JP4602543B2 - 特に宇宙空間用の再構成可能なスイッチマトリクス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に宇宙空間で使用するために再構成可能なスイッチマトリクスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
非常に高い信頼性を必要とする用途では、冗長性の電子エレメントを準備して、エレメントの１つが故障したとき、同じエレメントに交換することができるようにする。この問題は、特に、宇宙空間で使用する場合に提起される。
【０００３】
非常用エレメントを、故障したエレメントに交換できるようにするには、スイッチ手段を準備することが必要であり、このスイッチ手段は、自動制御もしくは遠隔制御される。
【０００４】
スイッチングを行うには、一般に、ｎ個の入力およびｐ個の出力を備えたマトリクスを用意する。このとき、出力数ｐは入力数ｎよりも大きい。各入力は、対応する１個の出力に接続されるエレメントに１個の信号を供給する。かくして、使用できるｐ個のなかで、ｎ個の出力だけが通常は作動される。これらの出力の１つに接続されるエレメントが故障すると、対応入力が、交換用エレメントが接続される１個の出力に接続されるようにスイッチングを行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
今日まで使用されているスイッチマトリクスは、機械式スイッチを用いたものである。
【０００６】
機械式スイッチのマトリクスの長所に匹敵する長所を提供する電子タイプの代替解決法の解決は、まだ成功していない。実際、機械式スイッチは、約０．１５ｄＢの無視できない減衰をもたらすが、一方で電子スイッチは、もっと大きい約１．５ｄＢの損失または減衰を引き起こす。こうした大きな損失は、それ自体では、電子スイッチの使用に支障をきたさない。何故なら、電子スイッチの外形寸法、質量ならびに価格は、機械タイプのエレメントを備えたマトリクスの外形寸法、質量および価格よりもずっと小さいからである。しかしながら、機械タイプのスイッチマトリクスにおいて、故障エレメントを非常用エレメントに交換するためにスイッチングを実施する時に、機械式の各スイッチを電子スイッチに交換する場合、マトリクス自体による損失は、一般にスイッチの前後で同じではないことが確認された。
【０００７】
この欠点を解消するには、非常用の各分岐線に、減衰差を補償可能な可変利得増幅器を備えなければならない。しかし、この解決方法は困難であり、実施に費用がかかる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため、本発明によるスイッチマトリクスは、１個の出力を別の出力にスイッチングする場合、介在する電子スイッチ装置による損失をほぼ同じ値に留めるように取り付けられた複数の電子スイッチ装置を含むことを特徴とする。
【０００９】
かくして、マトリクス内の経路間で異なる損失を補償するために可変利得増幅器を設けることは不要である。何故なら、マトリクスの構造自体がこうした補償を可能にするからである。
【００１０】
各入力がｒ個の出力に接続されるように構成される実施形態では、各入力に対して、１個の入力およびｒ個の出力を持つように結合されるスイッチ装置アセンブリを構成する。この場合、各出力に対して、入力側のスイッチ装置アセンブリと反対向きになるように取り付けられるスイッチ装置アセンブリを設けることが好ましい。すなわち、このアセンブリは、ｒ個の入力および１個の出力を備える。好適には、出力側に結合されるアセンブリが、入力側に結合されるアセンブリの構造と似ているかまたは同じ（しかし、対称である）構造を有する。
【００１１】
スイッチ装置アセンブリは、たとえば、２〜３個の出力を備えたＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）技術によるスイッチ装置アセンブリであり、損失は、約１．５ｄＢに制限される。
【００１２】
