ES2317826T3 - Organo de comunicacion electronico con una emtrada y al menos dos salidas y su aplicacion a una matriz de comunicacion. - Google Patents

Abstract

Órgano (10) de conmutación con una entrada y al menos dos salidas, destinado a transferir a una sola de las salidas un señal aplicada a la entrada, caracterizado porque comprende: - para cada salida, una rama (12, 14) de salida que comprende al menos un conmutador electrónico cuyo estado de conducción se gobierna ya sea para transferir la señal de entrada a la salida seleccionada, ya sea para reflejar la señal, y - una rama (16) de derivación que comprende al menos un conmutador electrónico que deriva la señal de entrada a una carga (18) en caso de ausencia de alimentación de los conmutadores electrónicos del órgano.

Description

Órgano de conmutación electrónico con una entrada y al menos dos salidas y su aplicación a una matriz de conmutación.

La invención es relativa a un órgano de conmutación electrónico con una entrada y al menos dos salidas así como a la aplicación de tal órgano a una matriz de conmutación reconfigurable.

Para aplicaciones que necesitan una gran fiabilidad, es corriente prever elementos electrónicos redundantes de forma que, cuando un elemento sufre una avería, pueda ser reemplazado por un elemento idéntico. Este problema se plantea particularmente en aplicaciones espaciales.

Para que un elemento de seguridad pueda reemplazar el elemento averiado, es necesario prever una conmutación que se gobierna ya sea automáticamente, ya sea a distancia.

Para esta conmutación, se prevé, en general, una matriz con n entradas y p salidas, siendo el número p de salidas superior al número n de entradas. Cada una de las entradas proporciona una señal en un elemento conectado a una salida correspondiente. Así, sólo n salidas entre las p disponibles están activas normalmente. Cuando el elemento conectado a una de estas salidas sufre una avería, se efectúa una conmutación para que la entrada correspondiente esté unida a una salida a la que está conectado un elemento de reemplazo.

Las matrices de conmutación utilizadas hasta el presente recurren a unos conmutadores mecánicos. No se ha logrado todavía poner a punto una solución de reemplazo de tipo electrónico que ofrezca ventajas comparables a las de las matrices con conmutadores mecánicos. En efecto, estos últimos introducen pérdidas netamente menos importantes que los conmutadores electrónicos; además, en ausencia de alimentación, permanecen en el estado de conmutación que presentaban antes de la avería. Por el contrario, los conmutadores electrónicos, particularmente del campo de las hiperfrecuencias, son tales que, en ausencia de alimentación, una parte de la señal de entrada es encaminada a la salida correcta y otra parte de la señal de entrada es encaminada a otra salida para la cual esta señal no está destinada. Esta disfunción provoca no solamente productos de intermodulación que son molestos, sino igualmente calentamientos de filtros. En efecto, cada salida corresponde a una gama de frecuencias y comprende por lo tanto un filtro. Si una señal que no le está destinada llega a una salida, el filtro asociado refleja la señal, lo que provoca el calentamiento.

La invención se refiere por lo tanto, según el primero de sus aspectos, a un órgano de conmutación electrónico que minimiza las perturbaciones aportadas en el funcionamiento de una matriz de conmutación de la cual forma parte en caso de ausencia de alimentación de este órgano.

El órgano de conmutación electrónico, según la invención, está destinado a unir una entrada a una salida entre varias, y se caracteriza porque comprende:

- para cada salida, una rama de salida que comprende al menos un conmutador electrónico cuyo estado de conducción se gobierna ya sea para transferir la señal de entrada a la salida, ya sea para reflejar la señal, y

- una rama de derivación que comprende al menos un conmutador electrónico que deriva la señal de entrada a una carga en caso de ausencia de alimentación de los conmutadores electrónicos del órgano.

Así, en caso de avería de alimentación de los conmutadores electrónicos, la señal de entrada será derivada hacia una carga, lo que protege los elementos que pueden estar unidos a las salidas tales como unos filtros o unos amplificadores. El órgano de conmutación retoma su funcionamiento normal después del restablecimiento de la alimentación de los conmutadores.

La invención se refiere también a una matriz de conmutación con n entradas y p salidas que comprende una pluralidad de tales órganos.

Durante una avería de alimentación de los conmutadores de la matriz según la invención, las salidas ya no están conectadas a las entradas correspondientes mientras que no es igual para una matriz con conmutadores mecánicos. Sin embargo, tal matriz puede ventajosamente reemplazar una matriz con conmutadores mecánicos ya que, por una parte, en general, el defecto temporal de salidas no tiene consecuencias y, por otra parte, sobre todo, presenta la ventaja de una masa y de un volumen reducidos. Además, su coste puede ser sensiblemente inferior.

