82 das Übertragen des Eingangsimpulses 67 durch den Schalter hindurch bzw. ein Nicht-Vorhandensein von reflektierter Leistung dar. Nach dem Anwenden des Triggerimpulses 69 stellen die Impulse 80 bzw. 82 das Nicht-Vorhandensein von übertragener Leistung und die Reflektion des Eingangsimpulses 67 von dem Schalter dar.
Die reflektierte Leistung vor dem Triggerimpuls 69 und die übertragene Leistung nach dem Triggerimpuls 69 betrugen beide weniger als die ~1 kW-Empfindlichkeit der Testanordnung. Die durch den Schalter nach dem Triggerimpuls 67 hindurch übertragene Leistung hatte eine Einfügungsdämpfung von < 1 dB. Die reflektierte Leistung nach dem Triggerimpuls besaß eine Reflektionsdämpfung von ~0,4 dB (die Leistungsimpulse 69, 80 und 82 treten in den Diagrammen 62, 64 und 66 umgedreht bzw. auf den Kopf gestellt auf, und zwar, da die in dem Test verwendeten Leistungsdetektoren ein negatives Ansprechverhalten besaßen). Da der Prototypentest eine niedrige Triggerenergie (z. B. < 0,1 Joule) erforderte sowie ein schnelle Deionisierung des Gases, und da der Schalter keine beweglichen Teile beinhaltet, zeigte der im Prototyp vorliegende Mikrowellenschalter mit getrigger tem Plasma an, dass Impulsraten von >> 100 Hz realisierbar sind.
Bei den Prototypentests der 5A–5D wurde der Triggerimpuls nach dem Beginn des Impulses angelegt, um das Übertragungsvermögen und das Reflektionsvermögen des Schalters zu demonstrieren. Bei einem typischen Betrieb kann der Triggerimpuls während der ansteigenden Flanke des Mikrowellensignalimpulses oder während des Signalimpulses angelegt werden. Obgleich er auch vor dem Impuls angelegt werden kann, darf die Zeit bis zu dem Mikrowellensignalimpuls nicht die Deionisierungszeit des ionisierbaren Gases überschreiten, d. h. die Triggerelektronendichte N_t muss noch vorhanden sein, wenn das Mikrowellensignal 50 ankommt.
Es wurde oben angegeben, dass die Leistung des einfallenden Signals 50 so ausgewählt wird, dass sie sich in einem Leistungsbereich P_i befindet, wobei das elektrische Feld hinreichend ist, um die Keimelektronen auf eine Energie E_e zu beschleunigen, die gleich ist oder größer als die Ionisierungsenergie U_i des Gases.
Dieser Bereich hängt von der ausgewählten Gassorte ab, es wird jedoch auf der Grundlage von Prototypentests angenommen, dass sich die untere Grenze von P_i in der Größenordnung von 100 Watt befindet. Die obere Grenze von P_i wird lediglich durch jenen Punkt eingestellt, bei dem das elektrische Feld eines einfallenden Signals Elektronen von Gasatomen abstreifen bzw. auslösen könnte und hierdurch die Schaltsteuerung des Triggerplasmagenerators negieren könnte, z. B. des Generators 24 der 1 und 2. Diese Grenze liegt in der Theorie deutlich oberhalb von 100 Kilowatt.
Es wurde gleichfalls angenommen, dass der Gasdruck oberhalb eines Druckes liegen muss, bei dem die molekulare Population des Gases so klein ist, dass es keine Kollisionen mit den beschleunigten Keimelektronen gibt. Im Gegensatz hierzu muss der Gasdruck unterhalb eines Druckes sein, bei dem die Kollisionsrate so hoch ist, dass die Keimelektronen nicht für eine hinreichende Zeit beschleunigt werden können, um die Energie E_e zu erreichen. Obgleich dieser Bereich etwas von der ausgewählten Gassorte abhängt, wird in der Theorie angenommen (mit der Hilfe von Prototypentests), dass die untere Druckgrenze in der Größenordnung von 0,1 Millitorr liegt, und dass die obere Druckgrenze in der Größenordnung von 100 Torr liegt.
