JPS5930322B2 - 導波管用超小型スイツチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はマイクロ波帯以上の超高周波帯において、複数
の導波管の間で電磁波信号の断続をしたり、電磁波信号
接続先を変えたりする導波管用超小型スイッチに関す
るものである。

本発明はダイオード等の半導体素子あるいはフェライト
等の非可逆素子を主要スイッチング用素子として用いな
い機械的なスイッチに関するものである。

種々のマイクロ波帯の送受信装置あるいは衛星通信用無
線装置においては、現用と予備の装置の切替や、信号ル
ートの切替のためにマイクロ波帯のスイッチを必要とす
ることが多いが、そのうち１０ ＧＨｚ以上の周波数帯
では機械的な導波管型切替スイッチが用いられるのが普
通である。

マイクロ波帯におけるスイッチには機械的なもののほか
に、ダイオード等の半導体素子をスイッチング素子とし
た電子的なもの、サーキュレータ等の非可逆回路素子を
用いたものがあるが、それが用いられない理由は、かな
り広帯域にわたって通過時の損失が小さく、逆に遮断時
の損失が大きいものが要求されるためであり、前記の電
子的なスイッチあるいは非可逆回路素子を用いたスイッ
チでは、それらの要求を満たすものが実現できないこと
にほかならない。

さらに一般に１０ ＧＨｚを越えるような周波数では同
軸型の接続コネクタを有するものでは、回路接続時の信
号の不整合反射、損失とも大きいために用いられず導波
管型の切替スイッチが用いられている。

この種の導波管型切替スイッチは、その内部に１本のあ
るいは２本の導波管を有した重いロータを回転させて切
替動作を行なわせるために、切替時間が長くかかりこの
ために種々の問題を生じていた。

第１に切替時間が通常数百ミリ秒と長いため、切替時の
信号断時間が無視しえない長さであること、第２に切替
時には切替スイッチは伝送路としではほとんど短絡状態
になるため信号が反射されて戻るのに接続されている増
幅器等に損傷を与えることがあり、これを避ける対策を
講じる必要があることである。

また２次的な問題としてかなり大きな駆動電力を必要と
するため電源設備が大きくなること、またロータは極め
て小さいエアギャップを保ちつつ高速で回動するので、
これをすみやかに制動することが難かしく往々にして問
題を生じ勝ちであった。

これらの原因は前述の如く大きな慣性モーメントを有す
るロータを回転させなければならないことにあるのは明
らかであり、高速化にもおのずから限界を生じていた。

第１図によりこれをより具体的に説明すれば、第１図ａ
はこの種の導波管型切替スイッチの断面図であり、１は
信号の断続あるいは接続をすべき導波管を取付けるため
の導波管開口端子２を４辺に設けた筐体であり、その内
部にはロータ３を収容し、ロータは回転軸４を中心とし
て筐体１と非常に狭いエアギャップ５を保ちつつ回転で
きるようになっている。

ロータ３の内部には、２本の曲がった導波管６が設けら
れており、それらの開口部６ａが前記の筐体１に設けら
れた導波管開口端子に続く導波管に相対するように、ロ
ータを停止するようなストッパが設けられているが本図
には示してない。

またこのままでは前記の開口端子２とロータ内導波管６
とはエアギャップ５が介在するために完全な接続は得ら
れない。

また、接続されていない導波管開口端子間、例えば第１
図の左と上の端子間に電磁波の漏れによる不要な結合を
生じる。

このためにはロータ部３にその深さが使用周波数で約４
分の１波長のスロット７を設けて一種の帯域反射フィル
タ型チョークとすることが一般になされている。

スロットの数は接続が行なわれていない導波管開口端子
間の漏洩結合量を小さく（一般に−７０ｄＢ以下）おさ
えるためには４分の１波長間隔で数個設ける必要がある
のでロータ直径の小型化には限界がある。

