eng
Выпуск #9/2016
В.Кочемасов
Электромеханические переключатели ВЧ/СВЧ-сигналов – основные типы и производители. Часть 3
Электромеханические переключатели ВЧ/СВЧ-сигналов – основные типы и производители. Часть 3
Просмотры: 3596
Рассмотрены электромеханические переключатели ВЧ/СВЧ-сигналов. Приведена информация о параметрах и особенностях волноводных электромеханических переключателей, выпускаемых различными производителями.
Теги: electromechanical switch input power insertion loss operating frequency range вносимые потери входная мощность диапазон рабочих частот электромеханический переключатель
ВОЛНОВОДНЫЕ СВЧ-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Волноводные переключатели широко используются в радиолокационных системах для резервирования мощных узлов передающего тракта, для подключения передающего устройства к эквивалентной антенной нагрузке, при тестировании передатчиков, а также в системах связи для резервирования и изменения пути прохождения мощного сигнала через различные узлы при тестовых измерениях.[1]
Большинство волноводных переключателей имеют роторную конструкцию, включающую в себя квадратный статор с четырьмя портами и плотно входящий в него ротор, который может быть двух- или трехканальным. Электрическая развязка между каналами обеспечивается с помощью четвертьволновых дросселей. Отсутствие в конструкции скользящих контактов существенно улучшает электрические характеристики переключателя и поддерживает их на высоком уровне в течение всего срока службы.
Статор и ротор выполняются из алюминиевых сплавов с последующим хромированием. Все детали переключателя изготавливаются из материалов, не подверженных коррозии. Ротор в статоре устанавливается с помощью подшипника из нержавеющей стали.
Количество роторных каналов определяет число возможных положений переключателя. При двухканальном роторе возможно лишь два положения (рис.25а), при трехканальном – четыре (рис.25б). В первом случае ротор дискретно перемещается с шагом 90°, во втором – 45°. При двухканальном роторе в положении I обеспечивается связь между портами 1–2 и 3–4, а в положении II между портами 2–3 и 1–4. В случае трехканального ротора в положении I обеспечивается связь между первым и третьим портами, в положении II между портами 1–2 и 3–4, в положении III между портами 2–4 и в положении IV между портами 2–3 и 1–4. Таким образом, в случае двухканального ротора могут быть реализованы только DPDT-переключатели, а при трехканальном роторе – SPST-, SPDT-, SP3T- и DPDT-переключатели.
Управление в волноводных переключателях может быть электронным, ручным и комбинированным (режим manual override). В моделях с электронным управлением возможны два вида актуаторов: Failsafe и Latching. При использовании первого из них под действием управляющего напряжения происходит переключение из одного положения в другое, которое поддерживается до тех пор, пока действует управляющее напряжение. После его снятия переключатель возвращается в исходное состояние. В переключателях с Latching-актуаторами новое положение сохраняется даже при снятии управляющего напряжения. С точки зрения минимизации потребляемой мощности предпочтительны переключатели с Latching-актуаторами.
При электронном управлении в волноводных переключателях используются соленоиды, а также двигатели переменного или постоянного тока, в том числе шаговые, применение которых обеспечивает более высокую точность, повторяемость и надежность.
Волноводные переключатели выпускаются многими производителями (табл.8). Линейку из семи четырехпортовых электромеханических переключателей серии QWZ с электронным управлением в диапазоне частот 18–110 ГГц производит компания QuinStar Technology. Трансферные переключатели этой серии предназначены для проведения тестовых испытаний.
Серия 535 из восьми переключателей (волноводы WR-42, ..., WR-10), предлагаемых компанией Mi-Wave, отличается использованием шагового двигателя, обеспечивающего перестройку за 500 мс. Патентованные двигатели компании Logus Microwave обеспечивают время перестройки 80–200 мс при средней мощности до нескольких десятков киловатт. Широкую номенклатуру волноводных переключателей выпускают также компании AST, Sector Microwave, SIVERS.
Облегченные волноводные переключатели, имеющие малые массу, размеры и энергопотребление, производятся компанией Dow-Key Microwave. Устройства выпускаются на основе волноводов WR-62, WR-75, WR-90 и WR-112 в частотных диапазонах 12,4–18,0; 10,0–15,0; 8,20–12,4 и 7,05–10,0 ГГц соответственно. Эти волноводные переключатели используют тип переключения Latching Self-Cutoff (при снятии управляющего воздействия переключатель возвращается в исходное положение). Гарантированная износостойкость составляет 200 тыс. циклов, время переключения – 100 мс. Рабочий диапазон температур находится в пределах от –54 до 85 °C, что позволяет использовать переключатель для наземных и авиационных применений. Волноводные переключатели имеют индикаторы, подавляющие переходные процессы диоды и удовлетворяют современным требованиям военных и коммерческих применений.