本発明は、ｐがｎよりも大きいとき、ｎ個の入力およびｐ個の出力を含むスイッチマトリクスを構成し、前記スイッチマトリクスが、複数のスイッチ装置を含み、各スイッチ装置が、１個の入力と少なくとも２個の出力を備え、スイッチ装置の入力に加えられる信号を、前記出力の１つに転送することができ、スイッチマトリクスの各入力が、ｒ個の出力のうちの１個の出力に接続されるように構成される。スイッチ装置は、電子タイプであり、マトリクスの１個の入力からマトリクスの１個の出力への接続を変えることからなるスイッチングを行って、この同じ入力をマトリクスの別の出力に接続するとき、介在するスイッチ装置による損失が、ほぼ同じ値に留まるように取り付けられる。
【００１３】
実施形態によれば、マトリクスは、各入力に対して、１個の入力およびｒ個の出力を備えるように結合されるスイッチ装置アセンブリを含む。
【００１４】
実施形態によれば、マトリクスは、各出力に対して、ｒ個の入力および１個の出力を備えるスイッチ装置アセンブリを含み、出力側に結合されるスイッチ装置アセンブリが、入力側に結合されるスイッチ装置アセンブリと反対向きになるように取り付けられる。
【００１５】
実施形態によれば、出力側に結合されるスイッチ装置アセンブリの構造が、入力側に結合されるスイッチ装置アセンブリの構造と同様である。
【００１６】
実施形態によれば、電子スイッチは、マイクロ波の領域のＩＣである。
【００１７】
本発明はさらに、マトリクスの１個の出力に接続される故障した電子エレメントを、マトリクスの別の出力に接続される別のエレメントに交換することに対するマトリクスの適用方法を提案する。
【００１８】
本発明の他の特徴および長所は、添付図面を参照しながら行われる幾つかの実施形態の説明により明らかになるであろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１に示されたスイッチ装置１０は、たとえばヒ化ガリウム基板上に、統合技術によるマイクロ波作動式トランジスタアセンブリによって、ＭＭＩＣ技術で構成されたスイッチ装置である。
【００２０】
このスイッチ装置は、入力信号Ｅを出力Ｓ_１または出力Ｓ_２に伝送するように構成されるが、しかし、決して同時に２個の出力には伝送しない。スイッチ装置１０はまず、２個の作動分路１２、１４を含んでおり、分路１２は、出力Ｓ_１に接続され、分路１４は、出力Ｓ_２に接続されている。さらに、スイッチ装置１０は、たとえばスイッチ装置１０へのパワー供給が故障した場合に、入力Ｅを５０Ωの負荷１８に分流可能な分路１６を含む。
【００２１】
実施例では、各分路１２、１４が、２個の分流トランジスタを含む。これらの分路は同じであるので、一方、すなわち分路１２だけについて説明する。
【００２２】
入力端子Ｅは、伝送線２４を介してトランジスタ２２のドレイン２０に接続される。トランジスタ２２のソースは接地される。
【００２３】
入力端子２０はまた、別の伝送線２６を介して出力Ｓ_１に接続される。
【００２４】
伝送線２６および出力Ｓ_１に共通の端子は、第２のトランジスタ３０のドレイン２８に接続され、このトランジスタのソースもまた接地される。
【００２５】
２個のトランジスタ２２、３０のゲートは、抵抗３４、３６を介してバイアス端子３２に接続される。バイアス端子３２には、バイアス直流電圧Ｖ_１が印加される。抵抗３４、３６の共通端子は、さらに、抵抗３８を介して接地される。
【００２６】
分路１６は、トランジスタ４０を含み、そのソースは、入力Ｅに接続され、ドレインは、負荷抵抗１８の一端に接続される。この抵抗１８の他端は、接地される。トランジスタ４０のゲートは、抵抗４４を介して端子４２に接続される。端子４２および抵抗４４の共通点は、別の点４６を介して接地される。
【００２７】
端子４２には、バイアス直流電圧Ｖ_２が印加される。
【００２８】
この装置の動作は、以下の通りである。
【００２９】
出力Ｓ_１が選択されると、すなわち入力Ｅが出力Ｓ_１に転送されると、端子３２にピンチオフ電圧未満の電圧Ｖ_１を印加して、各トランジスタが、実際には無限である抵抗と同等になるようにする。実施例では、この電圧の値は−２ボルトである。分路１６にあるトランジスタ４０のバイアス端子４２にも同様に−２ボルトの電圧を印加する。また、分路１４にあるトランジスタのバイアス端子５０にも０ボルトの電圧Ｖ_３を印加して、トランジスタのチャンネルが開くようにする。
【００３０】
こうした条件で、分路１２のトランジスタ２２、３０は、開回路を構成するので、出力Ｓ_１への信号の伝送を妨害しない。
【００３１】
