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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Mikrowellenschalter und
insbesondere dreidimensionale (3D) Mikrowellenschalter, insbesondere
tetraederförmige
oder oktaederförmige
T-Schalter, um Mikrowellensignale entlang auswählbarer Signalpfade zwischen
einer Vielzahl von Schalteranschlüssen zu leiten.
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Beschreibung
des zugehörigen
Standes der Technik
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Mikrowellenschalter werden in redundanten Schaltnetzwerken
an Bord von Raumfahrzeugen benutzt, um M Eingangssignale zu M Ausgängen über N (N > M) fehleranfällige Vorrichtungen,
wie bspw. Wanderwellenröhrenverstärker (TWTAS)
zu leiten, um die Netzwerkzuverlässigkeit
am Ende der Lebensdauer zu verbessern. Dies wird erreicht, indem zwei
Schichten von Mikrowellenschaltern benutzt werden, wobei jede Schicht
M in Reihe verbundene 4-Port-Schalter,
bspw. T-Schalter, umfasst. Die Schalter in der Eingangsschicht werden
gesteuert, um die M Eingangssignale um die ausgefallenen Vorrichtungen
herum und durch funktionieren de Vorrichtungen zu leiten. Die Schalter
in der Ausgangsschicht sind gesteuert, um die Signale, die von den
M ausgewählten
Vorrichtungen erzeugt werden, zu den M Ausgängen zu leiten.
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US-Patent 4,618,840 zeigt einen koaxialen Mikrowellenumkehrschalter
mit Luftleitung, der einen diagonal geschalteten Pfad aufweist.
US-Patente 4,070,637, 4,317,972, 5,063,364, 5,065,125 und 5,281,936
von Assal et al., Kjelbert, Tsoi, Thomson et al. und Cierzarek zeigen
eine bekannte T-Schalteranordnung,
in der einer der Ports von anderen drei umgeben ist, und sechs Mikrowellenpfade
selektiv die Ports bzw. Anschlüsse
in einer gemeinsamen Ebene verbindet. Der T-Schalter besitzt drei
unterschiedliche Zustände,
in denen gegenüberliegende Paare
der Mikrowellenpfade in eine signalleitende Position geschaltet
werden, um zwei Paare der Eingänge
bzw. Ports zu koppeln, während
die übrigen vier
Pfade in eine signaldämpfende
Position geschaltet sind. Insbesondere sind in dem ersten Zustand Ports 1 und 2 verbunden
und Ports 3 und 4 verbunden. In dem zweiten Zustand
sind Ports 1 und 3 verbunden und Ports 2 und 3 sind
verbunden. In dem dritten Zustand sind Ports 1 und 4 verbunden
und Ports 2 und 3 sind verbunden. Der Multi-Zustands- T-Schalter liefert
die Flexibilität,
die zum erneuten Umlenken der Mikrowellensignale in einem redundanten
Schaltnetzwerk erforderlich sind.
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Bei den bekannten T-Schaltern sind
die Ports typischerweise Koaxialverbinder bzw. -stecker mit einer äußeren Abschirmung,
die mit einer HF-Kavität geerdet
sind, und Mittelsteckern, die in die Kavität eingeführt werden. Die Kavität ist mit
sechs Wellenleitern aufgebaut, die in der gemeinsamen Ebene zwischen
den Mittelleitern der Stecker liegen. Jeder der Wellenleiter weist
eine leitende Zunge auf, die von einem Aktuator zwischen einer signaldämpfenden
Position, die an der inneren Fläche
des Wellenleiters anschlägt,
und einer signalleitenden Position bewegt wird, die koaxial zu dem
Wellenleiter ist und die Enden der Mittelleiter an jedem Ende des
Wellenleiters anschlagen. Da die Mikrowellenpfade in einer gemeinsamen
Ebene liegen, ist es relativ einfach, die Kavität herzustellen, um die Mittelleiter
der Koaxialverbinder über
die Enden der Zungen auszurichten und deren Höhe zu kontrollieren, so dass
die Zungen einen richtigen Kontakt herstellen.
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Die T-Schalter benutzen eine Vielzahl
von unterschiedlichen Aktuatoren, um die Zungen zu bewegen. Ein
herkömmlicher
Aktuator umfasst einen schwenkbaren Rotor, der sich um das Ende
eines Permanentmagneten in Abhängigkeit
von Impulsen dreht, die an ein Paar von Elektromagneten angelegt werden.
Ein Ende des Aktuators bewegt eine Zunge über eine dielektrische Klemme.