従ってロータの質量はかなり大きくなりその回転軸まわ
りの慣性モーメントが大きく高速切替は非常に難かしい
。

さらにこれをすみやかに制動し定位置に停止させるのも
大きな問題である。

第１図すはロータ３が回転して切替動作が完了した状態
を示すものである。

この種の導波管型切替スイッチは一般に数百ミリ秒の切
替時間を必要とし、不要端子間の漏洩結合量の若干大き
い小型のものでも約１００ ｍ５ｅｃ程度が得られてい
るにすぎない。

本発明はかかる従来の導波管型切替スイッチが有するこ
れらの欠点を除去するために、導波管を一旦、同軸導波
管姿態変換器により同軸管に変換し、可動中心導体を有
するストリップ線路に変換して互いに断続動作をなすよ
うにして、これらを一つの筐体内に構成したもので、そ
の目的は第１に導波管型切替スイッチの広帯域にわたっ
て低損失で、接続されない端子間の信号の減衰量が大き
いという特長を保ちつつ、２０倍以上の高速化を達成し
、スイッチ切替時の信号反射の影響を小さくし、回線断
時間を短縮するマイクロ波帯スイッチを提供することに
ある。

本発明の別の重要な目的は消費電力の非常に小さい切替
スイッチを提供することにある。

また本発明の他の目的は非常に小型、軽量で他の装置へ
の実装上好都合でまた故障を生じにくい信頼性の高い切
替スイッチを提供することにある。

第２図は本発明の実施例の外観斜視図であって、１１は
筐体、１２は導波管開口端子でフランジ結合用タップ穴
１３が設けられており、他の信号の切替を行うべき導波
管を接続するようになっている。

第２図の導波管の幅の広い側の面（Ｈ面）に平行に導波
管の中央部付近で筐体を切った場合の断面図を第３図に
示す。

第３図において、筐体１１内には開口端子１２につなが
る導波管１４が４個一体に形成されており、各々の導波
管は短絡壁１５により終端されている。

さらに終端壁からその使用周波数の中心付近で４分の１
波長程度の距離のところに同軸線路１６が垂直にその先
端のプローブ１７部分で結合している。

第４図は第３図でＡ−Ａ’で示される切断面にて切った
場合の断面図を表わしたものであり、１７が前述のプロ
ーブ部分であり導波管１４内に突出しており、これから
同軸線路１６へと導かれている。

プローブ１７はそのまま同軸線路の中心導体１８となり
端部には固定型１ｉｓａが設けられており、これは誘導
体支持部材１９により支えられている。

前記のプローブ１７と短絡壁１５で終端された導波管１
４は同軸導波管姿態変換器を構成しており、同軸線路１
６と導波管１４とを信号の反射を小さく押えつつ変換す
るようになっている。

同軸線路１６は前記の固定電極１８２部で終わり互いに
接続をすべき他の導波管に設けられた同軸線路の端部間
にはストリップ線路が設けられ、矩形断面の外導体２０
と、前記の固定電極１８８間を橋絡して接触する可動中
心導体２１とによりこれが構成されている。

また可動中心導体２１の中央部付近にはこれを筐体の外
部から動かして固定電極１８に接触させたりあるいはス
トリップ線路外導体２０に密着させたりするための駆動
棒２２ａ、２２ｂが取付けられている。

駆動棒２２ｂは筐体に穿設された孔２４に挿入され端部
にはコイルばね２３を設けである。

また駆動棒２２ａはストリップ線路を完全に閉じるため
のカバー１１２に穿設された孔２５を通して筐体外部に
突き出している。

第４図においてＢ −Ｂ’で示した仮想線にて切った場
合の断面図を第５図に示す。

この図は複数（この場合４個）の同軸線路とそれらの間
に設けられた可動中心導体を含むスｌ−ＩＪツブ線路と
の関係を明確に示すためのものであり、４個の同軸線路
１６の端部の固定電極１８．２の互いに隣り合うものど
うしの間にストリップ線路の可動中心導体２１が橋絡さ
れ、その両端部を接触させている。