反対に、分路１４の端子５０にゼロボルト電圧を印加すると、対応するトランジスタ５２、５４が短絡する。マイクロ波の領域では、短絡は、アースに到達する信号が入力Ｅに向けて反射され、従って出力Ｓ_１に戻されることを意味する。
【００３２】
分路１６にあるトランジスタ４０のバイアス端子４２に、−２ボルトの電圧を印加すると、トランジスタ４０は開回路状態に維持される。
【００３３】
パワー供給故障の場合、すなわち１つまたは複数のバイアスソースが、分路３２、４２および５０にゼロボルトの電圧を印加するか、あるいはこれらの端子を開放する（すなわち開回路にする）とき、分路１２、１４では、トランジスタ２２、３０、５２、５４が短絡する。かくして分路は、信号を入力Ｅに戻す。反対に、このような故障状態では、トランジスタ４０の抵抗が小さく、こうした状況で入力Ｅに与えられる信号は、負荷抵抗１８に転送される。従って、出力Ｓ_１、Ｓ_２に接続される増幅器およびまたはフィルタなどの電子エレメントは、入力信号を受信しない。そのため、分路１６は、パワー供給故障に対して保護手段を構成する。
【００３４】
変形実施形態では、各作動分路１２または１４に、１個のトランジスタを設けている。しかしながら、分路が非作動であるとき、アースへの分流を改善するために、２個またはそれ以上のトランジスタを設けてもよい。事実、短絡したトランジスタの抵抗はゼロではなく、この抵抗を制限する利点はある。
【００３５】
次に、図２から５を参照しながら、１２個の入力Ｅ_１〜Ｅ_１２および１６個の出力Ｓ_１〜Ｓ_１６を備えたスイッチマトリクス６０について説明する。このマトリクスは、図１に示したタイプの複数のスイッチ装置を含む。
【００３６】
各入力は、出力の５つに接続可能である。従って、入力Ｅ_１は、出力Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４またはＳ_５の１つに接続可能である。だが、もちろん、入力Ｅ_１は、毎回、出力の１つだけに接続される。同様に、入力Ｅ_２は、出力Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６のうちの１つに接続可能であり、以下、出力Ｓ_１２、Ｓ_１３、Ｓ_１４、Ｓ_１５またはＳ_１６の１つに接続可能なＥ_１２まで同様に行われる。一般には、マトリクスが、ｎ個の入力およびｐ個の出力を含む場合、各入力は、ｐ−ｎ＋１個の出力に接続可能である。
【００３７】
入力Ｅ_１が出力Ｓ_１に接続され、入力Ｅ_２が出力Ｓ_４に接続される場合、また出力Ｓ_１に接続される電子エレメント（図示せず）が故障した場合、たとえば出力Ｓ_２に接続される冗長性エレメントに交換可能でなければならない。こうした条件で、入力Ｅ_１がもはや出力Ｓ_１には接続されずに出力Ｓ_２に接続されるように、マトリクス６０のスイッチ装置を制御する。
【００３８】
電子タイプのスイッチ装置は、機械式のスイッチ装置よりも損失が著しく大きいので、接続を変更するたびに損失の変更がないように、マトリクス６０を配置することが好ましい。実際、損失の変更がある場合には、故障した増幅器の代わりになる増幅器の利得を変更しなければならないので、回路構成が非常に複雑化する。電子装置は、約１．５ｄＢの減衰をもたらすが、機械スイッチ装置の対応する減衰は約０．１５ｄＢである。
【００３９】
接続変更の場合に損失を保持するという目的に達するため、本発明は、図３、４に示したように、スイッチ装置をアセンブリまたはモジュール６２（図３）または６４（図４）にまとめるように構成する。さらに、図５に示された実施形態から分かるように、全ての入力Ｅ_１、Ｅ_２等には、互いに同じアセンブリが結合され、全ての出力Ｓ_１、Ｓ_２等には、同じアセンブリが結合される。
【００４０】
図３、４は、スイッチ装置が、２種類のタイプだけに属することができる場合を示しており、すなわち、第１の方法では１個の入力および２個の出力を備え、第２の方法では１個の入力および３個の出力を備える（ここでは、分流出力をカウントしていない）。アセンブリ６２、６４は、図２に示した例のために構成されている。従って、各アセンブリは、１個の入力および５個の出力を含む。
【００４１】