En un modo de realización del órgano de conmutación, la rama de derivación comprende un conmutador electrónico dispuesto en serie.

Preferiblemente, en cada rama de salida, se prevé un conmutador electrónico en derivación que forma un circuito abierto cuando la salida correspondiente es seleccionada y un cortocircuito en el caso contrario, o en ausencia de alimentación.

Para mejorar el cortocircuito, se prevé, en cada rama de salida, dos conmutadores electrónicos en paralelo que son gobernados por la misma polarización.

En el transcurso de ensayos efectuados en el marco de la invención, se han realizado conmutadores de tecnología MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) con dos o tres salidas que presentan unas pérdidas limitadas en torno a 1,5 decibelios.

La invención se refiere también, según otro de sus aspectos, a un conjunto de órganos de conmutación electrónicos susceptible de constituir un módulo para una matriz de conmutación. En tal conjunto, o módulo, cada entrada es conectable a un número r de salidas que es inferior al número total de salidas.

En una realización, para constituir tales módulos están provistos solamente dos tipos de órganos de conmutación, uno con dos salidas y el otro con tres salidas.

Es preferible que la matriz de conmutación sea tal que comprenda unos órganos de conmutación dispuestos y conectados de forma tal que, cuando se conmuta una entrada conectada a una salida hacia otra salida, las pérdidas debidas a los órganos de conmutación atravesados sean las mismas antes y después de la conmutación.

Según un modo de realización, los conmutadores electrónicos son unos circuitos integrados del campo de las hiperfrecuencias.

La presente invención prevé además una matriz de conmutación que comprende una pluralidad de órganos de conmutación.

Según un modo de realización, la matriz comprende n entradas y p salidas, siendo p superior a n, estando destinada cada entrada a ser conectada a una entre r salidas, y comprende para cada entrada, un conjunto de órganos de conmutación asociados para presentar una entrada y r salidas.

Según un modo de realización, la matriz comprende, para cada salida, un conjunto de órganos de conmutación con r entradas y una salida, estando montados en antiserie los conjuntos asociados a las salidas con respecto a los conjuntos asociados a las entradas.

Según un modo de realización, los conjuntos asociados a las salidas tienen una estructura análoga a la estructura de los conjuntos asociados a las entradas.

Otras características y ventajas de la invención aparecerán con la descripción de algunos de sus modos de realización, siendo efectuada ésta en referencia a los dibujos adjuntos en los que:

- la figura 1 es un esquema de órgano de conmutación conforme a la invención,

- la figura 2 es un esquema de una matriz de conmutación que comprende una pluralidad de órganos de conmutación conformes a la invención,

- la figura 3 representa un conjunto, o módulo, de órganos de conmutación según la invención,

- la figura 4 es una figura análoga a la de la figura 3, pero para una variante, y

- la figura 5 representa una matriz de conmutación que comprende unos conjuntos de órganos de conmutación del tipo de los representados en la figura 3.

El órgano 10 de conmutación representado en la figura 1 es un órgano de conmutación realizado en tecnología MMIC con un conjunto de transistores que funcionan en hiperfrecuencia en tecnología integrada, por ejemplo en un substrato de arseniuro de galio.

En este ejemplo, el órgano 10 de conmutación comprende una entrada E y dos salidas S_{1} y S_{2}. No obstante, es posible realizar tal órgano de conmutación con unas pérdidas moderadas con tres salidas, como se describirá más adelante, particularmente con las figuras 3 y 4.

Este órgano de conmutación está destinado a transmitir la señal de entrada E, ya sea a la salida S_{1}, ya sea a la salida S_{2}, pero nunca a dos salidas a la vez. El órgano 10 comprende, en primer lugar, dos ramas activas 12 y 14, terminándose la rama 12 en la salida S_{1} y terminándose la rama 14 en la salida S_{2}. Además, el órgano 10 comprende una rama 16 de derivación que permite derivar la entrada E hacia una carga 18, de 50 \Omega por ejemplo, en caso de avería de alimentación de los conmutadores del órgano 10.

En el ejemplo, cada una de las ramas 12 y 14 comprende dos transistores en derivación. Siendo idénticas estas ramas, bastará con describir una sola, a saber la rama 12.

La borna de entrada E está unida al drenaje 20 de un transistor 22 a través de una línea 24. La fuente del transistor 22 está unida a la masa.