Mit anderen Triggerplasmageneratoren lassen sich andere Schalterausführungsformen mit getriggertem Plasma bilden. Beispielsweise stellen die 3 und 4 einen Triggerplasmagenerator 84 dar. Der Generator 84 ersetzt den Generator 24 der 1 und 2 und ist vorzugsweise an der gleichen Schmalseite bzw. Schmalwand 38 des Übertragungsgliedes 22 montiert. Der Generator 84 weist ein Gehäuse 85 auf, das mit der schmalen Hohlleiterwand 38 verbunden ist, um eine Funkenkammer 86 zu bilden.
Ein Paar von Elektroden 87 und 88 ist in dem Gehäuse 85 montiert, und zwar so, dass es sich in die Funkenkammer 86 hinein erstreckt. Die Elektroden 87 und 88 sind so angeordnet, dass ihre Enden durch einen Funkenspalt 89 voneinander beabstandet sind. Eine oder mehrere Öffnungen 90 sind in der Schmalwand 38 gebildet, um eine Kommunikation zwischen der Funkenkammer 86 und der Hohlleiterkammer 30 bereitzustellen. Diese Öffnungen 90 sind vorzugsweise in der Schmalwand 38 positioniert, um Störungen des elektrischen Feldes des einfallenden Signals 50 zu minimieren, das typischerweise zwischen den Breitwänden 40 des Übertragungsgliedes 22 vorhanden ist. Die Elektroden 87 und 88 werden von einem Impulsgenerator 92 mit Energie versorgt. Der Impulsgenerator 92 kann beispielsweise der Impulsgenerator 70 der 2 sein, wobei die Anschlüsse 93 und 94 des Impulsgenerators 70 mit gegenüberliegenden Anschlüssen der Elektroden 87 und 88 verbunden werden.
Im Betrieb des Triggerplasmagenerators 84 erzeugt das Anlegen eines Triggerspannungsimpulses von z. B. in dem Bereich von 2–5 kV einen Funken über den Funkenspalt 89. Elektromagnetische Komponenten des Funkens werden durch die Öffnungen 89 hindurch in die Hohlleiterkammer 30 gekoppelt. Da photonische Energie in diesen Komponenten zunimmt, wenn die Wellenlänge abnimmt, hat ein Bestandteil, z. B. ein ultravioletter Abschnitt, eine hinreichende Energie, um Atome in dem Gas 32 zu photo-ionisieren. Diese Photo-Ionisierung erzeugt die Keimelektronen, die ermöglichen, dass eine zusätzliche Plasmaerzeugung in der Hohlleiterkammer 30 auftritt, wenn das elektrische Feld des einfallenden Signals 50 auftritt, und zwar über die Breitwände 40 des Übertragungsgliedes 22.
Wenn der Triggerplasmagenerator 84 verwendet wird, ist ein weiterer Gasauswahlparameter, der zu berücksichtigen ist, die Absorptionslänge von Ultraviolett. Diese Absorptionslänge ist vorzugsweise kleiner als die Abmessungen der Hohlleiterkammer 30, und die Gassorte sollte demgemäß gewählt werden, z. B., indem möglicherweise eine geeignete Mischung von zwei Gassorten, wie Helium und Argon, gewählt wird.
Auf der Grundlage von Prototypentests hat der Spannungsbereich des Triggerimpulses für die Anwendung auf den Triggerplasmagenerator 24 der 1 und 2 und den Triggerplasmagenerator 84 der 3 und 4 eine untere Grenze in der Größenordnung von 1 Kilovolt und eine obere Grenze in der Größenordnung von 10 Kilovolt.
