DE2543669C3 - Koaxialer 1-auf-n-Relaisumschaiter mit Reedkontakten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen koaxialen l-auf-n-Relaisumschalter mit in elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Röhrchen angeordneten Reedkontakten, die sternförmig derart angeordnet sind, daß sich ihre einen Kontaktfederenden an einem Verzweigungspunkt treffen und in einem den Verzweigungspunkt umfassenden metallischen Kopf mit einer koaxialen Eingangsleitung verbunden sind und ihre anderen Kontaktfederenden mit koaxialen Ausgangsleitungen verbunden sind.

In Prüfgeräten für schnelle digitale Schaltkreise besteht häufig die Aufgabe, eine von η Eingangsklemmen eines Prüflings mit dem Ausgang eines Generators und dem einen Eingang eines Oszillografen über koaxiale Leitungen und Umschalter programmgesteuert zu verbinden. Die Verbindung soll dabei so erfolgen, daß bis herab zu Signalanstiegszeiten von 0,5 ns das jeweils gebildete Netzwerk eine möglichst reflexionsfreie, breitbandige 50-Ohm-Koaxialverbindung bestimmter elektrischer Länge darstellt Dasselbe gilt für die programmgesteuerte Verbindung zwischen einem von q Ausgängen des Prüflings und einem anderen Eingang des Oszillografen.

Die technische Lösung für dieses Problem sind gewöhnlich Relaismatrizen mit einem Eingang und π bzw. q Ausgängen (z. B. n=q=64), die aus einzelnen, in

is Kaskade geschalteten Relaisumschaltern (z. B. der Konfiguration 1-auf-4-) zusammengesetzt werden.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines solchen l-auf-4-Umschalters. Die koaxiale Eingangsleitung Ei soll über einen der vier relaisgesteuerten Reedkontakte el ... r4 mit einer der vier koaxialen Ausgangsleitung so verbunden werden, daß in beiden Übertragungsrichtungen eine möglichst reflexionsfreie, verzerrungs- und dämpfungsarme impulsübertragung möglich ist
Zur Lösung dieser Aufgabe sind schon verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden. So ist es z. B. bekannt, die vier zu einem l-auf-4-Umschalter gehörenden Reedkontakte nebeneinander auf einer Leiterplatte anzuordnen, sie einseitig ,niteinander zu verbinden und an diese Verbindungsleitung eine 50-Ohm-Eingangsleitung anzuschließen, während die anderen Seiten der Reedkontakte direkt mit 50-Ohm-Ausgangsleitungen in Verbindung stehen.

Weiterhin ist bekanntgeworden, auf der Oberseite einer Mehrlagenleiterplatte vier Reedkontakte sternförmig anzuordnen und den Verzweigungspunkt der Kontakte auf der Oberseite der Mehrlagenleiterplatie durch einen metallischen Kopf zu umgeben, in den von der Unterseite der Mehrlagenleiterplatte her eine koaxiale Steckverbindung eingeführt ist. Die Reedkontakte sind mit koaxialen Ausgansssteoi.verbindungen dadurch verbunden, daß die Anschlußbeine der Reedkontakte an Lötaugen angeschlossen sind und von den Lötaugen 50-Ohm-Streifenleitungen zu den koaxialen Auisgangssteckverbindungen führen. Um im Bereich der Lötaugen die quasikoaxialen Leitungen, die die liinenlciter mit den die Reedkontakte umfassenden Kupferröhrchen bilden, möglichst stoßarm in die 50-Ohm-Streifenleitungen überzuführen, sind die Röhrchenenden über Drähte und andere Lötaugen mit der

so Erdebene der Leiterplatte verbunden.

Derartige Anordnungen können aus folgenden Gründen nicht genügend reflexionsarm und breitbandig gefertigt werden:

1. Die Übergänge von dem Reedkontakten auf die 50-Ohm-Streifenleitungen mit Anschlußdrähten und einem 0-V-Draht sind stoßbehaftet.

2. Die Lötaugen stören die Leitungen mit einer Kapazität von ca. 2 pF gegen Null Volt.

3. Die Übergänge von den 50-OhmStreifenleitungen auf die Ausgangsbuchsen sind stoßbehaftet.

Deshalb sind prinzipielle Reflexionen von > 20% (bei 150-ps·Generatoranstiegszeit), Bandbreiten < 1 GHz und Eigenzeitkonstanten > 500 ps zu erwarten.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen I -auf-/i-Relaisumschalter mit Reedkontakten zu schaffen, der extrem breitbandig und reflexionsarm ist und außerdem geringe Laufzeitunterschiede zwischen den einzelnen Pfaden aufweist.