可動中心導体２１の中央部付近には、前記の、駆動棒２
２ａ 、２２ｂを取付けるための取付穴２１ａが設けら
れており、この部分に駆動棒を挿入している。

また可動中心導体２１が前記の取付穴２１ａを中心とし
て回転することを避けるためのガイド棒２６が前記駆動
棒の両側に設けられている。

第６図は前述のスイッチ本体と駆動装置との関係を示す
ための図であり、第・５図の仮想線Ｃ−Ｃ’をもって本
スイッチを切断した場合の断面図である。

第６図において２０は前記のストリップ線路外導体、２
１は可動中心導体、２２ａ、２２ｂは可動中心導体を動
かすための駆動棒、２３はコイルばね、１１ａはカバー
である。

駆動棒２２ａを押して可動中心導体２１の両端部と前記
の固定電極１８ａとをある一定の圧力で接触せしめるた
めに、板ばね２７がその先端を前記駆動棒２２ａに接触
するように、また片端を筐体１に設けたばね取付台２８
に固定されている。

板ばね２７は外部から力カ切口わらない状態のときには
駆動棒２２ａに触れないようになっている。

駆動棒２２ａを実際に動かすための手段としてプランジ
ャ電磁石２９があり、３０はプランジャ電磁石の可動ピ
ストンであり、可動ピストン３０には駆動ピン３１が取
付けられており、駆動ピン３１は磁心３２−に穿けられ
たガイド穴を通してその先端部３１ａを前記板ばねに接
触せしめこれを押すようになっている。

３３３はプランジャ電磁石の励磁巻線である。

３４はプランジャ電磁石の可動ピストン３０の戻り用コ
イルばねであり、３５は可動ピストンの動作ストローク
を決めるストッパである。

なお本図にはプランジャ電磁石を筐体に固定する手段を
示してないが、実際には１駆動棒２２ａおよび板ばね２
７に対して適当な位置関係を保つように取付けられてい
る。

第６図において左側のプランジャ電磁石は励磁されてい
ない状態、右側のそれは励磁されて可動ピストン３０を
磁心に吸着し、さらに駆動ピン３１が板ばね２７を押し
ている状態を示している。

次にこれが動作しスイッチとして切替がどのようになさ
れるかを説明する。

本発明の第２図〜第６図に実施例として示したスイッチ
は機能的には第１図の従来の導波管型切替スイッチと同
じ働きをする。

すなわち第１図ａの場合には左側の端子と下側の端子と
の間、および右側の端子と上側の端子との間が接続され
、第１図すの場合には左と上および右と下の端子がそれ
ぞれ接続されるが、まず本発明のスイッチにより第１図
ａと同じ電気的接続を得るにはどうするかを述べる。

第１図ａと同じ接続を生せしめるには、第３図において
左の導波管と下の導波管とを電気的に結合させ、同時に
右の導波管と上の導波管と結合させればよい。

さらに具体的にはこれらの導波管と直接結合している同
軸線路１６のそれぞれ対応するものどうしを結合させれ
ばよく、接続すべき同軸線路の間のストリップ線路の可
動中心導体２１両固定電極１８ａに接触させればよく、
逆に接続されるべきでない同軸線路の間に設けられた可
動中心導体はストリップ線路の外導体２０に密着させれ
ばよい可動中心導体２１を固定電極１８ａに接触させる
には対応するプランジャ電磁石２９を励磁させ１駆動ピ
ン３１によって板ばね２７を押し、板ばねの変位により
駆動棒２２ａを押すことにより達成される。

逆に可動中心導体２１をストリップ線路外導体２０に密
着せしめるには対応するプランジャ電磁石を励磁しなけ
れば良い。

この場合駆動ピン３１は板ばね２７を押さないので板ば
ね２７は駆動棒２２ａに触れず、駆動棒は筐体内に穿設
された孔２４の内部に埋め込まれたコイルばね２３の圧
力により可動中心導体２１をストリップ線路外導体２０
に押しつける。

電磁波信号の伝播についてより具体的に述べると、例え
ば第３図の下側の導波管開口端子１２から左側の導波管
開口端子までの伝播については、まず下側の導波管から
入射する電磁波は導波管短絡壁１５とプローブ１７で構
成される同軸導波管姿態変換器により同軸線路１６へ伝
わる。