アセンブリ６２（図３）は、１個の入力６６_１および３個の出力６６_２、６６_３、６６_４を備えた１個のスイッチ装置１０_１と、それぞれが１個の入力および２個の出力を含む３個のスイッチ装置１０_２、１０_３、１０_４とを含む。必要な出力は５個だけであるので、スイッチ装置（１０_４）の出力の１つは、作動しない。スイッチ装置１０_２の入力は、導線７０_２を介してスイッチ装置１０_１の出力６６_２に接続される。同様に、スイッチ装置１０_３の入力は、伝送線７０_３によりスイッチ装置１０_１の出力６６_３に接続される。また、スイッチ装置１０_４の入力は、導線７０_４によりスイッチ装置１０_１の出力６６_４に接続される。
【００４２】
アセンブリ６４（図４）は、１個の入力６６’_１および２個の出力６６’_２、６６’_３を備えた１個のスイッチ装置１０’_１と、それぞれが１個の入力および３個の出力を含む２個のスイッチ装置１０’_２、１０’_３とを含む。前述の場合と同様に、必要な出力は５個だけであるので、スイッチ装置（１０’_３）の出力の１つは、作動しない。
【００４３】
スイッチ装置１０’_２の入力は、導線７０’_２を介してスイッチ装置１０’_１の出力６６’_２に接続され、スイッチ装置１０’_３の入力は、別の伝送線７０’_３を介してスイッチ装置１０’_１の出力６６’_３に接続される。
【００４４】
アセンブリ６２または６４の動作は、図１に関して説明したように個々のスイッチ装置の構造および動作から判明する。たとえば、アセンブリ６２の入力６６_１（図３）をスイッチ装置１０_３の出力Ｓ_ｉに接続したい場合、スイッチ装置１０_１を制御して入力６６_１が出力６６_３に接続されるようにし、またスイッチ装置１０_３を制御して、その入力が出力Ｓ_ｉに接続されるようにする。
【００４５】
図５に示した例では、各入力端子および各出力端子に、アセンブリ６２を割り当てるように構成する。かくして入力端子Ｅ_１にはアセンブリ６２_１が割り当てられ、入力端子Ｅ_２にはアセンブリ６２_２が割り当てられ、．．．出力端子Ｓ_１にはアセンブリ６２’_１が割り当てられ、出力端子Ｓ_２にはアセンブリ６２’_２が割り当てられるといったように構成する。
【００４６】
もちろん、アセンブリ６２’_１、６２’_２等は、アセンブリ６２_１、６２_２とは反対向きになるように組み立てられる。より詳しくは、アセンブリ６２’_１のスイッチ装置１０”_２、１０”_３、１０”_４が、２個の入力および１個の出力を含み、スイッチ装置１０”_１が、３個の入力および１個の出力を含む。
【００４７】
さらに、アセンブリ６２_１の各出力を、スイッチ装置６２’_１、６２’_２、．．．６２’_５の入力の１つに接続する導線８０_１、８０_２、８０_３、８０_４、８０_５を設ける。換言すれば、導線８０_１は、アセンブリ６２_１の１個の出力をスイッチ装置６２’_１の５個の入力のうちの１個の入力に接続し、導線８０_２は、スイッチアセンブリ６２_１の第２の出力を換装置６２’_２の５個の入力のうちの１個に接続するといった具合である。スイッチ装置６２_１’の入力のうちの１個の入力だけが、導線に接続され、一方で、他のアセンブリ６２’_２、６２’_３、６２’_４などは、それらの入力に至る導線よりも多数の導線を含むことに気づく。
【００４８】
マトリクスの接続とは無関係に、入力Ｅ_ｉの一個の信号が出力Ｓ_ｉに向かうたびに、同じタイプの複数のエレメントを通過し、すなわち、１個の入力および３個の出力を備えたスイッチ装置、１本の導線、１個の入力および２個の出力を備えたスイッチ装置、別の導線８０_ｉ、２個の入力および１個の出力を備えたスイッチ装置、１本の導線、さらに３個の入力および１個の出力を備えたスイッチ装置を通過する。こうした状況において、損失は、接続とは無関係に同じである。
【００４９】
本発明によるスイッチ装置を備えたスイッチマトリクスの外形寸法および質量は、機械式スイッチエレメントを備えたマトリクスの外形寸法および質量よりもずっと小さいので、宇宙空間用途の場合には、決定的な長所となる。さらに、こうしたマトリクスの価格は、機械スイッチ部品のマトリクスの価格よりもずっと安くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスイッチ装置の回路図である。
【図２】本発明による複数のスイッチ装置を含むスイッチマトリクスを示す図である。
【図３】本発明によるスイッチ装置アセンブリ、またはスイッチ装置モジュールを示す。
【図４】図３の変形実施形態の図である。
