RU2509395C1

RU2509395C1 - Contact microwave switch

Info

Publication number: RU2509395C1
Application number: RU2012154467/08A
Authority: RU
Inventors: Андрей Викторович Быков; Ольга Борисовна Быкова
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-03-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: contact microwave switch comprises inlet and outlet slots, a central strip rigidly connected to central conductors of inlet and outlet slots, grounding plates, electrically connected with external conductors of inlet and outlet slots, and dielectric plates installed between the central strip and grounding plates, grounding plates jointly with dielectric plates may move. At the same time between the grounding plates and the external conductors of inlet and outlet slots there is a dielectric gasket, and dielectric plates installed between the central strip and grounding plates are made at least from two composite parts, having different dielectric constants.

EFFECT: increased reliability, increased isolation with improved manufacturability and reduced cost.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано для коммутации СВЧ сигналов в фидерных трактах различного назначения, в частности при создании переключателя фидерных трактов.The invention relates to techniques for microwave frequencies and can be used for switching microwave signals in feeder paths for various purposes, in particular when creating a switch feeder paths.

При разработке устройств СВЧ возникает задача создания высокочастотного переключателя для коммутации фидерных трактов, и при этом не требуется высокое быстродействие. Для решения этой задачи часто используют механические переключатели. Механические переключатели имеют хорошее согласование, малые потери, высокий уровень рабочей мощности и малую мощность, потребляемую системой управления, так как, в отличие, например, от переключателей на полупроводниковых диодах, энергия потребляется только во время переключения.When developing microwave devices, the problem arises of creating a high-frequency switch for switching feeder paths, and high speed is not required. To solve this problem, mechanical switches are often used. Mechanical switches have good coordination, low losses, a high level of operating power and low power consumed by the control system, since, unlike, for example, switches on semiconductor diodes, energy is consumed only during switching.

Так, отдаленный аналог заявляемого изобретения - коаксиальный переключатель, содержащий установленную на торце статора переключателя входную коаксиальную фишку и расположенные по окружности статора выходные коаксиальные фишки, расположенный в роторе переключателя отрезок коаксиальной линии, изогнутой под углом 90°, причем ротор переключателя выполнен конической формы и снабжен подпружинивающим механизмом, регулирующим степень давления ротора на статор (авт. св. СССР №209553, Кл. 21а⁴, 72/02, 1968). Описанная конструкция позволяет добиться хорошего согласования, малых потерь и хорошего контакта в коническом переходе.So, a distant analogue of the claimed invention is a coaxial switch containing an input coaxial chip mounted on the end of the stator of the switch and output coaxial chips located around the circumference of the stator; spring-loaded mechanism regulating the degree of pressure of the rotor on the stator (ed. St. USSR No. 209553, Cl. 21a ⁴ , 72/02, 1968). The described construction allows achieving good matching, low losses and good contact in the conical transition.

Однако этому устройству присущи следующие недостатки:However, this device has the following disadvantages:

- сложность конструкции, обусловленная, например, необходимостью точного исполнения конуса ротора для обеспечения устойчивого и надежного контакта между подвижной и неподвижной частями внешнего проводника;- the complexity of the design, due, for example, the need for accurate execution of the cone of the rotor to ensure stable and reliable contact between the movable and fixed parts of the outer conductor;