Большой опыт, приобретенный за долгие годы компанией Dow-Key Microwave, позволяет ей производить широкую линейку волноводных переключателей космического назначения с размерами волновода от WR15 до WR112 (рис.26).
К числу уникальных можно отнести волноводный переключатель WSW-15–1 японской компании WAKA, обеспечивающий в диапазоне частот 50–65 ГГц время переключения 1 мс и срок службы более 1 млн. переключений.
Волноводные переключатели с ручным управлением (рис.27) производятся многими компаниями (табл.9). В радиолокационных применениях эти устройства используются для подключения одного из двух передатчиков к общей антенне при одновременном присоединении второго передатчика к подходящей нагрузке. 530-я серия переключателей с ручным управлением компании Mi-Wave доступна в диапазоне частот 12,4–220 ГГц. Каждая модель этих волноводных переключателей обеспечивает в рабочем диапазоне частот, определяемом выбранным сечением волновода, минимально возможные вносимое затухание и КСВН, а также максимальную развязку между портами переключателя.
Волноводные переключатели с ручным управлением компании Waveline выпускаются в DPDT- и SPDT-конфигурациях и рассчитаны на диапазон частот от 1,7 до 50 ГГц. Средняя мощность, пропускаемая через переключатели, меняется по мере увеличения частоты от 20 кВт до 350 Вт.
Восемнадцать моделей ручных волноводных переключателей предлагает компания XI’AN Microwave Telecom Technology. Устройства доступны в диапазоне частот 2,6–112 ГГц.
Четырехпортовые волноводные переключатели с ручным управлением 333-й серии компании Flann Microwave выпускаются как с двух-, так и с трехканальным ротором. Точное совпадение канала с портом статора и отличная повторяемость достигаются посредством специальной роторной конструкции. 13 моделей выпускаемых волноводных переключателей доступны на частотах от 8,2 до 140 ГГц.
Некоторые производители дают пользователям возможность управлять работой волноводных переключателей от двигателей переменного или постоянного тока, в том числе шаговых (табл.10). Так, компания Flann Microwave выпускает волноводные переключатели с моторизированным управлением (серии 333-2Е, 333-3Е, 334-2Е). Моторизированные волноводные устройства с шаговым двигателем (рис.28а) обеспечивают наивысшую надежность и повторяемость по сравнению с соленоидными актуаторами. Более дешевые изделия серии 334-2Е с двухканальным ротором, управляемые двигателем постоянного тока (рис.28б), доступны в диапазоне частот 8,2–140 ГГц. По заказу производитель может изготовить и переключатели с H-образными волноводами (рис.28в).
Наибольшее распространение среди волноводных получили комбинированные переключатели, в которых в рамках одного изделия может быть обеспечено и электронное, и ручное управление, при переходе к которому электронное управление автоматически блокируется (табл.11).
Традиционно орган ручного управления и соединитель, по которому выполняется электронное управление, находятся сверху (рис.29а). Однако в некоторых моделях соединители размещены на одной из боковых поверхностей переключателя (рис.29б). В ряде случаев на переключателях устанавливаются блокираторы, исключающие несанкционированный доступ к ручным органам управления (рис.29в), а переключатели, работающие в тяжелых условиях эксплуатации, снабжаются защитными колпачками (рис.29г). Встречаются также модели блочных переключателей, в которых органы ручного и автоматического управления контролируют работу сразу нескольких волноводных переключателей (рис.29д). При большой входной мощности в переключателе может быть предусмотрено водяное охлаждение (рис.29е). Входной и выходной штуцеры для подачи и слива воды встроены в переключатель снизу. Ротор в этом случае выполняется коаксиальным. Для исключения протечек в переключателе предусмотрена герметизация[2].
Ряд производителей выпускает мощные волноводные переключатели для использования в радиовещательных и телевизионных передатчиках. Переключатели серии WS компании ERI, предназначенные для радиовещательных передатчиков (рис.30а), имеют роторную конструкцию и обеспечивают коммутацию сигналов мощностью до 240 кВт. Переключатели для телевизионных передатчиков, выпускаемые компанией Micro Communications, могут быть как трех-, так и четырехпортовыми. Конструктивно они выполняются на волноводах большого сечения (рис.30б). В UHF-диапазоне передатчики реализуются с использованием трех типоразмеров волноводов WR1800, WR1500, WR1150 (табл.12), обеспечивающих коммутацию сигналов мощностью до 280 кВт. При этом переключатели имеют низкий КСВН и малые вносимые потери, зависящие от длины используемых волноводов.