La borna 20 está, por otro lado, unida a la salida S_{1} a través de otra línea 26 de transmisión.

La borna común a la línea 26 y a la salida S_{1} está unida al drenaje 28 de un segundo transistor 30 cuya fuente está igualmente conectada a la masa.

Las puertas de los dos transistores 22 y 30 están unidas a una borna 32 de polarización a través de resistencias, respectivamente 34 y 36. En esta borna 32 se aplica una tensión continua de polarización V_{1}. La borna común a las resistencias 34 y 36 está por otro lado unida a la masa a través de una resistencia 38.

La rama 16 de derivación comprende un transistor 40 cuya fuente está conectada a la entrada E y cuyo drenaje está unido a un extremo de la resistencia de carga 18 cuyo otro extremo está conectado a la masa. La puerta del transistor 40 está unida a una borna 42 a través de una resistencia 44. El punto común a la borna 42 y a la resistencia 44 está unido a la masa a través de otra resistencia 46.

En la borna 42 se aplica una tensión continua de polarización V_{2}.

El funcionamiento es el siguiente:

Cuando la salida S_{1} es seleccionada, es decir, cuando la entrada E debe ser transferida a la salida S_{1}, se aplica en la borna 32 una tensión V_{1} inferior a la tensión de estrangulamiento con el fin de que cada transistor sea equivalente a una resistencia prácticamente infinita; en el ejemplo, esta tensión tiene por valor -2 voltios. En la borna 42 de polarización del transistor 40 de la rama 16, se aplica igualmente una tensión de -2 voltios. Por último, en la borna 50 de polarización de los transistores de la rama 14, se aplica una tensión de V_{3} de 0 voltios de forma que el canal del transistor se abra.

En estas condiciones, los transistores 22 y 30 de la rama 12 constituyen unos circuitos abiertos que, por lo tanto, no perturban la transmisión de la señal hacia la salida S_{1}.

Por el contrario, la aplicación de una tensión de cero voltios en la borna 50 de la rama 14 pone los transistores correspondientes 52 y 54 en cortocircuito. Se debe apreciar que, en el campo de las hiperfrecuencias, un cortocircuito se traduce en que la señal que llega a la masa es reflejada hacia la entrada E y, por lo tanto, es reenviada hacia la salida S_{1}.

La aplicación de una tensión de -2 voltios en la borna 42 de polarización del transistor 40 de la rama 16 de derivación mantiene este último en estado abierto.

En caso de avería de alimentación, es decir cuando la (o las) fuente(s) de polarización aplica una tensión de cero voltios en las bornas 32, 42 y 50 o pone estas bornas al aire (es decir, en circuito abierto), en las ramas activas 12 y 14, los transistores 22, 30 y 52, 54 están en cortocircuito. Así, estas ramas reenvían las señales hacia la entrada E. Por el contrario, en tal estado de avería, el transistor 40 presenta una resistencia pequeña y, en estas condiciones, la señal aplicada en la entrada E es transferida a la carga 18. Así, los elementos electrónicos, tales como amplificadores y/o filtros, que están unidos a las salidas S_{1} y S_{2} no reciben la señal de entrada. La rama 16 de derivación constituye, por lo tanto, una protección contra los defectos de alimentación de los conmutadores.

En la variante, en cada rama activa 12 ó 14, se prevé un solo transistor. Sin embargo, están provistos dos transistores, o más, con el fin de mejorar la derivación hacia la masa cuando la rama está inactiva. En efecto, un transistor en cortocircuito presenta una resistencia que no es nula y que tiene interés limitar.

Se va a describir ahora, en relación con las figuras 2 a 5, una matriz 60 de conmutación con doce entradas E_{1} a E_{12} y dieciséis salidas S_{1} a S_{16} que comprenden una pluralidad de órganos de conmutación del tipo representado en la figura 1.

Cada entrada es susceptible de estar conectada a cinco salidas. Así, la entrada E_{1} puede estar unida a una de las salidas S_{1}, S_{2}, S_{3}, S_{4} ó S_{5}. Pero, por supuesto, todas las veces, la entrada E_{1} no está conectada más que a una sola de estas salidas. De igual modo, la entrada E_{2} puede estar conectada a una de las salidas S_{2}, S_{3}, S_{4}, S_{5} y S_{6} respectivamente, y así sucesivamente hasta la entrada E_{12} que puede estar conectada a una de las salidas S_{12}, S_{13}, S_{14,} S_{15} ó S_{16}. De forma más general, si la matriz comprende n entradas y p salidas, cada entrada puede estar conectada a p - n + 1 salidas.