Tsoi benutzt einen kreisförmig
geformten Aktuator, der ein oder mehrer Stege und ein oder mehrere
Einbuchtungen aufweist. Wenn der Aktuator gedreht wird, drücken die
Stege ein Paar der Zungen und berühren sie zwischen den Mittelleitern,
und die Einbuchtungen lösen
die übrigen
federbelasteten Zungen, so dass sie an der inneren Fläche des
Wellenleiters anschlagen. Thomson et al. umfasst einen drehbaren
Rotor, der von einem Schrittmotor angetrieben wird. Der drehbare
Rotor trägt
eine Vielzahl von Permanentmagneten, die vorbestimmte Polaritäten besitzen,
und jede Zunge trägt einen
Permanentmagnet. Die Zungen sind selektiv in dem Wellenleiter positioniert,
in dem der Rotor gedreht wird, um einen Permanentmagneten benachbart
zu dem Zungenmagnet zu platzieren, um entweder die Zunge anzuziehen
oder abzustoßen.
Cierzarek benutzt drei Cantilever- Blattfederaktuatoren, die jeweils durch
eine Schaukelbewegung einer Wobbelplatte versetzt werden, was durch
die anziehende und abstoßende
Kraft verursacht wird, die eine Reihe von beabstandeten Magnetspulen
liefert. Das Schaukeln der Wobbelplatte in eine von drei ausgewählten Positionen
versetzt eine bestimmte Blattfeder, die ihrerseits ein Paar von
ausgewählten
Zungen in einen überbrückenden
Kontakt mit den Mittelleitern drückt.
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Obgleich die bekannten planaren T-Schalterkonfigurationen
wirksam in redundanten Schaltnetzwerken an Bord von Weltraumfahrzeugen
benutzt werden, gibt es eine Reihe von Gesichtspunkten, die Verbesserungen
bedürfen.
Ein typisches Weltraumfahrzeug kann mehrere hundert Mikrowellenschalter einsetzen,
so dass sich eine kleine Reduzierung des Gewichts jedes Schalters
zu beträchtlichen
Kosteneinsparungen entwickeln kann. Die Aktuatoren sind die Komponenten
der Schalter mit dem Hauptgewicht, so dass folglich eine Schaltertopologie,
die einen einfacheren und leichtgewichtigeren Aktuator liefert,
wünschenswert
ist. Zweitens haben in der planaren Topologie die drei inneren und äußeren Wellenleiter
notwendigerweise unterschiedliche Längen. Das führt dazu, dass die Signalpfade
durch unterschiedliche Ports unterschiedliche Mikrowelleneigenschaften
besitzen, was eine Optimierung des Gesamtsystems verhindert. Drittens
sind die Enden der Mittelleiter im Wesentlichen konisch ausgebildet,
um zu gewährleisten,
dass die darunter liegenden leitenden Zungen in Kontakt gelangen.
Dies beschränkt die
Hochfrequenzleistung des Schalters. Viertens ist der physische Zugang
zu dem Koaxialverbinder begrenzt. Schließlich, da sich die Komplexität der redundanten
Schaltnetzwerke erhöht,
wird es sehr schwierig, planare Mikrowellenschalter mit ausreichenden
Ports zu entwickeln, um die Signale umzuleiten.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Im Hinblick auf die zuvor genannten
Probleme liefert die vorliegende Erfindung einen leichtgewichtigen
Mikrowellenschalter, der eine verbesserte Gleichmäßigkeit
der Signalpfade, eine höhere
Frequenzleistung und besseren physischen Zugang besitzt.
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Dies wird erreicht durch Konfiguration
der Wellenleiter-Übertragungsleitungen
in drei Dimensionen, um ein Polyeder zu bilden, und die I/O-Mikrowellenports
an den Ecken des Polyeders zu positionieren, wie dies in Anspruch
1 angegeben ist. Ein Aktuator bewegt selektiv die jeweiligen Zungen
in den Wellenleiter-Übertragungsleitungen
zwischen einer signaldämpfenden
Position, die an der inneren Fläche
der Wellenleiter-Übertragungsleitung
anschlägt, und
einer signalleitenden Position im Wesentlichen koaxial zu der Wellenleiter-Übertragungsleitung und anschlagend
an den Signalleitungen der I/O-Mikrowellenports, die mit den gegenüber liegenden
Enden der Wellenleiter-Übertragungsleitung
gekoppelt sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
eines einzelnen T-Schalters
ist eine tetraederförmige
leitende Kavität
mit Nuten in jeder ihrer sechs Kanten und mit Koaxialanschlüssen an
jeder der vier Ecken ausgebildet, wobei jede in Richtung der Mitte
der Kavität
zeigt. Koaxiale Verbinder bzw. Stecker werden in die Koaxialanschlüsse bzw.