Моторизированные версии переключателей предназначены для использования в необслуживаемых телевизионных передатчиках, для управления которыми могут применяться как переменное (115 и 230 В), так и постоянное (12 и 24 В) напряжения. Использование волноводных, а не коаксиальных устройств на столь низких частотах объясняется более высоким (на 10%) КПД передатчиков волноводного исполнения при меньших значениях КСВН.
Ряд компаний (Logus Microwave, AST, Sector Microwave, SIVERS) выпускает гибридные волноводно/коаксиальные роторные переключатели (dual switches), которые позволяют одновременно коммутировать и волноводные, и коаксиальные тракты (табл.13). Используемый в них двухканальный ротор определяет DPDT-конфигурацию и волноводного, и коаксиального переключателей. Подобные гибридные устройства могут применяться, например, совместно с малошумящими усилителями (МШУ), в которых вход является волноводным, а выход – коаксиальным. В качестве примера можно привести схему (рис.31), в которой коаксиально-волноводный переключатель позволяет использовать МШУ1 в рабочем режиме усиления входного сигнала, а МШУ2 – в режиме горячего резерва с обеспечением мониторинга его основных характеристик (рис.31а). Переводом переключателя из положения I в положение II МШУ2 переходит в рабочий режим, а МШУ1 – в резервный (рис.31б).
Коаксиальные соединители могут находиться как в верхней (рис.32а), так и в нижней (рис.32б, в) частях переключателя.
Помимо электронного возможен также ручной режим управления (manual override) этими устройствами.
В связке с коаксиальными волноводные переключатели коммутируют очень большие мощности (сотни киловатт и больше в импульсном режиме) при низких потерях и высокой (на уровне 120 дБ и более) развязке между волноводным и коаксиальным трактами. Время переключения в таких изделиях составляет 75–200 мс.
Таким образом, многие десятки зарубежных, прежде всего американских и европейских, компаний занимаются производством электромеханических переключателей. Количество моделей устройств, производимых этими компаниями, исчисляется тысячами. Приведенная в статье информация поможет сделать правильный выбор переключателя, оптимального для решения той или иной задачи.
[1] ООО "Радиокомп", генеральный директор, vkochemasov@radiocomp.ru.
[2] Hartop R.W. X-band Waveguide Switches. – JPL Technical Report 32-1526, vol. XV, p.48–50.
Волноводные переключатели широко используются в радиолокационных системах для резервирования мощных узлов передающего тракта, для подключения передающего устройства к эквивалентной антенной нагрузке, при тестировании передатчиков, а также в системах связи для резервирования и изменения пути прохождения мощного сигнала через различные узлы при тестовых измерениях.[1]
Большинство волноводных переключателей имеют роторную конструкцию, включающую в себя квадратный статор с четырьмя портами и плотно входящий в него ротор, который может быть двух- или трехканальным. Электрическая развязка между каналами обеспечивается с помощью четвертьволновых дросселей. Отсутствие в конструкции скользящих контактов существенно улучшает электрические характеристики переключателя и поддерживает их на высоком уровне в течение всего срока службы.
Статор и ротор выполняются из алюминиевых сплавов с последующим хромированием. Все детали переключателя изготавливаются из материалов, не подверженных коррозии. Ротор в статоре устанавливается с помощью подшипника из нержавеющей стали.
Количество роторных каналов определяет число возможных положений переключателя. При двухканальном роторе возможно лишь два положения (рис.25а), при трехканальном – четыре (рис.25б). В первом случае ротор дискретно перемещается с шагом 90°, во втором – 45°. При двухканальном роторе в положении I обеспечивается связь между портами 1–2 и 3–4, а в положении II между портами 2–3 и 1–4. В случае трехканального ротора в положении I обеспечивается связь между первым и третьим портами, в положении II между портами 1–2 и 3–4, в положении III между портами 2–4 и в положении IV между портами 2–3 и 1–4. Таким образом, в случае двухканального ротора могут быть реализованы только DPDT-переключатели, а при трехканальном роторе – SPST-, SPDT-, SP3T- и DPDT-переключатели.