Si la entrada E_{1} está conectada a la salida S_{1} y la entrada E_{2} está conectada a la salida S_{4}; y si el elemento electrónico (no mostrado), unido a la salida S_{1}, sufre una avería, hace falta poder reemplazarlo por un elemento redundante que, por ejemplo, está conectado a la salida S_{2}. En estas condiciones, los órganos de conmutación de la matriz 60 se gobiernan de forma que la entrada E_{1} ya no esté unida a la salida S_{1}, sino a la salida S_{2}.

Dado que un órgano de conmutación de tipo electrónico presenta unas pérdidas sensiblemente más elevadas que un órgano de conmutación mecánico, es preferible disponer la matriz 60 de forma tal que, en cada modificación de conexión, no haya modificación de las pérdidas. En efecto, si hubiese modificación de pérdidas, habría que modificar la ganancia del amplificador que viene en reemplazo de un amplificador averiado, lo que complicaría sensiblemente la realización del circuito. Un órgano electrónico aporta una atenuación del orden de 1,5 dB, mientras que la atenuación correspondiente para un órgano de conmutación mecánico es del orden de 0,15 dB.

Para alcanzar el objetivo de mantenimiento de las pérdidas en caso de modificación de conexión, la invención prevé, como se representa en las figuras 3 y 4, agrupar los órganos de conmutación en conjuntos o módulos 62 (figura 3) ó 64 (figura 4). Además, a todas las entradas E_{1}, E_{2}, etc. se asocian conjuntos idénticos entre ellos y a todas las salidas S_{1}, S_{2}, etc. se asocian los mismos conjuntos, como se verá más adelante con el ejemplo representado en la figura 5.

Las figuras 3 y 4 se refieren al caso en que los órganos de conmutación no pueden ser más que de dos tipos, a saber un primer tipo con una entrada y dos salidas, y un segundo tipo con una entrada y tres salidas (la salida de derivación no se cuenta aquí). Los conjuntos 62 y 64 están destinados al ejemplo representado en la figura 2; cada uno de ellos comprende por lo tanto una entrada y cinco salidas.

El conjunto 62 (figura 3) comprende, por una parte, un órgano 10_{1} de conmutación con una entrada 66_{1} y tres salidas 66_{2}, 66_{3} y 66_{4} y, por otra parte, tres órganos 10_{2}, 10_{3} y 10_{4} de conmutación de los cuales cada uno comprende una entrada y dos salidas. Dado que solamente se necesitan cinco salidas, uno (10_{4}) de los órganos de conmutación presenta una salida inactivada. La entrada del órgano 10_{2} está unida, por una línea conductora 70_{2}, a la salida 66_{2} del órgano 10_{1} de conmutación. De forma análoga, la entrada del órgano 10_{3} de conmutación está unida, por una línea 70_{3}, a la salida 66_{3} del órgano 10_{1}. Por último, la entrada del órgano 10_{4} está unida a la salida 66_{4} del órgano 10_{1} por una línea conductora 70_{4}.

El conjunto 64 (figura 4) comprende, por una parte, un órgano 10'_{1} de conmutación con una entrada 66'_{1} y dos salidas 66'_{2} y 66'_{3} y, por otra parte, dos órganos 10'_{2} y 10'_{3} de conmutación de los cuales cada uno presenta una entrada y tres salidas. Dado que, como en el caso precedente, se necesitan solamente cinco salidas en total, uno de los órganos de conmutación, el de referencia 10'_{3}, presenta una salida inactiva.

La entrada del órgano 10'_{2} está unida a la salida 66'_{2} del órgano 10'_{1} por una línea conductora 70'_{2} y la entrada del órgano 10'_{3} está conectada a la salida 66'_{3} del órgano 10'_{1} a través de otra línea conductora 70'_{3}.

El funcionamiento de un conjunto 62 ó 64 resulta de su estructura y del funcionamiento de cada órgano de conmutación individual tal como ha sido descrito en relación con la figura 1. Por ejemplo, si se quiere unir la entrada 66_{1} (figura 3) del conjunto 62 a la salida S_{i} del órgano 10_{3}, el órgano 10_{1} se gobierna de forma que la entrada 66_{1} sea unida a la salida 66_{3} y el órgano 10_{3} se gobierna también de forma que su entrada sea unida a la salida S_{i}.