同軸線路１６からは左側の導波管に直接結合している同
軸線路との間に設けられたストリップ線路を伝播して再
び同軸線路さらに同軸導波管姿態変換器を径由して左側
の導波管開口端子へと導かれる。

次に接続が行なわれていない導波管どうしの間で高い減
衰量が得られる理由について述べると、例えば第３図の
右側と下側の導波管の間が接続されていないとすると、
それぞれに直結する同軸線路の可動中心導体２１を外導
体２０の内壁にコイルばね２３により押しつけることに
より、可動中心導体２１は外導体と電気的に一体となり
、ストリップ線路部分は一転して遮断導波管となる。

すなわち導波管開口端１２に入力する電磁波の波長に較
べて、より短い遮断波長を有する一種の遮断導波管（Ｃ
ｕｔ Ｏｆｆ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ）になるために、
これを伝播する電磁波は長さに従って指数関数的に減衰
するために、遮断周波数を高くしてかつストリップ線路
部の長さを十分とれば極めて高い漏洩減衰量を得ること
ができる。

具体的に一例をあげれば第５図においてストリップ線路
外導体２０の幅が２．４ｍｍの場合には遮断周波数は５
０ ＧＨｚ程度となり従って隣り合う同軸線路の間隔を
１５ｍｍとしたとき周波数２６ ＧＨｚに於いて８０ｄ
Ｂ以上の漏洩減衰量を得ることができる。

以上述べたように、本発明による導波管用超小型スイッ
チは極めて小さく軽量な可動中心導体をスイッチの切替
用に用いており、またその動く範囲、ストロ−久も非常
に小さいために、これを駆動するエネルギーはＮ、ｓ霊
（［＝、な値でよく、さらにその動作速度も著
される。

また接続されていない端子間も高い漏洩減衰量が得られ
従来の導波管型切替スイッチに優るとも劣らない。

たゾし損失については同軸線路部、ス） ＩＪツブ線路
部及び接触部の３部分のために僅か増加するが、一般に
は特に低損失、例えば０．１ｄＢ以下を要求される特殊
用途以外は実用上支障はない。

また電磁波信号の不要な反射についても若干増加する。

これは同軸導波管変換部および同軸線路からストリップ
線路への変換部を含んでいるためにある程度やむを得な
いが、各部を反射が小さくなるよう注意して設計すれば
、実用上支障のないＶＳＷＲ（電圧定在波比）１．４以
下には容易に入れられる。

さらにこれは導波管開口端子につながる導波管の標準使
用周波数範囲をカバーする広い周波数範囲で反射を小さ
くしているが、もつと狭い周波数範囲で良い場合が一般
的であり、この場合には本スイッチの導波管内に整合調
整用ねじを設けてこれにより微調することは非常に有効
である。

またサイズについても回転する大きなロータを有してい
ないので小型化でき同時に軽量化も達成される。

具体例により比較すれば、第１図に示される構造の従来
の導波管型切替スイッチに対して、本発明の導波管用超
小型スイッチは導波管口径寸法が１０．６６８Ｘ４．３
１８間の４つの開口端子を有する同機能のもので、まず
駆動電力では従来のものが電圧２４Ｖで電流２．５Ａ以
上であるのに対して、本発明のスイッチでは２４Ｖで８
０ｍＡであり約３０分の１に低減されている。

次にスイッチの切替時間は従来の約１５０ ｍ５ｅｃに
対し本発明の６ｍ ｓ ｅ ｃ程度と、駆動力が低減さ
れているにもかかわらず著しく短縮され約２５分の１に
なっている。

またサイズは本発明を実施したスイッチでは笛体の１辺
の長さが３５ｆｉ７Ｗであり、駆動装置をも含む占有体
積は約６０ｉであり、従来のスイッチでは体積約４４０
ｄであり７分の１以下の小型化が達成されている。