- малая надежность, вызванная низкой надежностью контактов между подвижной и неподвижной частями центрального проводника коаксиальной линии. Низкая надежность контактов обусловлена малой площадью соприкосновения контактных пластин подвижной части центрального проводника с ножами фидеров, что приводит к нагреву контактов, их подгоранию и потере их пружинящих свойств вследствие изменения при нагреве свойств материала, из которых сделаны контакты. Увеличение площади соприкосновения приводит, как правило, к увеличению емкостной составляющей импеданса, что, в свою очередь, приводит к ухудшению согласования, росту потерь. Все это приводит к тому, что к контактным цангам предъявляются жесткие требования. Они должны обладать хорошими упругими свойствами в широком диапазоне температур, иметь небольшие размеры, чтобы не создавать дополнительных паразитных реактивностей, ухудшающих согласование, должны отсутствовать острые кромки, снижающие электропрочность устройства. Все эти требования снижают технологичность устройства и увеличивают его стоимость. Кроме того, при увеличении давления ротора на статор возможно смещение подвижной части центрального проводника таким образом, что оси центральных проводников подвижной и неподвижной частей перестанут находиться в одной плоскости, что приведет к еще большему уменьшению надежности, а при значительном расхождении осей - и к ухудшению согласования.- low reliability caused by the low reliability of the contacts between the movable and fixed parts of the Central conductor of the coaxial line. The low reliability of the contacts is due to the small contact area of the contact plates of the moving part of the central conductor with the feeder knives, which leads to heating of the contacts, their burning and loss of their spring properties due to changes in the heating of the material properties of which the contacts are made. An increase in the area of contact leads, as a rule, to an increase in the capacitive component of the impedance, which, in turn, leads to a deterioration in matching and an increase in losses. All this leads to the fact that strict requirements are imposed on contact collets. They must have good elastic properties in a wide temperature range, have small sizes so as not to create additional parasitic reactances that impair coordination, there should be no sharp edges that reduce the electrical strength of the device. All these requirements reduce the manufacturability of the device and increase its cost. In addition, with an increase in rotor pressure on the stator, it is possible to displace the movable part of the central conductor in such a way that the axes of the central conductors of the movable and fixed parts cease to be in the same plane, which will lead to an even greater decrease in reliability, and with a significant divergence of the axes, it will also lead to poor coordination .

Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа в связи со сходством выполняемой технической задачи, является контактный СВЧ переключатель на симметричной полосковой линии, содержащий ротор с центральным полоском, вращающийся в плоскости, параллельной плоскости заземляющих пластин, причем центральный полосок имеет радиус изгиба, больший радиуса ротора, и вмонтирован в диэлектрик так, что образует участок линии с диэлектрическим заполнением (авт. св. СССР №238671, Кл.21а⁴, 72/02, 1969). Это устройство отличается простотой конструктивного исполнения, кроме того, в этом устройстве отсутствует подвижный контакт между подвижной и неподвижной частями внешнего проводника симметричной полосковой линии. Однако и этому устройству присущи те же недостатки, а именно, малая надежность, вызванная низкой надежностью контактов между подвижной и неподвижной частями центрального полоска симметричной полосковой линии, обусловленная малой площадью соприкосновения контактов подвижной и неподвижной частей центрального полоска, низкая технологичность и высокая стоимость, обусловленная жесткими требованиями к цангам.A closer analogue, selected as a prototype in connection with the similarity of the technical task being performed, is a microwave contact switch on a symmetrical strip line, containing a rotor with a central strip rotating in a plane parallel to the plane of the grounding plates, the central strip having a bending radius greater than the radius of the rotor , and mounted in a dielectric so that it forms a section of the line with dielectric filling (ed. St. USSR No. 238671, Cl. 21a ⁴ , 72/02, 1969). This device is notable for the simplicity of the design, in addition, in this device there is no movable contact between the movable and fixed parts of the outer conductor of the symmetrical strip line. However, this device also has the same disadvantages, namely, low reliability caused by the low reliability of the contacts between the movable and fixed parts of the central strip of the symmetrical strip line, due to the small contact area of the contacts of the movable and fixed parts of the central strip, low manufacturability and high cost due to hard collet requirements.

Технический результат предлагаемого изобретения - увеличение надежности при улучшении технологичности изготовления и уменьшении стоимости.The technical result of the invention is to increase reliability while improving manufacturability and reducing cost.

Другой технический результат - увеличение развязки.Another technical result is an increase in denouement.

