RU202991U1

RU202991U1 - HIGH POWER COAXIAL SWITCH

Info

Publication number: RU202991U1
Application number: RU2020109977U
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Бирюков; Сергей Иванович Губин; Олег Владимирович Федоренко; Екатерина Григорьевна Пинженина
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Октябрь"
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-03-17

Abstract

Для коаксиальных переключателей большой мощности, предназначенных для применения в космических аппаратах, актуальной проблемой является отсутствие атмосферного давления и связанные с этим отсутствие охлаждения за счет конвенции воздуха, наличие заряженных частиц и понижение напряжения электрического пробоя. Основными особенностями предлагаемой конструкции коаксиального переключателя большой мощности являются: применение продольных вентиляционных каналов в составных изоляторах коаксиальных соединителей переключателя для отвода воздуха из зазоров между соединяемыми изоляторами, а также применение толкателей пластин полосковых линий из материалов с повышенным коэффициентом теплопроводности и способ компенсации отражений электромагнитной волны от толкателей пластин путем увеличения расстояния между боковыми стенками полосковых линий в месте установки толкателей.For coaxial switches of high power intended for use in spacecraft, an urgent problem is the lack of atmospheric pressure and the associated lack of cooling due to the air convention, the presence of charged particles and a decrease in the electric breakdown voltage. The main features of the proposed design of a high-power coaxial switch are: the use of longitudinal ventilation ducts in the composite insulators of the coaxial connectors of the switch to exhaust air from the gaps between the insulators to be connected, as well as the use of pushers of strip line plates made of materials with an increased thermal conductivity coefficient and a method of compensating for electromagnetic wave reflections from pushers plates by increasing the distance between the side walls of the strip lines at the installation site of the pushers.

Description

Полезная модель относится к механически коммутируемым переключателям, предназначенным для коммутации СВЧ-сигналов, в том числе высокой мощности, применяемых в условиях пониженного атмосферного давления. Основные области применения: телекоммуникационное оборудование, аэрокосмическое оборудование.The utility model relates to mechanically switched switches intended for switching microwave signals, including high power ones, used in conditions of low atmospheric pressure. Main areas of application: telecommunications equipment, aerospace equipment.

Типовые переключатели состоят из корпуса, коаксиальных соединителей для подключения линий передачи СВЧ, механизма коммутации между коаксиальными соединителями, устройства управления механизмом коммутации. Главной сложностью для нормальной работы коаксиальных переключателей большой мощности является электрический пробой между коаксиальными соединителями или коаксиальным соединителем и корпусом устройства. Основными являются два вида пробоев - тепловой и электрический. В зависимости от атмосферного давления, конструкции линий передачи СВЧ и наличия ионизированных частиц могут происходить следующие виды электрических пробоев: коронный разряд; высокочастотный пробой; мультипакторный разряд (Multipaction Breakdown) (вторично-эмиссионный микроволновый разряд в вакууме) [1].Typical switches consist of a housing, coaxial connectors for connecting microwave transmission lines, a switching mechanism between coaxial connectors, and a switching mechanism control device. A major challenge for high power coaxial switches to function properly is electrical breakdown between the coaxial connectors or coaxial connector and the device case. The main ones are two types of breakdowns - thermal and electrical. Depending on the atmospheric pressure, the design of microwave transmission lines and the presence of ionized particles, the following types of electrical breakdowns can occur: corona discharge; high frequency breakdown; multipactor discharge (Multipaction Breakdown) (secondary emission microwave discharge in vacuum) [1].