Der Mikrowellenschalter 20 mit getriggertem Plasma der 1 und 2 kann dazu verwendet werden, verschiedene Mikrowellensysteme zu bilden. Beispielsweise stellt 6 ein beispielhaftes Schaltsystem 100 dar, das einen Hohlleitereingangsport 102 und zwei Hohlleiterausgangsports 104, 106 aufweist, die voneinander getrennte Mikrowellenstrukturen, z. B. zwei Antennen, speisen können. Ein Hohlleiterarm 108, der von dem Eingangsport 102 ausgeht, ist mit zwei Hohlleiterarmen 110, 112 gekoppelt, die zu den Ausgangsports 104 bzw. 106 führen. Ein Mikrowellenschalter 20A mit getriggertem Plasma ist in dem Hohlleiterarm 110 positioniert, und ein weiterer Mikrowellenschalter 20B mit getriggertem Plasma ist in dem Hohlleiterarm 112 positioniert. An die Schalter 20A, 20B können Triggerimpulse 69A, 69B angelegt werden, wie es durch Pfeile in 4 bzw. 6 gezeigt ist.
Wie durch die Prototypentestergebnisse der 5A–5D angezeigt, kann ein eingangsseitiges Mikrowellensignal 114 an dem Eingangsport 102 entlang ausgewählter Pfade gerichtet bzw. gelenkt werden, und zwar zu einem der Ports 104, 106, kann zwischen den Ports 104, 106 aufgeteilt werden, oder kann zurück zu dem Eingangsport 102 reflektiert werden.
Beispielsweise würde das Anlegen von lediglich dem Triggerimpuls 69A das eingangsseitige Mikrowellensignal 114 zu dem Ausgangsport 106 richten. Wenn keiner der Triggerimpulse 69A, 69B angelegt wird, wird das Signal 114 auf die Ausgangsports 104, 106 aufgeteilt. Das Anlegen beider Triggerimpulse 69A, 69B wird hervorrufen, dass das Signal 114 von dem Eingangsport 102 zurückreflektiert wird.
Das Schaltsystem 100 ist vorzugsweise in Übereinstimmung mit herkömmlicher Mikrowellenpraxis konfiguriert. Beispielsweise kann die Pfadlänge 116 so ausgewählt werden, dass das von dem Schalter 20A reflektierte Signal sich in Phase befindet mit dem eingangsseitigen Mikrowellensignal, das entlang des Arms 112 verläuft bzw. wandert. Demzufolge sind die Signale in Phase und addieren sich konstruktiv, um an dem Ausgangsport 106 das Mikrowellenausgangssignal zu bilden.
7 stellt die Verwendung des Mikrowellenschalters 20 mit getriggertem Plasma zur Konstruktion eines weiteren Mikrowellenschaltsystems in der Form einer elektrisch abstimmbaren Kurzschlussleitung 120 dar. Die elektrisch abstimmbare Kurzschlussleitung 120 weist eine Vielzahl von Mikrowellenschaltern 20A–20N auf, die seriell miteinander verbunden sind, z. B. ist der Ausgangsport 28 des Mikrowellenschalters 20A mit dem Eingangsport 26 des Schalters verbunden, der benachbart ist zu dem Schalter 20A. Der Eingangsport 26 des Mikrowellenschalters 20A bildet einen Eingangsport 122 der elektrisch abstimmbaren Kurzschlussleitung 120. Der Ausgangsport 28 des Mikrowellen schalters 20N ist mittels einer mechanischen Kurzschlussleitung in der Form einer metallischen Kurzschlussplatte 124 abgeschlossen. Die Kurzschlussplatte 124 ist mit einer geeigneten Struktur angebracht, z. B. einem Flansch 125. An die Ionisierungsgeneratoren 24 der Schalter 20A–20N können jeweils Triggersignale 69A–69N angelegt werden.