Указанный технический результат достигается тем, что в контактном СВЧ переключателе, содержащем входной и выходные разъемы, центральный полосок, жестко связанный с центральными проводниками входного и выходных разъемов, заземляющие пластины, электрически связанные с внешними проводниками входного и выходных разъемов, и диэлектрические пластины, установленные между центральным полоском и заземляющими пластинами, заземляющие пластины совместно с диэлектрическими пластинами имеют возможность передвигаться.The specified technical result is achieved by the fact that in the microwave contact switch containing the input and output connectors, a central strip rigidly connected to the central conductors of the input and output connectors, grounding plates electrically connected to the external conductors of the input and output connectors, and dielectric plates installed between the central strip and grounding plates, grounding plates together with dielectric plates have the ability to move.

Дополнительный результат достигается тем, что диэлектрические пластины, установленные между центральным полоском и заземляющими пластинами, выполнены, по крайней мере, из двух составных частей, имеющие разные диэлектрические постоянные.An additional result is achieved in that the dielectric plates installed between the central strip and the grounding plates are made of at least two components having different dielectric constants.

Сущность изобретения будет более понятна из приведенного описания и прилагаемого к нему чертежа, на котором изображено следующее.The invention will be more clear from the above description and the accompanying drawing, which shows the following.

На фиг.1 показана конструктивная схема предлагаемого контактного СВЧ переключателя.Figure 1 shows a structural diagram of the proposed contact microwave switch.

На фиг.2 показан разрез предлагаемого контактного СВЧ переключателя.Figure 2 shows a section of the proposed contact microwave switch.

На фиг.3 показан разрез предлагаемого по п.2 контактного СВЧ переключателя.Figure 3 shows a section of the proposed according to claim 2 contact microwave switch.

На фиг.4 показан разрез предлагаемого по п.3 контактного СВЧ переключателя.Figure 4 shows a section of the proposed according to claim 3 contact microwave switch.

На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:In the drawing and in the text, the following notation:

1 входной разъем;1 input connector;

2, 3 выходные разъемы;2, 3 output connectors;

4 центральные проводники входного и выходных разъемов;4 central conductors of input and output connectors;

5 внешние проводники входного и выходных разъемов5 external conductors of input and output connectors

6 неподвижная часть корпуса;6 fixed part of the body;

7 центральный полосок7 center strip

8 заземляющие пластины;8 grounding plates;

9 диэлектрические пластины;9 dielectric plates;

10 контактные пружины;10 contact springs;

11 диэлектрическая прокладка;11 dielectric gasket;

12, 13 составные части диэлектрических пластин.12, 13 constituent parts of dielectric plates.

Контактный СВЧ переключатель содержит входной разъем 1, выходные разъемы 2, 3, состоящие из центрального 4 и внешнего 5 проводников, неподвижную часть корпуса 6, жестко связанной с внешним проводниками 4 входного 1 и выходных разъемов 2, 3, центральный полосок жестко связанный с центральными проводниками 4 входного 1 и выходных разъемов 2, 3, заземляющие пластины 8 и диэлектрические пластины 9, установленные между центральным полоском 7 и заземляющими пластинами 8. Заземляющие пластины 8 электрически связаны с неподвижной частью корпуса 6. Контактные пружины 10 осуществляют непосредственный гальванический контакт между заземляющими пластинами 7 и неподвижной частью корпуса 6.The microwave contact switch contains an input connector 1, output connectors 2, 3, consisting of a central 4 and external 5 conductors, a fixed part of the housing 6, rigidly connected to the external conductors 4 of the input 1 and output connectors 2, 3, the central strip is rigidly connected to the central conductors 4 input 1 and output connectors 2, 3, grounding plates 8 and dielectric plates 9 installed between the central strip 7 and grounding plates 8. Grounding plates 8 are electrically connected to the fixed part of the housing 6. Contact e springs 10 exercise direct galvanic contact between the grounding plates 7 and the fixed part of the housing 6.