Ports eingeführt,
wobei die Mittelleiter sich in die gegenüberliegenden Enden der Nuten
erstrecken. Leitende Zungen sind in jeweiligen Nuten positioniert
und leitende Teile werden daran befestigt, um die Wellenleiter-Übertragungsleitungen zu bilden.
In der bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Aktuator einen einzelnen vierpoligen Magneten in der
Mitte der Kavität
und einen Motor, der den vierpoligen Magneten zwischen drei Positionen
dreht, um unterschiedliche Paare der Zungenmagnete, die von den
Zungen in gegenüberliegenden
Wellenleiter-Übertragungsleitungen
getragen werden, selektiv in Richtung der Mitte der Kavität zu ziehen,
um die jeweiligen Mittelleiter zu kontaktieren, und die übrigen vier
Zungen weg von der Mitte des Polyeders gegen die jeweilige innere
Oberfläche abstößt. Alternativ
könnten
mehrere lineare Sperraktuatoren eingesetzt werden, um die jeweiligen
Zungen zu betätigen.
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In einer anderen Ausführungsform
liefert eine Oktaederkavität
sechs Stecker und zwölf
Pfade. Obgleich der Oktaeder einen unabhängigen Aktuator für jeden
Pfad benötigt,
behält
er die Mikrowellenleistungsvorteile identischer Pfadlängen und
des Aufbaus, während
das Gewicht reduziert und der Mikrowellenpfad vereinfacht wird.
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Diese und andere Merkmale und Vorteile
der Erfindung ergeben sich für
den Durchschnittsfachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 eine
perspektivische Ansicht eines 3D-Tetraeder-T-Schalters entsprechend der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
Schnittansicht des in 1 gezeigten
Tetraeder-T-Schalters ist;
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3 ein
Zustandsdiagramm des T-Schalters ist;
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4a und 4b jeweils eine perspektivische und
eine Schnittansicht längs
der Linie 4-4 der Tetraederkavität
sind;
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5 eine
isometrische Ansicht des in 1 gezeigten
T-Schalters ist, die das räumliche
Verhältnis
der Koaxialstecker und der leitenden Zungen zeigt;
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6 eine
Draufsicht des in 5 gezeigten T-Schalters
ist;
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7 eine
Draufsicht des bevorzugten Aktuators ist, der in 2 gezeigt ist, wobei das Verhältnis des
mittleren Dreizustands-Vierpolmagneten und der Permanentmagnet der
Zungen dargestellt wird;
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8 ein
Blockdiagramm eines redundanten Schaltnetzwerks ist, das den 3D-Schalter
der vorliegenden Erfindung verwendet;
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9 eine
perspektivische Ansicht einer Oktaederkavität ist;
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10 eine
isometrische Ansicht eines Oktaeder-T-Schalters ist, der das räumliche
Verhältnis der
Koaxialstecker und der leitenden Zungen zeigt;
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11a und 11b Schnittansichten des Oktaeder-T-Schalters sind, die
die unabhängigen
Aktuatoren in einer geöffneten
und einer geschlossenen Position zeigen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen 3D-Mikrowellenschalter zum Routen von Signalen in einem Arbeits-
bzw. Betriebsfrequenzband entlang von auswählbaren Signalpfaden, und insbesondere zum
Routen von Signalen um ausgefallene Vorrichtungen in redundanten
Schaltnetzwerken an Bord eines Weltraumfahrzeugs. Jeder 3D-Schalter
umfasst eine Vielzahl von Wellenleiter-Übertragungsleitungen, die räumlich konfiguriert
sind, um die Kanten eines Polyeders zu bilden, wobei eine geringere
Anzahl der I/O-Mikrowellenanschlüsse,
bspw. Koaxialstecker, an den Ecken des Polyeders angeordnet ist. Typischerweise
sind die Übertragungsleitungen
und Anschlüsse
als Teil einer einstückigen
leitenden Kavität
ausgebildet, können
jedoch auch in einer skelettartigen Konfiguration verbunden sein.
Ein Aktuator bewegt selektiv die leitenden Zungen innerhalb der Wellenleiter-Übertragungsleitungen zwischen
einer signaldämpfenden
Position und einer signalleitenden Position, die die Signalleitungsanschlüsse überbrückt.