Jeder der Schalter 20A–20N ist im Wesentlichen der Schalter 20 der 1 und 2. Da jedoch bei benachbarten Schaltern Ausgangsports benachbart sind zu Eingangsports, kann ein einzelner Hohlleiter 126 verwendet werden, und die Vakuumfenster 29 und Flansche 33 der 1 können an den benachbarten Ports ersetzt werden durch Membrane 127 aus einem Material (z. B. Kunststoff, Glas oder Keramik), das elektromagnetische Energie durchlässt, jedoch verhindert, dass sich Plasma und ultraviolettes Licht zwischen den Schaltern 20A–20N bewegen. Obgleich die Membrane 127 verhindern, dass ein Plasma zwischen Schaltern strömt, gestatten sie vorzugsweise die Strömung von ionisierbarem Gas zwischen Schaltern, so dass die elektrisch abstimmbare Kurzschlussleitung 120 lediglich eine Gaskammer anstelle einer Vielfalt von Kammern aufweist. Die Membrane 127 teilen das Gas innerhalb der abstimmbaren Kurzschlussleitung 120 im Wesentlichen in Gasabteilungen, die jeweils einem unterschiedlichen Generator 24 mit triggerbarem Plasma zugeordnet sind.
Diese Funktion lässt sich erzielen, indem die Membrane 127 in eine geschlossene bzw. hinterschnittene Struktur wie den Schlitz 128 in der Wand 129 des Hohlleiters 126 aufgenommen werden, wie es in 8 gezeigt ist. Diese geschlossene Struktur ermöglicht, dass Gasatome zwischen benachbarten Schaltern passieren, blockt jedoch den Durchgang der Plasmaelektronen und -ionen.
Im Betrieb der abstimmbaren Kurzschlussleitung 120 wird ein Mikrowellensignal 130 in den Eingangsport 122 injiziert. Ein ausgewähltes Signal der Triggersignale, z. B. das Triggersignal 69F, wird an den zugeordneten Mikrowellenschalter angelegt, z. B. den Schalter 20F, um in jenem Schalter eine Elektronentriggerdichte N_t zu erzeugen. Demzufolge wird das Mikrowellensignal 130 an dem Eingangsport 122 von dem Schalter 20F zurückreflektiert. Demzufolge folgt das Mikrowellensignal 130 einem Signalpfad 131 von dem Eingangsport 122 zu dem Eingangsport 26 des Schalters 20F und erneut zurück zu dem Eingangsport 122.
Offensichtlicherweise verlängert sich die Länge des Signalpfades 131, wenn sukzessive Triggersignale 69A–69N angelegt werden. Demzufolge vergrößert sich die Phase des Mikrowellensignals 130 sukzessive, wenn es zu dem Eingangsport 122 zurückkehrt, d. h., die elektrisch abstimmbare Kurzschlussleitung 120 kann dazu verwendet werden, an ihrem Eingangsport 122 eine gewünschte Signalphase eines Rückkehrsignals elektrisch auszuwählen. Die auswählbaren Phasenstufen besitzen eine Phasenauflösung, die im Wesentlichen bestimmt ist durch die Phasenänderung des Signals, wenn dieses zweimal die Länge von einem der Mikrowellenschalter 20A–20N wandert. Eine letzte Phasenstufe wird erhalten, wenn keines der Triggersignale 69A–69N angelegt wird. In diesem Fall wird das Eingangssignal 130 von der metallischen Kurzschlussplatte 124 reflektiert.
Eine weitere Ausführungsform der elektrisch abstimmbaren Kurzschlussleitung 120 kann gebildet werden, indem die metallische Kurzschlussplatte 124 durch eine Mikrowellenlast 134 ersetzt wird. Dieser Ersatz ist in 7 durch einen gestrichelten Pfeil 136 angedeutet. Die Mikrowellenlast 134 beinhaltet ein herkömmliches Mikrowellen absorbierendes Material 138, das einfallende Mikrowellensignale im Wesentlichen absorbiert. Diese Ausführungsform der elektrisch abstimmbaren Kurzschlussleitung 120 kann entweder als eine elektrisch abstimmbare Kurzschlussleitung verwendet werden oder (bei Abwesenheit von Triggersignalen) als eine absorbierende Last.