Вместо контактных пружин 10 может быть установлена диэлектрическая прокладка 11 (см. фиг.3). Диэлектрические пластины 9 могут быть выполнены составными (см. фиг.4), по крайней мере, из двух диэлектриков 12, 13, имеющих разные диэлектрические постоянные (ε1, ε2). Причем в качестве диэлектрика может выступать воздух.Instead of contact springs 10, a dielectric gasket 11 can be installed (see FIG. 3). The dielectric plate 9 can be made composite (see figure 4) of at least two dielectrics 12, 13 having different dielectric constants (ε1, ε2). Moreover, air can act as a dielectric.

Контактный СВЧ переключатель работает следующим образом.Contact microwave switch operates as follows.

СВЧ сигнал со входа 1 поступает на центральный полосок 7, жестко связанный с центральными проводниками 4 входного 1 выходных разъемов 2, 3. Заземляющие пластины 8 и диэлектрические пластины 9 установлены таким образом, что волновое сопротивление участка симметричной линии (от входа 1 до выхода 2), образованной участком центрального полоска 7 заземляющими пластинами 7 и диэлектрическими пластинами 8, равно волновому сопротивлению выходного разъема 2 и присоединенному к нему ВЧ-тракта. Таким образом, вход 1 присоединен к выходу 2.The microwave signal from input 1 enters the central strip 7, rigidly connected with the central conductors 4 of the input 1 of the output connectors 2, 3. The grounding plates 8 and the dielectric plates 9 are installed so that the wave impedance of the symmetrical line section (from input 1 to output 2) formed by a section of the central strip 7 by grounding plates 7 and dielectric plates 8 is equal to the wave resistance of the output connector 2 and the RF path connected to it. Thus, input 1 is connected to output 2.

Волновое сопротивление участка симметричной линии (от входа 1 до выхода 3), образованной участком центрального полоска 7 заземляющими пластинами 8 и диэлектрическими пластинами 9, отлично от волнового сопротивления выходного разъема 3 (значительно больше) и СВЧ сигнал не проходит к выходному разъему 3. Таким образом, выход 3 оказывается отключенным и СВЧ сигнал проходит со входа 1 на выход 2.The wave impedance of a symmetrical line section (from input 1 to output 3) formed by a portion of the central strip 7 by grounding plates 8 and dielectric plates 9 is different from the wave impedance of output connector 3 (much larger) and the microwave signal does not pass to output connector 3. Thus , output 3 turns off and the microwave signal passes from input 1 to output 2.

Передвинув заземляющие пластины 6, диэлектрические пластины 8, например, повернув их на 180° (см. Фиг.1), изменяют волновое сопротивление участка таким образом, что СВЧ сигнал проходит к выходному разъему 3 и не проходит к выходному разъему 2, т.е. подключают к входному разъему 1 выходной разъем 3, а выходной разъем 2 отключают от входа 1. Контактные пружины 9 осуществляют непосредственный гальванический контакт между заземляющими пластинами 8 и неподвижной частью корпуса 6, жестко связанной с внешними 5 проводниками входного разъема 1 и выходных разъемов 2, 3.By moving the grounding plates 6, the dielectric plates 8, for example, turning them through 180 ° (see Figure 1), change the wave impedance of the section so that the microwave signal passes to output connector 3 and does not pass to output connector 2, i.e. . connect the output connector 3 to the input connector 1, and disconnect the output connector 2 from the input 1. The contact springs 9 make direct galvanic contact between the grounding plates 8 and the fixed part of the housing 6, rigidly connected to the external 5 conductors of the input connector 1 and output connectors 2, 3 .