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Die Topologie des 3D-Mikrowellenschalters erleichtert
die Verwendung einfacher und in einigen Fällen mehr zentraleren Betätigungsmechanismen als
sie in ähnlichen
planaren Mikrowellenschaltern verwendet werden, und sind damit leichtgewichtiger. Insbesondere
verwendet der Tetraeder T-Schalter, der nachfolgend im Detail erläutert wird,
einen einzelnen vierpoligen Magneten mit drei Zuständen, der
in der Mitte der Kavität
posi tioniert ist. Ferner können alle
Pfade die gleiche Länge
aufweisen und können somit
die gleichen Mikrowelleneigenschaften besitzen. Zusätzlich kontaktieren
die leitenden Zungen die Signalleitung des Anschlusses an dessen
Umfang und nicht an seinem Ende, so dass die Signalleitung eine
geringere Echo- und eine besserer Hochfrequenzleistung besitzt.
Der physische Zugang zu dem Schalter ist ebenfalls verbessert. Schließlich kann
die 3D-Topologie neue und komplexere Schalterkonfigurationen, wie
bspw. Oktaederschalter, erleichtern, die mehr als vier Anschlüsse benutzen,
was in komplexeren redundanten Schaltnetzwerken hilfreich ist.
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1 und 2 sind eine perspektivische bzw. eine Schnittdarstellung
eines T-Schalters 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung
zum Routen bzw. Leiten von Signalen in einem Arbeitsfrequenzband, passenderweise
0–18 GHz,
zwischen vier Koaxialkabeln 12. Sechs Wellenleiter-Übertragungsleitungen 14 sind
in einer Tetraederkonfiguration miteinander verbunden, wobei vier
I/O-Mikrowellenanschlüsse 16 an
den Ecken des Tetraeders positioniert sind, so dass jeder Anschluss
drei der Wellenleiter-Übertragungsleitungen
trifft. Die Wellenleiter-Übertragungsleitungen
sind dimensioniert, um eine Grenzfrequenz, passenderweise 45 GHz
zu besitzen, die größer ist
als die des Arbeitsfrequenzbands. Der Aktuator 18 bewegt
selektiv zwei Paare der Zungen 20 in signaldämpfende
Positionen, die die inneren Flächen 22 ihrer
jeweiligen Wellenleiter-Übertragungsleitungen 14 treffen,
und bewegt das übrige
gegenüberliegende
Paar von Zungen 20 in die eine signalleitende Position
im Wesentlichen koaxial zu ihrer jeweiligen Wellenleiter-Übertragungsleitungen 14,
wobei sie an den Signalleitungen 24 des Anschlusses anstoßen, um
die Anschlüsse 16 zu
verbinden, wie in 3 dargestellt.
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In der bevorzugten Ausführungsform
sind die Wellenleiter-Übertragungsleitungen 14 und
die I/O-Mikrowellenanschlüsse 16 in
einer tetraederförmigen
leitenden Kavität 26 ausgebildet,
die gearbeitet ist, um sechs Nuten 28 entlang ihrer jeweiligen Kanten,
vier Koaxialanschlüsse 30 in
ihren Ecken und eine Öffnung 32 in
einer ihrer Flächen
auszubilden. Ein leitendes Bauteil 34 wird an jeder Nut 28 angebracht,
indem bspw. ein Paar von Schrauben 36 benutzt wird, um
die Wellenleiter-Übertragungsleitung 14 um
die Zunge 20 herum zu bilden. Das leitende Bauteil 22 liefert
die innere Fläche,
gegen die die Zunge 20 in der signaldämpfenden Position gehalten wird.
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Ein Koaxialstecker 38 wird
in jeden Koaxialanschluss 30 gesteckt, wobei dessen Mittelleiter 40 sich
in die Kavität
erstreckt, und dessen äußere Abschirmung 42 mit
der Kavität
geerdet ist, um den I/O-Mikrowellenanschluss 16 zu bilden.
Der Mittelleiter 40 und die äußere Abschirmung 42 sind
durch eine isolierende Schicht 44 getrennt und definieren zusammen
die Signalleitung 24 des Anschlusses. In 1 ist die äußere Abschirmung und die isolierende Schicht
zurückgeschnitten,
um den Aufbau des Koaxialsteckers freizulegen. Die Enden 46 jeder
Nut 28 sind zu den Koaxialanschlüssen 30 an einem Ende der Übertragungsleitung
geöffnet,
so dass, wenn die Zunge in die signalleitende Position bewegt wird,
sie den Mittelleiter 40 kontaktiert. Der Mittelleiter 40 besitzt
vorzugsweise eine trichterförmige
Endkappe 48, dessen Oberfläche im Wesentlichen Parallel
zu den Zungen am Kontaktpunkt ist, um einen guten elektromechanischen
Kontakt zu gewährleisten
und um zu verhin dern, dass die Zunge in der signalleitenden Position
stecken bleibt.