Eine weitere Ausführungsform der elektrisch abstimmbaren Kurzschlussleitung 120 kann gebildet werden, indem die metallische Kurzschlussplatte 124 weggelassen wird. Diese Ausführungsform der elektrisch abstimmbaren Kurzschlussleitung 120 kann entweder als eine elektrisch abstimmbare Kurzschlussplatte oder (in der Abwesenheit von Triggersignalen) als ein Übertragungsglied verwendet werden.
An einem beispielhaften Prototyp des Mikrowellenschalters 20 mit getriggertem Plasma, der in der elektrisch abstimmbaren Kurzschlussleitung 120 verwendet wird, wurde ein Phasenstabilitätstest durchgeführt. Ein Mikrowellenimpuls mit einer Impulsbreite von im Wesentlichen 100 Mikrosekunden wurde von dem Eingangsport des Schalters reflektiert. Die relative Phase des reflektierten Impulses ist als die breite Plotlinie 142 in dem Diagramm 140 der 9 gezeigt. Vergleichsweise wurde ein Mikrowellenimpuls von einer metallischen Kurzschlussplatte reflektiert, die ähnlich der Platte 124 in 7 ist. Die relative Phase des reflektierten Impulses von der Kurzschlussplatte ist in dem Diagramm 140 der 9 durch eine schmale Plotlinie 144 gezeigt. Dieser Test bestätigte, dass die Phasenstabilität von Signalen, die von dem Schalter 20 mit getriggertem Plasma reflektiert werden, im Wesentlichen gleich der Phasenstabilität von Signalen ist, die von herkömmlichen Kurzschlussplatten reflektiert werden.
Die von einem Schalter 20 mit getriggertem Plasma bewirkte absolute Phasenänderung ist nicht die gleiche, wie jene, die von einer Kurzschlussplatte 124 bewirkt wird, die an der gleichen Position wie die Plasmastirnseite (52 in 1) des Schalters 20 angeordnet ist. Wie oben beschrieben, wird ein einfallendes Signal nicht an der Stirnseite 52 reflektiert, sondern von einem dünnen Plasmavolumen, das benachbart ist zu der Stirnseite.
Eine elektrisch abstimmbare Kurzschlussleitung hat eine Vielzahl von Mikrowellenanwendungen. Beispielsweise stellt 10 einen plasmaunterstützten Mikrowellenoszillator 150 dar, der eine elektrisch abstimmbare Kurzschlussleitung 151 aufweist, die ähnlich ist zu der elektrisch abstimmbaren Kurzschlussleitung 120 der 7. Der plasmaunterstützte Oszillator 150 ist ähnlich zu Oszillatorstrukturen, die in der US-Patentanmeldung 08/242,570 beschrieben sind, die am 13. Mai 1994 eingereicht und auf Hughes Aircraft Company überschrieben wurde, die Anmelderin der vorliegenden Erfindung.
Der Oszillator 150 weist eine Verzögerungsstruktur in der Form einer Helix 152 auf, die in einem Hohlleitergehäuse 153 angeordnet ist. Die Enden 154 und 155 der Helix 152 sind elektromagnetisch mit einem Reflektionshohlleiter 157 bzw. einem Ausgangshohlleiter 158 gekoppelt. Diese Hohlleiter sind in Bezug auf das Gehäuse 153 orthogonal angeordnet. Die Helixenden 154 und 155 gehen ferner durch Wände der Hohlleiter 157 und 158 hindurch, um in Kühlports 159 zu enden, die den Durchgang von Kühlmittel durch die Helix 152 hindurch erleichtern.