【図５】図３に示されたのと同じタイプのスイッチ装置アセンブリを備えたスイッチマトリクスを示す図である。
【符号の説明】
１０ スイッチ装置
１２、１４、１６ 分路
２２、３０、４０ トランジスタ
２４、２６ 伝送線
３２ バイアス端子
１８、３４、３６、３８、４４ 抵抗
６０ スイッチマトリクス
６２、６４ スイッチ装置アセンブリまたはモジュール
Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３、Ｅ_４、Ｅ_５、Ｅ_６、Ｅ_７、Ｅ_８、Ｅ_９、Ｅ_１０、Ｅ_１１、Ｅ_１２ 入力
Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４、Ｓ_５、Ｓ_６、Ｓ_７、Ｓ_８、Ｓ_９、Ｓ_１０、Ｓ_１１、Ｓ_１２、Ｓ_１３、Ｓ_１４、Ｓ_１５、Ｓ_１６ 出力
Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３ バイアス直流電圧

Claims (4)

1. ｐがｎよりも大きいとき、ｎ個の入力およびｐ個の出力を含むスイッチマトリクス（６０）であり、
   前記スイッチマトリクス（６０）が、各入力に対して、第１のスイッチ装置アセンブリ（６２、６４）を含み、
   各第１のスイッチ装置アセンブリが、１個の入力およびｒ個の出力を備え、またスイッチマトリクスの１個の入力に接続される１個の入力と少なくとも２個の出力とを備える第１のスイッチ装置（１０ _１ 、１０’ _１ ）と、第１のスイッチ装置の各出力に接続される１個の入力と少なくとも２個の出力を備える第２のスイッチ装置（１０ _２ 、１０ _３ 、１０ _４ 、１０’ _２ 、１０’ _３ 、１０’ _４ ）とからなり、第２のスイッチ装置の各出力は、スイッチマトリクスのｒ個の出力のうちの１つの出力に接続されており、
   第１および第２のスイッチ装置は、それぞれ、入力に加えられる信号を、前記少なくとも２個の出力の１つに転送することができ、
   前記スイッチマトリクス（６０）の各入力が、ｐ個の出力のうちの１個の出力に接続されるように構成されるスイッチマトリクス（６０）であって、
   前記第１および第２のスイッチ装置が、マイクロ波の領域のＩＣであり、
   スイッチマトリクス（６０）の１個の入力からスイッチマトリクス（６０）の１個の出力への接続を変更することからなるスイッチングを行って、当該入力を、スイッチマトリクス（６０）の別の出力に接続するとき、介在する第１および第２のスイッチ装置による損失が、ほぼ同じ値に留まるように、第１および第２のスイッチ装置が取り付けられることを特徴とするスイッチマトリクス。
2. 前記スイッチマトリクス（６０）の各出力に対して、ｒ個の入力および１個の出力を備える第２のスイッチ装置アセンブリ（６２’_１、６２’_２）を含み、各第２のスイッチ装置アセンブリは、
   第１のスイッチ装置アセンブリの各出力に接続される入力と１個の出力とを備える第３のスイッチ装置（１０” _２ 、１０” _３ 、１０” _４ ）と、第３のスイッチ装置の各出力に接続された入力とスイッチマトリクスのｐ個の出力のうちの１つの出力に接続される出力とを備える第４のスイッチ装置（１０” _１ ）とからなり、
   前記第２のスイッチ装置アセンブリの第３および第４のスイッチ装置は、前記第１のスイッチ装置アセンブリの第１および第２のスイッチ装置と同じマイクロ波の領域のＩＣであり、
   第２のスイッチ装置アセンブリ（６２’_１、６２’_２）が、第１のスイッチ装置アセンブリ（６２_１、６２_２）に対して反対向きになるように取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のスイッチマトリクス。
3. 第２のスイッチ装置アセンブリの構造が、第１のスイッチ装置アセンブリの構造と同様であることを特徴とする請求項２に記載のスイッチマトリクス。
4. スイッチマトリクスの１個の出力に接続される故障した電子エレメントを、当該スイッチマトリクスの別の出力に接続される別の電子エレメントに交換するために、請求項１から３のいずれか一項に記載のスイッチマトリクスを適用する方法。

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