Минимум Е_пробоя в сантиметровом диапазоне длин волн соответствует для большинства газов абсолютному давлению порядка 0,001÷0,01 атмосферы [2]. При этом напряжение пробоя уменьшается примерно на порядок, по сравнению с напряжением пробоя при нормальном атмосферном давлении. При указанных выше давлениях могут возникать коронный разряд и высокочастотный пробой. При давлениях 10^-5 мм. рт. ст. может возникать мультипакторный разряд [1]. При этом напряжение пробоя может быть на два порядка меньше, чем при нормальном атмосферном давлении [4]. В этом случае принимаются специальные меры для исключения перечисленных выше пробоев [1], [3]. К этим мерам относятся: 1) исключение воздушных промежутков в линиях передачи СВЧ, там, где это возможно; 2) применение вентиляционных отверстий; 3) окружение проводников линии передачи СВЧ твердым диэлектриком, для исключения прямых столкновений электронов с металлическими проводниками линии передачи.The minimum E _breakdown in the centimeter wavelength range corresponds for most gases to an absolute pressure of the order of 0.001 ÷ 0.01 atmosphere [2]. In this case, the breakdown voltage decreases by about an order of magnitude compared to the breakdown voltage at normal atmospheric pressure. At the pressures indicated above, corona discharge and high frequency breakdown can occur. At pressures of 10 ^-5 mm. rt. Art. a multipactor discharge may occur [1]. In this case, the breakdown voltage can be two orders of magnitude lower than at normal atmospheric pressure [4]. In this case, special measures are taken to exclude the above breakdowns [1], [3]. These measures include: 1) elimination of air gaps in microwave transmission lines, where possible; 2) the use of ventilation holes; 3) surrounding the conductors of the microwave transmission line with a solid dielectric, to exclude direct collisions of electrons with the metal conductors of the transmission line.

Наиболее близким по техническому решению является патент [з], в котором повышение электрической прочности предлагается решать путем сплошного единого изолятора для всех трех коаксиальных линий переключателя и для двух полосковых линий. При этом полосковые линии размещаются в боксе, закрытом сверху крышкой из диэлектрика. Воздух из бокса уходит во внешнее пространство через вентиляционные отверстия.The closest in technical solution is the patent [h], in which it is proposed to solve the increase in dielectric strength by means of a solid single insulator for all three coaxial lines of the switch and for two strip lines. In this case, the strip lines are placed in a box closed from above with a dielectric cover. The air from the box is discharged into the external space through the ventilation holes.

Недостатком технического решения является то, что не все подходящие для изоляторов материалы допускают литье, а механическая обработка изолятора сложной формы технологически трудоемка. Кроме этого, в сплошном изоляторе не всегда возможно зафиксировать гнездо соединителя от перемещений при стыковке-расстыковке соединителей. В соединителях с фторопластовыми изоляторами иногда гнездо запрессовывают в изолятор, благодаря некоторой пластичности фторопласта. Фторопласт, по причине малой теплопроводности, не пригоден для применения в переключателях большой мощности, а материалы, имеющие теплопроводность большую, чем фторопласт, не всегда обладают требуемой пластичностью.The disadvantage of the technical solution is that not all materials suitable for insulators can be cast, and the machining of an insulator of complex shape is technologically laborious. In addition, in a solid insulator, it is not always possible to fix the connector socket against movements when docking-undocking the connectors. In connectors with fluoroplastic insulators, sometimes the socket is pressed into the insulator, due to some plasticity of the fluoroplastic. PTFE, due to its low thermal conductivity, is not suitable for use in high-power switches, and materials with a thermal conductivity greater than PTFE do not always have the required plasticity.

Техническим результатом полезной модели является исключение теплового и электрического пробоев в механически коммутируемом переключателе, предназначенном для коммутации СВЧ-сигналов.The technical result of the utility model is the elimination of thermal and electrical breakdowns in a mechanically switched switch intended for switching microwave signals.

Тепловой пробой в коаксиальном переключателе возникает по причине нагрева проводника полосковой линии, соединяющего две коаксиальных линии. Для отвода тепла от центра внутреннего проводника полосковой линии (пластина) предлагается толкатели пластин выполнять из материала с повышенной теплопроводностью. При этом тепло отводится как на пружину, возвращающую пластину в состояние разрыва цепи, так и на переключающий механизм. Так как материалы с повышенной теплопроводностью имеют и повышенную диэлектрическую проницаемость (например, нитрид алюминия AlN, обладающий большой теплопроводностью 170 Вт/(м*К), имеет диэлектрическую проницаемость ε≈8,8 (тогда как у фторопласта теплопроводность 0,25 Вт/(м*К)) при диэлектрической проницаемости ε≈2,05), то такой стержень вызовет дополнительные отражения электромагнитной волны. Эта проблема может быть решена путем увеличения расстояния между стенками полосковой линии в местах установки толкателей полосковых проводников.Thermal breakdown in a coaxial switch occurs when the strip conductor that connects the two coaxial lines heats up. To remove heat from the center of the inner conductor of the strip line (plate), it is proposed that the plate pushers be made of a material with increased thermal conductivity. In this case, heat is removed both to the spring, which returns the plate to the open circuit state, and to the switching mechanism. Since materials with increased thermal conductivity also have an increased dielectric constant (for example, aluminum nitride AlN, which has a high thermal conductivity of 170 W / (m * K), has a dielectric constant ε≈8.8 (whereas a fluoroplastic has a thermal conductivity of 0.25 W / ( m * K)) with a dielectric constant ε≈2.05), then such a rod will cause additional reflections of the electromagnetic wave. This problem can be solved by increasing the distance between the walls of the strip line in the places where the pushers of the strip conductors are installed.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