Из приведенного описания видно, что подвижными частями в заявляемом устройстве являются неузкий центральный полосок 7, как в аналоге или в прототипе, а заземляющие пластины 8 и диэлектрические пластины 9. Таким образом, электрический контакт необходимо осуществлять между заземляющими пластинами 8 и неподвижной частью корпуса 6. Так как площадь этих контактирующих поверхностей значительно больше площади контактирующих поверхностей между подвижной и неподвижной частями центрального полоска, то и надежность контакта значительно возрастает, при этом снижаются требования к контактным пружинам 10, по сравнению с требованиями к цангам. Это легко можно проиллюстрировать на следующем примере. В пружине большое количество лепестков, и в случае, когда один или несколько лепестков пружины сломается, это не приводит не только к выходу из строя переключателя, но даже не сказывается на основных параметрах (согласование, уровень рабочей мощности и т.д.), так как остается достаточно много исправных лепестков и контактные свойства пружины в этом случае, не ухудшаются. В случае же, когда сломается даже один лепесток цанги, из-за малого их количества может значительно ухудшится контакт между частями центрального полоска, что может привести к «подгарам», пробоям, т.е. к выходу из строя всего устройства.From the above description it is seen that the moving parts in the inventive device are a narrow central strip 7, as in the analogue or in the prototype, and the grounding plates 8 and dielectric plates 9. Thus, electrical contact must be made between the grounding plates 8 and the fixed part of the housing 6. Since the area of these contacting surfaces is much larger than the area of contacting surfaces between the moving and fixed parts of the central strip, the reliability of the contact is much older t, wherein the reduced requirements for the contact springs 10, as compared with the requirements of the collet. This can easily be illustrated by the following example. The spring has a large number of petals, and in the case when one or several petals of the spring breaks, this does not only result in the failure of the switch, but does not even affect the main parameters (matching, operating power level, etc.), as a lot of serviceable petals remain and the contact properties of the spring in this case do not deteriorate. In the case when even one petal of the collet breaks, due to their small number, the contact between the parts of the central strip can deteriorate significantly, which can lead to “fumes”, breakdowns, i.e. to failure of the entire device.

Электрическую связь можно обеспечить без непосредственного гальванического (механического) контакта за счет емкостной связи между этими контактирующими поверхностями. Емкость в этом случае образована неподвижной частью корпуса 6, заземляющими пластинами 8 и диэлектрической прокладкой 11, установленной между ними (см. Фиг.3). Так как площадь контактирующих поверхностей между подвижной и неподвижной частями (между заземляющими пластинами 8 и неподвижной частью корпуса 6) имеет большую величину, следовательно, сопротивление за счет небольшого расстояния между контактирующими поверхностями и за счет диэлектрической прокладки 11 имеет небольшую величину, и обеспечивает хороший электрический контакт для СВЧ сигнала. Это позволяет исключить трущиеся части подвижного механического контакта, тем самым еще больше повысить надежность всего устройства.Electrical communication can be provided without direct galvanic (mechanical) contact due to capacitive coupling between these contacting surfaces. The capacity in this case is formed by the fixed part of the housing 6, grounding plates 8 and a dielectric strip 11 mounted between them (see Figure 3). Since the area of the contacting surfaces between the movable and fixed parts (between the grounding plates 8 and the fixed part of the housing 6) is large, therefore, the resistance due to the small distance between the contacting surfaces and due to the dielectric strip 11 is small, and provides good electrical contact for the microwave signal. This eliminates the rubbing parts of the movable mechanical contact, thereby further improving the reliability of the entire device.

Для увеличения развязки диэлектрические пластины 8 выполнены, по крайней мере, из двух составных частей 12, 13, имеющие разные диэлектрические постоянные (ε1, ε2) (см. Фиг.4). Подбор соотношения диэлектрических постоянных составных частей 12, 13 позволяет выполнить волновые сопротивления участков полосковой линии, соединяющей входной разъем 1 с выходным 2 (3) таким образом, что СВЧ сигнал будет отражаться не только от неоднородности в месте соединения входа 1 с выходом 2 (3), но и от неоднородности в месте стыковки составных частей 12, 13 с различными диэлектрическими постоянными, так как в этом месте происходит скачок волновых сопротивлений, вызванный различием диэлектрических постоянных (ε1, ε2) составных частей 12, 13.To increase the isolation, the dielectric plates 8 are made of at least two components 12, 13 having different dielectric constants (ε1, ε2) (see Figure 4). The selection of the ratio of the dielectric constants of the components 12, 13 allows you to perform wave impedances of the strip line connecting the input connector 1 to the output 2 (3) so that the microwave signal will be reflected not only from the heterogeneity at the junction of input 1 with output 2 (3) , but also from the heterogeneity at the junction of the components 12, 13 with different dielectric constants, since a jump in wave resistance occurs at this place due to the difference in the dielectric constants (ε1, ε2) of the components 12, 13.