En el ejemplo representado en la figura 5, se prevé asignar un conjunto 62 a cada borna de entrada y de salida. Así, a la borna de entrada E_{1} es asignado el conjunto 62_{1}, a la borna de entrada E_{2} es asignado el conjunto 62_{2}... a la borna de salida S_{1} es asignado el conjunto 62'_{1}, a la borna de salida S_{2} es asignado el conjunto 62'_{2}, etc.

Por supuesto, los conjuntos 62'_{1}, 62'_{2}, etc. son montados en sentido contrario a los conjuntos 62_{1}, 62_{2}, etc. (en antiserie). De forma más precisa, los órganos 10''_{2}, 10''_{3}, 10''_{4} del conjunto 62'_{1} comprenden dos entradas y una salida, y el órgano 10''_{1} comprende tres entradas y una salida.

Por último, están provistas unas líneas conductoras 80_{1}, 80_{2}, 80_{3}, 80_{4}, 80_{5} que unen cada una de las salidas del conjunto 62_{1} a una entrada de los órganos 62'_{1}, 62'_{2}... 62_{5}. En otros términos, la línea 80_{1} une una salida del conjunto 62_{1} a una de las cinco entradas del órgano 62'_{1}, la línea 80_{2} une la segunda salida del conjunto 62_{1} a una de las cinco entradas del órgano 62'_{2}, etc. Se apreciará que una sola de las entradas del órgano 62'_{1} está unida a una línea conductora, mientras que los otros conjuntos 62'_{2}, 62'_{3}, 62'_{4}, etc. comprenden un número mayor de líneas conductoras que llegan a sus entradas.

Cualesquiera que sean las conexiones de la matriz, cada vez que una señal de una entrada E_{i} es orientada hacia una salida S_{i}, atraviesa los mismos tipos de elementos, a saber un órgano de conmutación con una entrada y tres salidas, una línea conductora, un órgano de conmutación con una entrada y dos salidas, otra línea conductora 80_{i}, un órgano de conmutación con dos entradas y una salida, una línea conductora y, por último, un órgano de conmutación con tres entradas y una salida. En estas condiciones, las pérdidas serán las mismas sea cual sea la conexión.

Una matriz de conmutación equipada con órganos de conmutación conformes a la invención presenta una aparatosidad y una masa netamente más pequeñas que la aparatosidad y la masa de una matriz con elementos de conmutación de tipo mecánico, lo que constituye una ventaja decisiva en el caso de aplicaciones espaciales. Por último, el precio de tal matriz puede ser más bajo que el precio de una matriz con órganos de conmutación mecánica.

Claims (10)

1. Órgano (10) de conmutación con una entrada y al menos dos salidas, destinado a transferir a una sola de las salidas un señal aplicada a la entrada, caracterizado porque comprende:

- para cada salida, una rama (12, 14) de salida que comprende al menos un conmutador electrónico cuyo estado de conducción se gobierna ya sea para transferir la señal de entrada a la salida seleccionada, ya sea para reflejar la señal, y

- una rama (16) de derivación que comprende al menos un conmutador electrónico que deriva la señal de entrada a una carga (18) en caso de ausencia de alimentación de los conmutadores electrónicos del órgano.

2. Órgano de conmutación según la reivindicación 1, caracterizado porque el conmutador electrónico (40) de la rama de derivación está dispuesto en serie.

3. Órgano de conmutación según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el conmutador electrónico (20, 30, 52, 54) de cada rama de salida está dispuesto en derivación.

4. Órgano de conmutación según la reivindicación 3, caracterizado porque cada rama de salida comprende al menos dos conmutadores electrónicos (20, 30, 52, 54) en paralelo.

5. Órgano de conmutación según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada conmutador electrónico comprende un transistor.

6. Órgano de conmutación según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los conmutadores electrónicos son unos circuitos integrados del campo de las hiperfrecuencias.

7. Matriz de conmutación que comprende una pluralidad de órganos de conmutación según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

8. Matriz según la reivindicación 7, que comprende n entradas y p salidas, siendo p superior a n, caracterizada porque cada entrada está destinada a estar conectada a una entre r salidas, y comprende para cada entrada un conjunto (62, 64) de órganos de conmutación asociados para presentar una entrada y r salidas.

9. Matriz según la reivindicación 8, caracterizada porque comprende, para cada salida, un conjunto de órganos de conmutaciones con r entradas y una salida, estando montados los conjuntos asociados a las salidas en antiserie con respecto a los conjuntos asociados a las entradas.

10. Matriz según la reivindicación 9, caracterizada porque los conjuntos asociados a las salidas tienen una estructura análoga a la estructura de los conjuntos asociados a las entradas.