Außerdem soll er als Modul mit einheitlichen, eng tolerierten elektrischen Daten gefertigt und installiert werden können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der metallische Kopf und die die Reedkontakte umgebenden, mit dem metallischen Kopf verbundenen metallischen Röhrchen in ihrem Inneren so ausgestaltet sind, daß die elektrisch gesehen zwischen dem Ende des Innenleiters der koaxialen Eingangsleitungen und dem Verzweigungspunkt der Reedkontakte einerseits und zwischen dem Verzweigungspunkt and den Kontaktstellen der Reedkontakte andererseits vorhandenen Induktivitäten in ihrer Größe der Größe der kapazitiven Belastung des jeweiligen Leiterzuges so angepaßt sind, daß dieser Leitungsabschnitt ein Tiefpaß-T-Glied bildet.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels des Relaisumschalters gemäß der Erfindung. Dabei zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines l-auf-4-Relaisumschalters,

F i g. 2 die prinzipielle Anordnung der Reedkonukte, F i g. 3 die Ausgestaltung von Kopf und Röhrchen,

F i g. 4 ein Ersatzschaltbild und

F i g. 5 die Ausführungsform eines Umlenktopfes zum Anschluß einer Ausgangsleitung.

Fig.2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines l-auf-4-Umschalters mit Reedkontakten. Im Zentrum P eines zylindrischen metallischen Kopfes 1 ist der Innenleiter JO der axial herangeführten Eingangsleitung 2 mit 4 radial abgehenden Reedkontakten 4 verbunden. Die Reedkontakte sind in elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Röhrchen, ζ. B. Kupferröhrchen 3, geführt und gehen in die Ausgangsleitungen 5 über. Jedem Reedkontakt ist eine Erregerspule 6 zugeordnet.

Die Gestaltung des Kopfes ist im Detail aus dem Schnittbild von Fig. 3 ersichtlich. Das Dieelektrikum 7 der Eingangsleitung 2 wird im Kopf 1 weitergeführt, so daß bis zur Zone X ein homogener 50-Ω-Wellenleiter entsteht. Es sei angenommen, daß der in F i g. 3 nach rechts führende Reedkontakt geschlossen ist und die übrigen drei geöffnet sind (Verbindung E\ — A\ in Fig. 1). Aufgrund der Gestaltung der Röhrchen 3 (Durchmesser di) und der Kupferperle 8 bildet dann der geschlossene Reedkontakt von der Zone Y an nach rechts in guter Näherung mit dem Röhtchen 3 einen homogenen 50-Ohm-Wellenleiter, der in die 50-Ohm-Ausgangsleitung 5 übergeht.

Der abgebildete Leiterzug E\-P— A\ ist aber im so Abschnitt Χ— Ρ— Χ nicht homogen, insbesondere weil an dem Punkt Pdie Kontaktfedern 9 der drei geöffneten Reedkontakte angeschlossen sind und deren Kapazität gegenüber dem Röhrchen 3 und dem Kopf 1 zu einer kapazitiven Belastung C_p des Leiterzuges X- P- Y im Punkt Pführt. Da die erzielbare Übertragungsbandbreite und die Reflexion direkt proportional Q, sind, muß C_p durch die Geometrie des Umschalters so klein wie möglich gemacht werden.

Um die Länge Si der offenen Kontaktfedern und damit C_p klein zu halten, sind die vier Kontakte zunächst so weit zürn Zentrum Pzusammengerückt, daß sich die Glaskörper berühren. Bei radialer Anordnung von fünf oder mehr Reedkontakten wäre ein Auseinanderrücken der Kontakte nöiiig, was C_p steigern und die erziellbare Bandbreite stark reduzieren würde.

In Fig.4 ist ein angenähertes elektrisches Ersatzschaltbild des kritischen Abschnittes Χ— Ρ— Υ des Umschalters dargestellt. Zur Beurteilung der dynamischen Eigenschaften bietet sich die Prüfung des Umschalters mit einem Impuisreflektometer an. Es steuert den Umschalter über die Eingangsleitung 2 mit der hinlaufenden Welle u\n(t) an. Der Umschalter hat dann optimale Eigenschaften, wenn die am Eingang reflektierte Welle uut(t) möglichst klein ist und die Ausgangsspannung ui(t) nach Form und Amplitude möglichst gut mit u\n(t) übereinstimmt Der (unerwünschte) Effekt der Störkapazität C_p kann nun erfindungsgemäß dadurch reduziert werden, daß gemäß F i g. 4 zwischen der Zone X und P sowie Pund der Zone Y bewuO't elektrisch gesehen Längsinduktivitiiten eingefügt werden, die den Abschnitt X- "— K(Fig:.3) zu einem T!efⁿ2ß-T-Gl!ed er^CTänzen Pr—ki'scb "cschieht das durch die Ausformung von Kopf 1 und Röhrchen 3 in der Umgebung von P-. Sowohl der Kopf (r₂, Ψ2) als auch die Röhrchen (r\, d\, q>{) haben Einlaufe in Form eines Exponentialtrichters. Die Induktivität Lxp kann, abhängig von den Abmessungen der Reedkontakte und der Eingangsleitung, durch Γι, q>2, den Abstand 52 von P bis zum Beginn des Dielektrikums 7 der Eingangsleiiung 2 und den Durchmesser dt, auf den der lnrsnleiter der Eingangsleitung auf der Strecke S₁ reduziert worden ist, gesteuert werden.