Управление в волноводных переключателях может быть электронным, ручным и комбинированным (режим manual override). В моделях с электронным управлением возможны два вида актуаторов: Failsafe и Latching. При использовании первого из них под действием управляющего напряжения происходит переключение из одного положения в другое, которое поддерживается до тех пор, пока действует управляющее напряжение. После его снятия переключатель возвращается в исходное состояние. В переключателях с Latching-актуаторами новое положение сохраняется даже при снятии управляющего напряжения. С точки зрения минимизации потребляемой мощности предпочтительны переключатели с Latching-актуаторами.
При электронном управлении в волноводных переключателях используются соленоиды, а также двигатели переменного или постоянного тока, в том числе шаговые, применение которых обеспечивает более высокую точность, повторяемость и надежность.
Волноводные переключатели выпускаются многими производителями (табл.8). Линейку из семи четырехпортовых электромеханических переключателей серии QWZ с электронным управлением в диапазоне частот 18–110 ГГц производит компания QuinStar Technology. Трансферные переключатели этой серии предназначены для проведения тестовых испытаний.
Серия 535 из восьми переключателей (волноводы WR-42, ..., WR-10), предлагаемых компанией Mi-Wave, отличается использованием шагового двигателя, обеспечивающего перестройку за 500 мс. Патентованные двигатели компании Logus Microwave обеспечивают время перестройки 80–200 мс при средней мощности до нескольких десятков киловатт. Широкую номенклатуру волноводных переключателей выпускают также компании AST, Sector Microwave, SIVERS.
Облегченные волноводные переключатели, имеющие малые массу, размеры и энергопотребление, производятся компанией Dow-Key Microwave. Устройства выпускаются на основе волноводов WR-62, WR-75, WR-90 и WR-112 в частотных диапазонах 12,4–18,0; 10,0–15,0; 8,20–12,4 и 7,05–10,0 ГГц соответственно. Эти волноводные переключатели используют тип переключения Latching Self-Cutoff (при снятии управляющего воздействия переключатель возвращается в исходное положение). Гарантированная износостойкость составляет 200 тыс. циклов, время переключения – 100 мс. Рабочий диапазон температур находится в пределах от –54 до 85 °C, что позволяет использовать переключатель для наземных и авиационных применений. Волноводные переключатели имеют индикаторы, подавляющие переходные процессы диоды и удовлетворяют современным требованиям военных и коммерческих применений.
Большой опыт, приобретенный за долгие годы компанией Dow-Key Microwave, позволяет ей производить широкую линейку волноводных переключателей космического назначения с размерами волновода от WR15 до WR112 (рис.26).
К числу уникальных можно отнести волноводный переключатель WSW-15–1 японской компании WAKA, обеспечивающий в диапазоне частот 50–65 ГГц время переключения 1 мс и срок службы более 1 млн. переключений.
Волноводные переключатели с ручным управлением (рис.27) производятся многими компаниями (табл.9). В радиолокационных применениях эти устройства используются для подключения одного из двух передатчиков к общей антенне при одновременном присоединении второго передатчика к подходящей нагрузке. 530-я серия переключателей с ручным управлением компании Mi-Wave доступна в диапазоне частот 12,4–220 ГГц. Каждая модель этих волноводных переключателей обеспечивает в рабочем диапазоне частот, определяемом выбранным сечением волновода, минимально возможные вносимое затухание и КСВН, а также максимальную развязку между портами переключателя.
Волноводные переключатели с ручным управлением компании Waveline выпускаются в DPDT- и SPDT-конфигурациях и рассчитаны на диапазон частот от 1,7 до 50 ГГц. Средняя мощность, пропускаемая через переключатели, меняется по мере увеличения частоты от 20 кВт до 350 Вт.
Восемнадцать моделей ручных волноводных переключателей предлагает компания XI’AN Microwave Telecom Technology. Устройства доступны в диапазоне частот 2,6–112 ГГц.
Четырехпортовые волноводные переключатели с ручным управлением 333-й серии компании Flann Microwave выпускаются как с двух-, так и с трехканальным ротором. Точное совпадение канала с портом статора и отличная повторяемость достигаются посредством специальной роторной конструкции. 13 моделей выпускаемых волноводных переключателей доступны на частотах от 8,2 до 140 ГГц.
Некоторые производители дают пользователям возможность управлять работой волноводных переключателей от двигателей переменного или постоянного тока, в том числе шаговых (табл.10). Так, компания Flann Microwave выпускает волноводные переключатели с моторизированным управлением (серии 333-2Е, 333-3Е, 334-2Е). Моторизированные волноводные устройства с шаговым двигателем (рис.28а) обеспечивают наивысшую надежность и повторяемость по сравнению с соленоидными актуаторами. Более дешевые изделия серии 334-2Е с двухканальным ротором, управляемые двигателем постоянного тока (рис.28б), доступны в диапазоне частот 8,2–140 ГГц. По заказу производитель может изготовить и переключатели с H-образными волноводами (рис.28в).