また重量について言えば１駆動部を含めて約１５０ｇで
あり従来のものでは約７００ｇとなっている。

以上の如く、本発明を実施したスイッチは、通過損失と
不整合反射の２点で従来の導波管切替スイッチに僅か劣
るものの一般には実用上の支障はない程度であり、これ
に対し高速化、低消費電力化は著しく、前記の欠点を補
って余りあるものである。

同時に著しい小型軽量化も達成されており、他の装置へ
の実装上好都合である。

また本発明のスイッチは運動部分の質量、ストロークと
も小さく、駆動の方法も簡単で、従来の導波管型スイッ
チの如く慣性モーメントの大きいロータを小さなギャッ
プを保ちつつ高速で回動し、さらにそ些をすみやかに制
動するという非常にトラブルを生じ易い構造になってい
ないため信頼度が高いものが得られる。

また本発明はその発明の精神を著しく変形せず失わない
範囲で種々の変形が考えられる。

例えば本スイッチの駆動装置について述べれば、本実施
例ではプランジャ電磁石を各駆動棒に対し１個づつ用い
たものについて記述したにとどめたが、例えば全体で１
個あるいは２個のプランジャ電磁石を用いて何らかの連
動リンク機構によって力と変位を伝達させ駆動ピンを動
かすこともできる。

またプランジャ電磁石の代わりに通常の電磁リレーの如
き可動鉄片を有したもの、あるいはプランジャ電磁石の
ピストンの直進運動を回転運動に変えた回転プランジャ
電磁石も′使用できる。

要は駆動棒を押すような装置であればよく、もちろん手
動でも可能である。

また本実施例で述べた同軸導波管姿態変換器は短絡壁で
終端した導波管内に突出させたプローブを含んでおり、
プローブの径と同軸部の中心導体径とを一致させたが、
これは製作し易さを考慮したものであり、プローブの径
を第７図ａに示すごとく大きくした方が、より広帯域に
なる場合が多Ｇ）。

この詳細についてはＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈ
ｅｌ。ＲＥ、Ｆｅｄ、１９５３．Ｐ、２５６〜Ｐ、２６
１に記載されたＷ、Ｗ、Ｍｕｍｆｏｒｄ氏の論文”Ｔｈ
ｅＯｐｔｉｍｕｍ Ｐｉｓｔｏｎ Ｐｏ５ｉｔｉｏｎ
ｆｏｒ Ｗｉｄｅ −Ｂａｎｄ Ｃｏａｘｉａｌ−ｔｏ
−ＷａｖｅｇｕｉｄｅＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ”に述べ
られているので特に説明を省く。

またより広帯域にするには第７図すに示すようにプロー
ブ１７の設けられている部分の導波管の高さを減じて、
入力端の導波管開口端子１２との間に１段あるいは複数
の段数の４分の１波長インピーダンス変換器１４ａを設
けることが有効なこともある。

同軸導波管姿態変換器にはそのほか第７図Ｃの如く球径
のプローブを有するもの、第７図ａの如く円錐状コーン
を有するもの、あるいは導波管の幅広面（Ｈ面）に平行
な横棒を有するクロスバ−型筒各種のタイプが存在する
がいづれも使用可能である。

また本発明の実施例においては４個の導波管開口端子を
有するものについて説明したが、第８図に示すように３
個の開口端子を有するものも構成できる。

第８図において、中央部の同軸線路から両端の同軸線路
に向かってストリップ線路が設けられそれぞれ１個の可
動中心導体を有している。

中央の導波管開口端子１２から入射する電磁波信号は可
動中心導体が固定電極に接触しているか、外導体内壁に
接触しているかにより上側の導波管か下側の導波管かへ
切替わることになる。

また開口端子を２個として単に信号を断続する機能のみ
を有したスイッチを構成することも可能である。

またいままであげた実施例では導波管開口端子の開口サ
イズ１台のスイッチについてすべて同一としたが必要に
応じて一部の端子の開口サイズを異なったものとするこ
とも可能である。