Eine Plasmakathoden-Elektronenkanone 160 ist an einem Ende des Gehäuses 153 montiert, und ein Strahlkollektor 162 ist an dem anderen Gehäuseende angeordnet. Die Elektronenkanone 160 weist Gitter 163 und 164 auf, die an einem Isolator 165 gelagert sind. Eine an die Gitter 163 und 164 angelegte Spannung erzeugt eine Beschleunigungsregion 166, die einen Elektronenstrahl 167 aus einem Plasma 168 in der Plasmakathoden-Elektronenkanone extrahiert. Die elektrisch abstimmbare Kurzschlussleitung 151 ist angeordnet, um den Reflektionshohlleiter 157 abzuschließen, und ein Vakuumfenster 170 ist quer über den Ausgangshohlleiter 158 positioniert.
Im Betrieb wird das Gehäuse 153 mit einem ionisierbaren Gas 171 gefüllt, und der Elektronenstrahl 167 wird durch die Helix 153 hindurch injiziert, und zwar mittels der Elektronenkanone 160 mit Plasmakathode. Der Strahl 167 wird eingegrenzt und transportiert durch die Helix 152 hindurch, und zwar ohne die Hilfe herkömmlicher magnetischer fokussierender Strukturen, da die negative Raumladung des Strahls durch einen Plasmakanal neutralisiert wird, der in dem Gas 171 mittels der Elektronen des Strahls 167 erzeugt wird. Energie wird von dem Elektronenstrahl 167 zu Mikrowellenenergie gekoppelt, die entlang der Helix 152 anwächst, und wird mittels des Ausgangshohlleiters 158 aus dem Helixende 155 ausgekoppelt. Die verbleibende Energie des Elektronenstrahls wird in dem Kollektor 162 zerstreut.
Prototypen des plasmaunterstützten Mikrowellenoszillators 150 haben Hochleistungsimpulse von z. B. > 20 kW erzeugt, und zwar mit einer Impulsbreite von ~100 Mikrosekunden. Es ist in Experimenten gezeigt worden, dass die Leistung an dem Ausgangshohlleiter 158 eine Funktion des Ortes eines elektrischen Kurzschlusses in dem Reflektionshohlleiter 157 ist. Um an dem Ausgangshohlleiter 157 eine ausgewählte Ausgangsleistung zu erhalten, muss Mikrowellenenergie von dem Kurzschluss bzw. der Kurzschlussleitung mit einer entsprechenden Phase reflektiert werden. Bei einem Test variierte die Ausgangsleistung beispielsweise über einen Bereich von 3 dB, und zwar, wenn die Kurzschlussplatte mechanisch in dem Reflektionshohlleiter 157 bewegt wurde, um die erforderliche Phasenveränderung zu bewirken.
Die Einstellung einer mechanischen Kurzschlussleitung bzw. eines mechanischen Kurzschlusses ist ein labor- und zeitintensiver Vorgang. Die elektrisch abstimmbare Kurzschlussleitung 151 führt die gleiche Funktion durch, erleichtert jedoch eine schnelle Einstellung. Die elektrisch abstimmbare Kurzschlussleitung 151 erleichtert die Auswahl einer unterschiedlichen reflektierten Phase für jeden Mikrowellenimpuls von dem plasmaunterstützten Mikrowellenoszillator 150. Diese Funktion kann beispielsweise in frequenz-agilen Oszillatoren verwendet werden. Wenn die Frequenz des Oszillators zwischen Impulsen geändert wird, kann die elektrisch abstimmbare Kurzschlussleitung 151 programmiert werden, um eine im Wesentlichen konstante Ausgangsleistung beizubehalten, oder, alternativ, um für benachbarte Impulse eine unterschiedliche Leistung auszuwählen.
Schalter mit getriggertem Plasma der vorliegenden Erfindung sind insbesondere geeignet zum Steuern des Ausbrei tungspfades von Hochleistungs-Mikrowellensignalen. Verglichen mit herkömmlichen Mikrowellenschaltern sind sie einfach, kostengünstig, schalten schnell (z. B. < 5 Mikrosekunden), können mit einer hohen Rate (z. B. 2 >> 100 Hz) geschaltet werden und erfordern lediglich einen Triggerimpuls niedriger Energie (z. B. < 0,1 Joule).