Конструкция коаксиального переключателя большой мощности поясняется чертежом. На фигуре изображен общий вид фрагмента коаксиального переключателя большой мощности в разрезе.The design of the high power coaxial switch is illustrated by the drawing. The figure shows a General view of a fragment of a high power coaxial switch in section.

В корпусе 1 устройства размещены три коаксиальных соединителя 2, коммутируемые внутренними проводниками полосковых линий (пластинами) 3. Коммутация соединителей пластинами производится механическим усилием толкателей 4, 5. Толкатели 4 при нажатии соединяют пластиной центральные контакты соответствующих соединителей, толкатели 5, под действием пружин 6 разъединяют. Изоляторы полосковых линий 7 и диэлектрическая крышка отсека полосковых линий 8 предотвращают замыкание и выполняют гальваническую развязку полосковых линий относительно корпуса и металлической крышки 9 и уменьшают дополнительные отражения электромагнитной волны внутри корпуса. Места расширения боковых стенок полосковых линий 10 также обеспечивают уменьшение дополнительных отражений электромагнитной волны. Продольные вентиляционные каналы 11 обеспечивают перераспределение воздуха между частями переключателя при перемещении полосковых линий.In the case 1 of the device there are three coaxial connectors 2, commutated by the internal conductors of the strip lines (plates) 3. The connectors are switched by the plates by the mechanical force of the pushers 4, 5. The pushers 4, when pressed, connect the central contacts of the corresponding connectors with the plate, pushers 5, under the action of the springs 6 disconnect ... The insulators of the strip lines 7 and the dielectric cover of the compartment of the strip lines 8 prevent short circuits and perform galvanic isolation of the strip lines relative to the housing and the metal cover 9 and reduce additional reflections of the electromagnetic wave inside the housing. The expansion locations of the side walls of the strip lines 10 also provide a reduction in additional electromagnetic wave reflections. Longitudinal ventilation ducts 11 provide air redistribution between the parts of the switch when moving the strip lines.

Литература:Literature:

1) Кива Джузинский и др. «Радиочастотные соединители для космического применения» КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ, №6 '2017.1) Kiva Juzinsky et al. "RF Connectors for Space Applications" COMPONENTS AND TECHNOLOGIES, # 6 '2017.

2) Семенов Н.А. «Техническая электродинамика», изд. «Связь», Москва, 1973 г.2) Semenov N.A. "Technical electrodynamics", ed. "Communication", Moscow, 1973

3) United States Patent Feb. 5, 1980, № 4187416.3) United States Patent Feb. 5, 1980, No. 4187416.

4) Стандарт ECSS-E.20-01A. Rev. l, March 2013.4) ECSS-E.20-01A standard. Rev. l, March 2013.

Claims

A coaxial switch containing a switching circuit, three coaxial connectors with insulators and two strip lines, the inner conductors of which are made with the possibility of alternately connecting and disconnecting the terminals of the central and one of the side coaxial connectors under the action of springs located under the pushers, which are located between two adjacent insulators and above which there is a switching circuit lever, characterized in that the insulators of the coaxial connectors are made composite with longitudinal ventilation holes, while at the joints of the insulator parts, one part of the insulator partially enters the other part of the insulator, and the pushers are made of a dielectric material with an increased coefficient of thermal conductivity.