本発明の導波管用超小型スイッチはマイクロ波通信装置
、衛星通信地球局のマイクロ波帯における現用／予備装
置の切替や信号のルート切替に使って有用のみならず、
小型、軽量、低消費電力で高信頼度という特長を生かし
て、航空機、人工衛星への塔載にも極めて適したもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂは従来の導波管型切替スイッチの回転ロー
タを含む水平断面図、第２図は本発明の導波管用超小型
スイッチの一実施例の斜視図、第３図は同じ実施例の導
波管Ｈ面に平行な面で切った断面図、第４図は第３図に
Ａ−Ａ’としるされた面で切った本発明装置の垂直断面
図、第５図は第４図にＢ−Ｂ’としるされた面で切った
本発明装置の水平断面図、第６図は第５図にＣ−Ｃ／と
しるされた面で切った本発明装置の垂直断面図であり、
第７図ａ、ｂ、ｃ、ｄは同軸導波管姿態変換器の部分の
種々の変形を示す断面図、第８図は導波管開口端子の数
を３個とした本発明装置の他の実施例を示す導波管のＨ
面に平行な面で切った断面図である。 なお図面中に使用した符号は以下のとおりである。 １・・・・・・笛体、２・・・・・・導波管開口端子、
３・・・・・・ロータ、４・・・・・・回転軸、５・・
・・・・エアギャップ、６・・・・・・導波管、６ａ・
・・・・・導波管開口部、７・・・・・・スロット、１
１・・・・・・筐体、１１ａ・・・・・・カバー、１２
・・・・・・導波管開口端子、１３・・・・・・フラン
ジ結合用タップ穴、１４・・・・・・導波管、１５・・
・・・・導波管短絡壁、１６・・・・・・同軸線路、１
７・・・・・・プローブ、１８・・・・・・中心導体、
１８ａ・・・・・・中心導体端部の固定電極、１９・・
・・・・誘電体支持部材、２０・・・・・・ストリップ
線路外導体、２１・・・・・・ストリップ線路中心導体
、２１ａ・・・・・・取付穴、２２ ａ ｔ ２２ ｂ
・・・・・・駆動棒、２３・・・・・・コイルばね、２
４・・・・・・コイルばね挿入孔、２５・・・・・・駆
動棒用貫通孔、２６・・・・・・ガイド棒、２７・・・
・・・板ばね、２８・・・・・・板ばね取付台、２９・
・・・・・プランジャ電磁石、３０・・・・・・可動ピ
ストン、３１・・・・・・駆動ピン、３１ａ・・・・・
・駆動ピンの先端部、３２・・・・・・磁心、３３・・
・・・・励磁コイル、３４・・・・・石イルばね、３５
・・・・・・ストッパ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個の導波管の切替接続を行なう小型スイッチに
   おいて、前記各導波管にそれぞれ接続される同軸導波管
   姿態変換器部が内部に設けられている筐体と、この筐体
   内に互に平行に挿入装置され中心導体先端が前記同軸導
   波管姿態変換器部内に挿入されている同軸線路と、この
   同軸線路の所望の中心導体他端部間を橋絡するように動
   く可動中心導体を内部導体とし筐体の一部とこれと協働
   する地導体とを外部導体とするストリップ線路と、前記
   可動中心導体を所望の前記同軸線路の中心導体他端部か
   あるいは前記ストリップ線路の外部導体を形成する地導
   体かのいずれかに接触させる駆動棒と、この駆動棒を筐
   体の外部から構成される装置とを備え、駆動棒を動作さ
   せ適宜の可動中心導体を偏位させることにより所望の導
   波管が接続されるように構成されていることを特徴とす
   る導波管用超小型スイッチ。 ２ 駆動棒を筐体の外部から構成される装置として電磁
   プランジャを使用した特許請求の範囲第１項記載の導波
   管用超小型スイッチ。 ３ 同軸導波管姿態変換器部内に挿入されている同軸線
   路の中心導体先端部またはその近傍が広帯域に適する形
   状構造をしている特許請求の範囲第１項または第２項記
   載の導波管用小型スイッチ。