Количество составных частей, из которых составлены диэлектрические пластины 8, может быть различным. Увеличение количества составных частей диэлектрических пластин 9 приводит, за счет увеличения количества неоднородностей, от которых отражается ВЧ-сигнал, к увеличению развязки.The number of components that make up the dielectric plate 8 may be different. An increase in the number of components of the dielectric plates 9 leads, due to an increase in the number of inhomogeneities from which the RF signal is reflected, to an increase in isolation.

Электрическую связь между подвижной и неподвижной частями (между заземляющими пластинами 7 и внешними 5 проводниками входного разъема 1 и выходных разъемов 2, 3) можно обеспечить как непосредственным гальваническим контактом, так и за счет емкостной связи между этими контактирующими поверхностями, сущность технического решения предложенного по п.3 при этом не изменится.The electrical connection between the movable and stationary parts (between the grounding plates 7 and the external 5 conductors of the input connector 1 and output connectors 2, 3) can be provided both by direct galvanic contact, and due to capacitive coupling between these contacting surfaces, the essence of the technical solution proposed in paragraph .3 will not change.

Предварительное моделирование показало, что переключатель, выполненный на симметричной полосковой линии с использованием в качестве диэлектрика фторопласт (диэлектрическая постоянная ε₁=2) и воздух (диэлектрическая постоянная ε₂=1) позволяет создать переключатель, имеющий КСВ не хуже 1, 2, развязку не хуже 20 дБ. При использовании в устройстве диэлектрической прокладки из трех диэлектриков, в качестве которых используется диэлектриков фторопласт (диэлектрическая постоянная ε₁=2), воздух (диэлектрическая постоянная ε₂=1), ФЛАН (диэлектрическая постоянная ε₂=10) развязка увеличивается до 29-30 дБ.Preliminary modeling showed that a switch made on a symmetrical strip line using fluoroplastic as a dielectric (dielectric constant ε ₁ = 2) and air (dielectric constant ε ₂ = 1) allows you to create a switch having an SWR of no worse than 1, 2, isolation worse than 20 dB. When a dielectric strip of three dielectrics is used in the device, the fluoroplastic dielectrics (dielectric constant ε ₁ = 2), air (dielectric constant ε ₂ = 1), FLAN (dielectric constant ε ₂ = 10) are used, the decoupling increases to 29-30 db

Использование технического решения позволит увеличить надежность, повысить технологичность и уменьшить стоимость СВЧ переключателей за счет увеличения площади контактирующих поверхностей между подвижной и неподвижной частями, а также улучшить электрические характеристики за счет использования составных диэлектрических пластин.Using a technical solution will increase reliability, improve manufacturability and reduce the cost of microwave switches by increasing the area of contact surfaces between the movable and fixed parts, as well as improve electrical characteristics through the use of composite dielectric plates.

Claims

1. A microwave contact switch comprising input and output connectors, a central strip, grounding plates electrically connected to external conductors of the input and output connectors, and dielectric plates mounted between the central strip and grounding plates, characterized in that the central strip is rigidly connected to the central conductors of input and output connectors, and grounding plates together with dielectric plates have the ability to move.

2. The switch according to claim 1, characterized in that a dielectric gasket is installed between the grounding plates and the external conductors of the input and output connectors.

3. The switch according to claim 1, characterized in that the dielectric plates installed between the Central strip and grounding plates are made of at least two components having different dielectric constants.