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Der Aktuator 18 umfasst
vorzugsweise einen einzelnen, vierpoligen Magneten 50,
der innerhalb der Öffnung 32 in
der Mitte der Kavität 26 positioniert ist,
und eine Vielzahl von Permanentmagneten 52, die auf den
jeweiligen Zungen 20 innerhalb der Wellenleiter-Übertragungsleitungen 14 getragen
werden. Jeder Permanentmagnet 52 ist auf einem dielektrischen
Träger 54 in
der Mitte seiner Zunge 20 positioniert. Ein Schrittmotor 56 innerhalb
eines Gehäuses 58 inkrementiert
eine Antriebswelle 60, um den vierpoligen Magneten 50 zwischen
drei Positionen zu drehen, so dass er ein Paar der gegenüberliegenden Permanentmagnete 52 anzieht,
und damit diese in jeweilige Löcher 62 zieht,
die zwischen der Nut und der Öffnung 32 gebildet
sind, wodurch das Paar der leitenden Zungen 20 zwischen
den Mittelleitungen 40 kontaktiert wird, und er gleichzeitig
die anderen zwei Paare von Permanentmagneten 52 abstößt und ihre dielektrischen
Träger 54 in
jeweilige Schlitze 64 in die Wellenleiter-Übertragungsleitungen drückt, so
dass die Zungen zu den inneren Flächen 22 geerdet sind. Alternativ
kann der Aktuator mit mehreren linearen Halteaktuatoren oder einem
Zweipolmagnet implementiert werden, der die Verwendung von Federn
erfordert, um die Zunge in die Signaldämpfungsposition zurückzubringen.
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Um Signalpfade zwischen den Anschlüssen bereitzustellen,
die die gleichen Eigenschaften über den
Arbeitsfrequenzbereich zeigen, und um einen einzelnen Vierpolmagnet-Aktuator
zu benutzen, um die leitenden Zungen ohne zusätzlichen Mechanismus wie Federn
zu schalten, muss der Mikrowellenschalter 10 und insbesondere
die Kavität 26 eine
präzise
Symmetrie besitzen. Um gleichförmige
Mikrowelleneigenschaften aufrechtzuerhalten, müssen die Wellenleiter-Übertragungsleitungen 14 die
gleichen Abmessungen besitzen, bspw. Länge und Querschnitt, der vorzugsweise
rechteckig ist, und die Zungen 20 müssen jede Signalleitung 24 der
Anschlüsse im
gleichen Winkel berühren.
In der Tetraederkonfiguration wird dies dadurch erreicht, dass die
Koaxialanschlüsse 30 so
ausgerichtet werden, dass die Achsen 66, die koaxial zu
den Anschlüssen
sind, sich in der Mitte 68 der Kavität schneiden, und indem die Nuten 28 so
ausgerichtet sind, dass die Achsen 70, die senkrecht zu
der Nut an deren Mittelpunkt sind, sich ebenfalls in der Mitte schneiden.
Dies hat ebenfalls die Wirkung, dass die Permanentmagnete 52 der
Zungen so konfiguriert werden, dass gegenüberliegende Paare auf entgegengesetzten
Seiten des vierpoligen Magnets 50 liegen und direkt der
Mitte der Kavität
zugewandt sind und damit dem vierpoligen Magneten. In dieser Konfiguration
ist ein ziemlich kleiner einzelner vierpoliger Magnet 50 stark
genug, um die Zungen zwischen ihrer signaldämpfenden und ihrer signalleitenden
Position zu bewegen und das Gesamtgewicht des T-Schalters zwischen
10% und 50% bezüglich
der bekannten planaren Vier-Port-Mikrowellenschalter
zu reduzieren.
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Obgleich die symmetrische Konfiguration
im Allgemeinen bevorzugt ist, besitzt sie eine Reihe von praktischen
Nachteilen, die bei bestimmten Umständen eine nicht symmetrische
Konfiguration wünschenswerter
machen. In der symmetrischen Konfiguration, die momentan implementiert
wurde, kann bspw. der vierpolige Magnet 50 nicht aus der
Kavität herausgezogen
werden, ohne zuerst zumindest eine der Zungenstrukturen zu entfernen.
Die Unannehmlichkeit kann überwunden
werden, indem die drei Nuten 28, die um den vierpoligen
Magneten 50 an der offenen Seite 32 liegen, gedreht werden,
so dass sie direkt nach außen
gerichtet sind. Dies hat jedoch zwei negative Auswirkungen; die
Mikrowelleneigenschaften der Signalpfade sind nicht länger gleich
und die Permanentmagnete 52 der Zungen sind nicht direkt
dem vierpoligen Magneten zugewandt. Das führt dazu, dass ein zusätzlicher
Betätigungsmechanismus,
wie bspw. Federn, zu dem Aktuator zugefügt werden müsste, insbesondere um die Zungen
nach außen
zu ziehen. Ferner gelangen die Koaxialkabel 12 in der symmetrischen
Ausführungsform
in einem Winkel in die Kavität 26.