Наибольшее распространение среди волноводных получили комбинированные переключатели, в которых в рамках одного изделия может быть обеспечено и электронное, и ручное управление, при переходе к которому электронное управление автоматически блокируется (табл.11).
Традиционно орган ручного управления и соединитель, по которому выполняется электронное управление, находятся сверху (рис.29а). Однако в некоторых моделях соединители размещены на одной из боковых поверхностей переключателя (рис.29б). В ряде случаев на переключателях устанавливаются блокираторы, исключающие несанкционированный доступ к ручным органам управления (рис.29в), а переключатели, работающие в тяжелых условиях эксплуатации, снабжаются защитными колпачками (рис.29г). Встречаются также модели блочных переключателей, в которых органы ручного и автоматического управления контролируют работу сразу нескольких волноводных переключателей (рис.29д). При большой входной мощности в переключателе может быть предусмотрено водяное охлаждение (рис.29е). Входной и выходной штуцеры для подачи и слива воды встроены в переключатель снизу. Ротор в этом случае выполняется коаксиальным. Для исключения протечек в переключателе предусмотрена герметизация[2].
Ряд производителей выпускает мощные волноводные переключатели для использования в радиовещательных и телевизионных передатчиках. Переключатели серии WS компании ERI, предназначенные для радиовещательных передатчиков (рис.30а), имеют роторную конструкцию и обеспечивают коммутацию сигналов мощностью до 240 кВт. Переключатели для телевизионных передатчиков, выпускаемые компанией Micro Communications, могут быть как трех-, так и четырехпортовыми. Конструктивно они выполняются на волноводах большого сечения (рис.30б). В UHF-диапазоне передатчики реализуются с использованием трех типоразмеров волноводов WR1800, WR1500, WR1150 (табл.12), обеспечивающих коммутацию сигналов мощностью до 280 кВт. При этом переключатели имеют низкий КСВН и малые вносимые потери, зависящие от длины используемых волноводов.
Моторизированные версии переключателей предназначены для использования в необслуживаемых телевизионных передатчиках, для управления которыми могут применяться как переменное (115 и 230 В), так и постоянное (12 и 24 В) напряжения. Использование волноводных, а не коаксиальных устройств на столь низких частотах объясняется более высоким (на 10%) КПД передатчиков волноводного исполнения при меньших значениях КСВН.
Ряд компаний (Logus Microwave, AST, Sector Microwave, SIVERS) выпускает гибридные волноводно/коаксиальные роторные переключатели (dual switches), которые позволяют одновременно коммутировать и волноводные, и коаксиальные тракты (табл.13). Используемый в них двухканальный ротор определяет DPDT-конфигурацию и волноводного, и коаксиального переключателей. Подобные гибридные устройства могут применяться, например, совместно с малошумящими усилителями (МШУ), в которых вход является волноводным, а выход – коаксиальным. В качестве примера можно привести схему (рис.31), в которой коаксиально-волноводный переключатель позволяет использовать МШУ1 в рабочем режиме усиления входного сигнала, а МШУ2 – в режиме горячего резерва с обеспечением мониторинга его основных характеристик (рис.31а). Переводом переключателя из положения I в положение II МШУ2 переходит в рабочий режим, а МШУ1 – в резервный (рис.31б).
Коаксиальные соединители могут находиться как в верхней (рис.32а), так и в нижней (рис.32б, в) частях переключателя.
Помимо электронного возможен также ручной режим управления (manual override) этими устройствами.
В связке с коаксиальными волноводные переключатели коммутируют очень большие мощности (сотни киловатт и больше в импульсном режиме) при низких потерях и высокой (на уровне 120 дБ и более) развязке между волноводным и коаксиальным трактами. Время переключения в таких изделиях составляет 75–200 мс.
Таким образом, многие десятки зарубежных, прежде всего американских и европейских, компаний занимаются производством электромеханических переключателей. Количество моделей устройств, производимых этими компаниями, исчисляется тысячами. Приведенная в статье информация поможет сделать правильный выбор переключателя, оптимального для решения той или иной задачи.
[1] ООО "Радиокомп", генеральный директор, vkochemasov@radiocomp.ru.
[2] Hartop R.W. X-band Waveguide Switches. – JPL Technical Report 32-1526, vol. XV, p.48–50.
Отзывы читателей