Sie zeigen eine niedrige Einfügungsdämpfung im Durchlasszustand und eine hohe Phasenstabilität in einem Reflektionszustand. Im Unterschied zu vielen herkömmlichen Mikrowellenschaltern enthalten die Schalter der Erfindung keine Bestandteile, die von dem Schaltprozess verbraucht werden, z. B. führen die Elektrode 36 der 1 und 2 und die Elektroden 87 und 88 der 3 und 4 einen elektrischen Strom, leisten jedoch während der Plasmaerzeugung keinen Materialbeitrag. Dies reduziert die Abscheidung von Material auf Vakuumfenstern, was bei herkömmlichen Mikrowellenschaltern einen Einbruch bzw. eine Delle des Leistungsvermögens hervorruft.
Obgleich einige illustrative Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ergeben sich für Fachleute eine Vielzahl von Variationen und alternativen Ausführungsformen. Derartige Variationen und alternative Ausführungsformen werden hiermit angedacht und können vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zum selektiven Richten eines Mikrowellensignals (50) entlang eines ersten und eines zweiten Signalpfads, mit den Schritten: Bereitstellen eines ionisierbaren Gases (32) einer ausgewählten Gattung; Veranlassen, dass das Mikrowellensignal (50) auf das Gas (32) auftrifft, Einstellen des Druckes des Gases (32), derart, dass das Auftreffen eines Mikrowellensignals (50) aus Keimelektronen in dem Gas (32) ein Plasma mit einer reflektierenden Elektronendichte (N_r) erzeugen wird, die hinreichend ist, um das Mikrowellensignal (50) aus dem Plasma zu reflektieren; und selektives Erzeugen der Keimelektronen in dem Gas (32), um das Mikrowellensignal (50) entlang eines ersten Signalpfades weg von dem Plasma zu richten, oder Unterlassen des Erzeugens der Keimelektronen, um das Mikrowellensignal (50) entlang eines zweiten Signalpfades durch das Gas (32) hindurch zu richten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erzeugungsschritt den Schritt aufweist, ein elektrisches Potential an eine Elektrode (36) anzulegen, die in das Gas (32) hinein vorsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erzeugungsschritt den Schritt aufweist, ultraviolettes Licht in das Gas (32) hinein zu richten.
Verfahren zum Erhalten einer ausgewählten Phase eines Mikrowellensignals (130), mit den Schritten: Bereitstellen eines ionisierbaren Gases (32) einer ausgewählten Gattung; Unterteilen des Gases (32) in Gaskammern, die seriell miteinander verbunden sind, derart, dass sie jeweils eine unterschiedliche Pfadlänge von einem Eingangsport (122) aus aufweisen; Veranlassen, dass das Mikrowellensignal (130) auf den Eingangsport (122) auftrifft; Auswählen eines Druckes des Gases (32) derart, dass das Auftreffen eines Mikrowellensignales (130) aus Keimelektronen in dem Gas (32) ein Plasma mit einer reflektierenden Elektronendichte (N_r) erzeugen wird, die hinreichend ist, um das Mikrowellensignal (130) aus dem Plasma zu reflektieren; und Erzeugen von Keimelektronen in einer ausgewählten Kammer der Gaskammern, um das Mikrowellensignal (130) entlang eines ausgewählten Signalpfades (131) aus jener Gaskammer hin zu dem Eingangsport (122) zu reflektieren, und zwar mit einer Phase, die dem ausgewählten Signalpfad (131) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Erzeugungsschritt den Schritt aufweist, ein elektrisches Potential an eine Elektrode (127) anzulegen, die in das Gas (32) hinein vorsteht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Erzeugungsschritt den Schritt aufweist, ultraviolettes Licht in das Gas (32) hinein zu richten, um die Erzeugung von Keimelektronen durch Photoionisierung zu erzielen.