Falls der Schalter entlang einer flachen Oberfläche angebracht ist, würde dies dazu
führen,
dass die Kabel quetschen. Dieses Problem kann überwunden werden, indem die
Koaxialanschlüsse 30 gedreht
werden, die um den vierpoligen Magneten 50 an der offenen
Fläche 32 herum liegen,
so dass sie direkt nach außen
gerichtet sind. Dies verändert
jedoch auch die Mikrowelleneigenschaften der Signalpfade, so dass
sie nicht gleichmäßig sind.
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4a und 4b zeigen eine perspektivische und
eine Schnittansicht der bevorzugten symmetrischen tetraederförmigen Kavität 26.
Die tetraederförmige
Kavität 26 wird
vorzugsweise aus einem leichtgewichtigen Metallblock hergestellt,
wie bspw. Aluminium, um die Nuten 28, die Koaxialanschlüsse 30 und
die Öffnung 32 zu
bilden. Jede Nut 28 wird hälftig zwischen dem Paar der
Seiten ausgebildet, die sich an der Kante des Tetraeders treffen.
Dies führt
dazu, dass die Normalachsen 70 durch das Loch 62,
das im Boden der Nut ausgebildet ist, durch die Mitte 68 der Kavität und durch
die Öffnung 62 laufen,
die im Boden der gegenüberliegenden
Nut ausgebildet ist. Jeder Koaxialanschluss 30 ist ausgebildet,
wo jede der drei Flächen
sich an einer Ecke trifft, so dass deren Achsen 66 sich
in der Mitte 68 der Kavität schneiden. Die Kavität 26 wird
bearbeitet, um die Öffnung 32 auszubilden,
die rechtwinklig zu der Fläche
der Kavität
ist, um den mehrpoligen Magnet des Aktuators aufzunehmen und der
jeweils mit den Nuten über
die Löcher 62 gekoppelt
ist.
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5 und 6 sind eine isometrische
bzw. eine Ansicht von unten des T-Schalters 10, die nur
das Verhältnis
der Zungen 20 und der koaxialen Stecker 38 in
der signalleitenden Position zeigen. Bei der aktuellen Verwendung
würde nur
ein Paar. der gegenüberliegenden
Zungen in der signalleitenden Position sein und die Mittelleiter 40 berühren, und
die übrigen vier
Zungen würden
in der signaldämpfenden
Position an der inneren Fläche
der Kavität
sein. Die Mittelleiter 40 sind entlang jeweiliger Achsen 66 (in 4b gezeigt) ausgerichtet,
die sich in der Mitte 68 der Kavität schneiden. Die Zungen 20 sind
gleich lang und so gewinkelt, dass die Achsen 70 (in 4b gezeigt), die senkrecht
zu ihren jeweiligen Mittelpunkten sind, ebenfalls sich in der Mitte
der Kavität
schneiden. Die Zungen sind aus einem starken Metall ausgebildet, das
eine gute Ermüdungs-Lebensdauer besitzt,
wie bspw. Beryllium-Kupfer.
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Im Ergebnis ist jeder Satz der drei
Zungen 20 gleichmäßig beabstandet
um jeden Mittelleiter 40. Somit haben alle Wellenleiter-Übertragungsleitungen 14 im
Wesentlichen identische Mikrowelleneigenschaften. Ferner liegt das
Paar der Zungen 20, die von der signalleitenden Position
in jeden anderen Zustand bewegt werden, auf gegenüberliegenden
Seiten der Kavität
und sind der Mitte zugewandt. Somit kann der einfache und leichtgewichtige
vierpolige Magnet 50, der in 2 gezeigt
ist, verwendet werden, um alle sechs Zungen gleichzeitig zu betätigen, ohne
zusätzliche
Betätigungsmechanismen,
wie bspw. Federn, benutzen zu müssen.