Die Induktivität Lpy kann durch die zylindrische Bohrung Gfj des Kopfes 1, den Trichterdurchmesser d\ des Röhrchens, den Durchmesser di und den Abstand S₃ der Reedk.ontakte beeinflußt werden. Alle genannten Parameter wirken auch gleichzeitig auf Cp.

Die Querschnittsübergänge im Räume X- P und P- Ksind stetig; auf diese Weise werden Verzerrungen des elektromagnetischen Feldes, wie sie an abrupten Übergängen auftreten, vermieden, und man erzielt die größtmögliche Bandbreite.

Cp könnte auch durch den Einsatz unsymmetrischer Reedkontakte reduziert werden; diese haben eine hinge und eine kurze Feder, und die kurze Feder würde zum Zentrum P hin eingebaut werden. Leider sind solche Kontakte nur mit Kontaktwiderständen >150ιηΩ lieferbar.

Für einige Anwendungen ist es erforderlich, daO' die Ausgangsleitungen nicht wie in F i g. 3 radial, sondern auf möglichst engem Raum axial und damit parallel zur Eingangsleitung angeschlossen werden. Ein dafür geeigneter Umlenktopf 12, der jeweils am äußeren Einde der vier Röhrchen angeordnet wird, ist in Fig.5 dargestellt. Der Innenleiter der abgehenden Leitung 11 ist über die Perle 13 mit dem Kontakt 4 verbunden. Werden die Abmessungen optimiert, so ist die Umlenkung praktisch stoßfrei, und der Umschalter hat ebenfalls Reflexionen von 3% und eine Eigenzeitkonstante firvon 100 ps.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Koaxialer l-auf-n-Relaisumschalter mit in elektrisch leitenden, nichtmagnetischen Röhrchen angeordneten Reedkontakten, die sternförmig derart angeordnet sind, daß ihre einen Kontaktfederenden an einim Verzweigungspunkt treffen und in einem den Verzweigungspunkt umfassenden metallischen Kopf mit einer koaxialen Eingangsleitung verbunden sind, und ihre anderen Kontaktfederenden mit ebenfalls koaxialen Ausgangsleitungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Kopf (1) und die die Reedkontakte (4) umgebenden, mit dem metallischen Kopf verbundenen metallischen Röhrchen (3) in ihrem Inneren so ausgestaltet sind, daß die elektrisch gesehen zwischen dem Ende des Innenleiters der koaxialen Eingangsleitung (2) und dem Verzweigungspunkt (P) der Reedkontakte einerseits und zwischen dem Verzweigungspunkt (P) und den Kontaktstellen (S) der Reedkontakts andererseits vorhandenen Induktivitäten (Lxp, Lpy) in ihrer Größe der Größe der kapazitiven Belastung (Cp)des jeweiligen Leiterzuges so angepaßt sind, daß dieser Leitungsabschnitt ein Tiefpaß-T-GIied bildet.

2. Relaisumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Verzweigungspunkt (P) weisenden Einlaufe von Kopf (1) und Röhrchen (3) in Form eines Exponentialtrichters ausgestaltet sind.

3. Relaisumsch.;ller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht miteinander verbundenen Kontaktfederenden der Reedkontakte über kurze KoaxialleitungsstücV.e (5) mit koaxialen Ausgangssteckverbindungen (A\ ... A*) verbunden sind.

4. Relaisumschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrisch stoßfreien Verbindung der Reedkontakte mit den Ausgangsleitungen die Kontaktfederenden über je eine metallische Perle (8) mit den Innenleitern der Koaxialleitungen verbunden sind.

5. Relaisumschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den nicht miteinander verbundenen Enden der Reedkontakte Umlenktöpfe angeordnet sind, in die einerseits die Kontaktfederenden und andererseits die abgehenden Koaxialleitungsstücke einmünden, und daß jeweils die Innenleiter der Ausgangsleitungen über eine metallische Perle mit den Kontaktfederenden verbunden sind.