Triggerbarer Mikrowellenschalter zum selektiven Richten eines Mikrowellensignals (50) entlang eines ersten und eines zweiten Signalpfades, mit: einem Mikrowellenübertragungsglied (22); einer Mikrowellenkammer (30), die von dem Übertragungsglied (22) ausgebildet ist, zum Aufnehmen eines ionisierbaren Gases (32); einem Eingangs- und einem Ausgangsport (26, 28), die durch das Übertragungsglied (22) gebildet sind, um eine Verbindung mit der Mikrowellenkammer (30) einzurichten; einem getriggerten Plasmagenerator (24; 84), der dazu konfiguriert ist, in Antwort auf ein Spannungstriggersignal eine Triggerelektronendichte (N_t, N_r) in dem Gas (32) zu erzeugen; wobei das Mikrowellensignal (50) von dem Eingangsport (26) entlang eines ersten Pfades reflektiert wird, wenn die Triggerelektronendichte (N_t, N_r) vorhanden ist, und entlang eines zweiten Pfades zu dem Ausgangsport (28) gerichtet wird, wenn die Triggerelektronendichte (N_t, N_r) nicht vorhanden ist.
Triggerbarer Mikrowellenschalter nach Anspruch 7, wobei der getriggerte Plasmagenerator (24) eine Elektrode (36) aufweist, die sich in die Mikrowellenkammer (30) hinein erstreckt und so angeordnet ist, um das Spannungstriggersignal zu empfangen.
Triggerbarer Mikrowellenschalter nach Anspruch 7 oder 8, wobei der getriggerte Plasmagenerator (24) aufweist: ein Gehäuse (85), das eine Bogen- bzw. Lichtbogenkammer (86) bildet; wenigstens eine Öffnung (90) in dem Übertragungsglied (22), um eine Verbindung zwischen der Mikrowellenkammer (30) und der Bogenkammer (86) zu erleichtern; und ein Paar von voneinander beabstandeten Elektroden (87, 88), die innerhalb der Bogenkammer (86) angeordnet sind, um das Spannungstriggersignal zu empfangen und einen Bogen bzw. Lichtbogen zu erzeugen, der eine Ultraviolettstrahlung beinhaltet.
Abstimmbare Mikrowellen-Kurzschlussleitung (120), mit: einer Vielzahl von Mikrowellenschaltern (20A–20N), wobei jeder der Schalter einen Eingangsport (26) und einen Ausgangsport (28) aufweist und dazu konfiguriert ist, selektiv ein Mikrowellensignal (130) von seinem Eingangsport (26) zu reflektieren bzw. das Mikrowellensignal (130) von seinem Eingangsport (26) zu seinem Ausgangsport (28) zu übertragen, und zwar in Antwort auf ein Triggersignal; einem Eingangsport (122), der durch den Eingangsport (26) eines ersten Schalters (20A) der Schalter (20A–20N) gebildet ist, wobei die Schalter seriell miteinander verbunden sind, so dass die Eingangsports (26) der anderen Schalter (20B–20N) jeweils um eine unterschiedliche Pfadlänge (131) von dem ersten Schalter (20A) beabstandet sind; und einem Triggerplasmagenerator (24; 84), der dazu konfiguriert ist, in Antwort auf ein Spannungstriggersignal ein Triggersignal (69A–69N) zu erzeugen, das selektiv an unterschiedliche Schalter der Schalter (20A–20N) angelegt wird, so dass in dem jeweiligen Mikrowellenschalter (20A–20N) eine Triggerelektronendichte (N_t, N_r) erzeugt wird, um zu veranlassen, dass ein an dem Eingangsport (122) empfangenes Mikrowellensignal (130) unterschiedliche Pfadlängen (131) entlang wandert, wenn es zu dem Eingangsport (122) zurückreflektiert wird.