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7 ist
eine Draufsicht des Aktuators 18, der in räumlichem
Verhältnis
zu dem mittleren vierpoligen Magnet 50 und den sechs Permanentmagneten 52 gezeigt
ist, die auf jeweiligen Zungen getragen sind. Die Permanentmagnete
sind konfiguriert, so dass ihre Nordpole alle dem vierpoligen Magneten zugewandt
sind. Die zwei Südpole
des mittleren Magneten ziehen ein Paar von gegenüberliegenden Permanentmagneten
an, so dass deren Zungen nach innen in die signalleitende Position
gezogen werden. Die zwei Nordpole des mittleren Magnets stoßen die
vier anderen Permanentmagnete ab, so dass deren Zungen nach außen in die
signaldämpfende
Position gezwungen werden. In dieser Konfiguration neigen die Permanentmagnete
selbst dazu, sich gegenseitig abzustoßen und sich damit in die signaldämpfenden
Positionen zu zwingen. Um die Zustände, wie in 3 gezeigt, zu schalten, wird der Permanentmagnet 50 um
60° gedreht,
so dass sein Paar von Südpolen
mit dem nächsten
gegenüberliegenden
Paar von Permanentmagneten 52 ausgerichtet ist. Da der
bevorzugte Aktuator keine zusätzlichen Betätigungsmechanismen
benötigt,
ist der 3D-T-Schalter wesentlich leichter als bekannte planare T-Schalter
und besitzt eine höhere
Zuverlässigkeit.
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8 zeigt
ein redundantes Schaltsystem 80, in dem die T-Schalter
durch Symbol 82 gekennzeichnet sind. Vier der Schalter 82 sind
in Reihe verbunden, um einen Eingangsschaltersatz 84 zu
bilden. Insbesondere sind die Anschlüsse 4 und 2 der benachbarten
Schalter mit einem Koaxialkabel 86 verbunden. Ein Ausgangsschaltersatz 88 ist
in ähnlicher
Weise ausgebildet mit vier Schaltern 82 und drei Koaxialkabeln 86.
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Die Hauptmikrowellenverstärker 90a–90e sind
zwischen entsprechenden Schaltern des Eingangs- und des Ausgangsschaltersatzes 84 und 88 angeschlossen.
Bspw. ist der Mikrowellenverstärker 90a zwischen
dem Anschluss 3 des Schalters 82a und dem Anschluss 1 des
Schalters 82b angeschlossen. Zusätzlich sind redundante Mikrowellenverstärker 90e und 90f zwischen
den Mikrowellenschaltern an der Spitze und am Boden der Eingangs-
und Ausgangsschaltersätze 84 und 88 angeschlossen.
Bspw. ist der redundante Verstärker 90e zwischen
dem Anschluss 2 des Schalters 82a und dem Anschluss 2 des
Schalters 82b angeschlossen.
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Im normalen Betrieb des Schaltersystems 80 (kein
Fehler) sind alle Schalter der Eingangs- und der Ausgangsschaltersätze 84 und 88 in
den Zustand 3 gesetzt, 3.
Dies liefert vier Signalpfade zwischen einer Gruppe von Eingangsanschlüssen 1 und
einer Gruppe von Ausgangsanschlüssen 3.
Jeder dieser Signalpfade umfasst zwei entsprechende Schalter 82 des
Eingangs- und des Ausgangsschaltersatzes 84 und 88 und
den Hauptmikrowellenverstärker,
der zwischen diesen Schaltern angeschlossen ist. Keine Signale werden über die
redundanten Verstärker 90e und 90f geführt.
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Die Signalpfade könnten bspw. in Transpondersystemen
von Kommunikationssatelliten benutzt werden. Solche Systeme haben
typischerweise eine Vielzahl von Kommunikationskanälen und
müssen entworfen
sein, um zu gewährleisten,
dass eine vorbestimmte Prozentzahl dieser Kanäle über die geschätzte Lebensdauer
des Satelliten verfügbar
sind. Somit müssen
diese Systeme in der Lage sein, redundante Komponenten für fehlerhafte
Komponenten zu ersetzen.
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Bei dem Schaltsystem 80 ist
diese Redundanz dargestellt unter der Annahme, dass die Hauptmikrowellenverstärker 90c und 90d fehlerhaft
sind (wie durch ein großes
X über
jeden dieser Verstärker gekennzeichnet).
In Antwort darauf ersetzt ein Controller 91 diese fehlerhaften
Verstärker
durch eine Kombination der übrigen
Hauptverstärker
und der redundanten Verstärker 90e und 90f .
Um dies zu tun, setzt der Controller 91 den untersten Schalter 82a in den
dritten Zustand von 3 und
alle anderen Schalter des Eingangsschaltersatzes 84 in
den ersten Zustand. Gleichzeitig wird der unterste Schalter 82b in
den ersten Zustand gebracht und alle anderen Schalter des Ausgangsschaltersatzes 88 werden
in den dritten Zustand gebracht. Somit werden die Verstärkerpfade
in die Pfade 92 geändert,
so dass die Hauptverstärker 90a und 90b und
die redundanten Verstärker 90e und 90f weiterhin
Signalpfade zwischen den der Gruppe der Eingangsanschlüsse 1 und
der Gruppe der Ausgangsanschlüsse 3 bereitstellen.
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9 ist
eine perspektivische Ansicht einer oktaederförmigen Kavität 100 zur
Benutzung in einem redundanten Mikrowellenschalter. Die Oktaederkavität ist vorzugsweise
aus einem leichtgewichtigen Metallblock hergestellt, wie bspw. Aluminium,
mit Nuten 102, die entlang jeder der zwölf gleich langen Kanten liegen,
und Koaxialanschlüssen 104,
die an jedem seiner acht Ecken liegen. Jede Nut 102 ist
in einem Winkel hälftig
zwischen dem Paar der Seiten ausgebildet, die sich an den Kanten
treffen. Jeder koaxiale Anschluss 104 zeigt direkt zu der
Mitte der Kavität.
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10 ist
eine isometrische Ansicht eines redundanten Mikrowellenschalters 105,
die nur das Verhältnis
der Zungen 106 und der koaxialen Stecker 108 in
der signalleitenden Position zeigt. Bei der aktuellen Nutzung würden ausgewählte Zungen
in der signalleitenden Position sein und die Mittelleiter 110 berühren, und
die übrigen
Zungen würden
in der signaldämpfenden
Position an der inneren Fläche
der Kavität 100 sein,
wie in 9 gezeigt. Die
Mittelleiter 110 sind so ausgerichtet, dass ihre jeweiligen
Achsen sich in der Mitte der Kavität schneiden. Die Zungen 106 sind
gewinkelt, so dass alle Mittelleiter 110 den gleichen Winkel
mit Bezug auf alle Zungen 106 besitzen, die sie kontaktieren,
alle Wellenleiter-Übertragungsleitungen
im Wesentlichen die gleiche Länge und
den gleichen Querschnitt haben, und alle Zungen im Wesentlichen
die gleiche Länge
haben. Im Ergebnis haben die Signalpfade zwischen beliebigen zwei
der koaxialen Stecker 108 die gleichen Mikrowelleneigenschaften
in dem Arbeitsfrequenzband.
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11a und 11b sind jeweilige Schnittansichten des
Mikrowellenschalters 105 in der signaldämpfenden und der signalleitenden
Position. Die sechs Koaxialstecker 108 werden in die unterschiedlichen
koaxialen Anschlüsse 104 gesteckt,
wobei ihre Mittelleiter 110 sich durch die offenen Enden
der Nuten 102 erstrecken, so dass sie nach innen an gegenüberliegenden
Enden jeder Nut gewinkelt sind. Jeder Koaxialstecker umfasst ebenfalls
einen äußeren Leiter 112,
der koaxial zu dem Mittelleiter 110 angeordnet ist und
die Kavität 100 kontaktiert,
um eine Signalleitung zu bilden. Zungen 106 sind in jeder
Nut 102 positioniert und ein leitendes Bauteil 114 ist
an der Nut angebracht, um die Wellenleiter-Übertragungsleitung zu bilden,
die zwischen einem Paar der koaxialen Stecker gekoppelt ist und
einen Aktuatoranschluss bildet. Jede der Wellenleiter- Übertragungsleitungen ist dimensioniert,
um eine Grenzfrequenz größer als
das Arbeitsfrequenzband zu besitzen.
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Eine Vielzahl von unabhängigen Aktuatoren 116 bewegen
selektiv die jeweiligen Zungen 106 zwischen signaldämpfenden
Positionen, die an der inneren Oberfläche der jeweiligen Wellenleiter-Übertragungsleitungen
anstoßen,
und einer signalleitenden Position, im Wesentlichen koaxial zu den
jeweiligen Wellenleiter-Übertragungsleitungen
und zwischen den Mittelleitern 110 der Koaxialstecker an
gegenüberliegenden
Enden der Wellenleiter-Übertragungsleitung
anstoßen.
Jeder Aktuator 116 umfasst geeigneterweise eine dielektrische
Stichleitung 118, die von einer Zunge 106 an deren
Mittelpunkt getragen wird und die sich rechtwinklig zu der Zunge
auf beiden Seiten erstreckt. Ein Haltesolenoid 120, der
in dem Aktuatoranschluss positioniert ist, übt eine Kraft auf die Stichleitung 118 aus,
die die Zunge in ihre signalleitende Position bewegt, wie in 11b gezeigt. Dies komprimiert eine Rückführfeder 122 auf
der anderen Seite der Zunge, so dass, wenn der Solenoid deaktiviert
wird, die Rückführfeder
die Zunge in ihre signaldämpfende
Position zurückzwingt,
wie in 11a gezeigt.