Коаксиальные переключатели на российском рынке

Введение
СВЧ-переключатели, в том числе коаксиальные переключатели, предназначены для коммутации и маршрутизации аналоговых ВЧ- и СВЧ-сигналов. Они применяются в самых разных приложениях — в телекоме, в лабораторной и измерительной технике, тестовой аппаратуре, радиолокации, навигационном оборудовании и ряде других приложений.
Переключатели, созданнные для эксплуатации в жестких условиях, сертифицируются по стандарту MIL-HDBK-217F. Они отличаются высокой надежностью и способны выдерживать повышенные климатические и механические воздействия. Коаксиальные переключатели выпускаются в разном форм-факторе. На рис. 1 в качестве примера показан внешний вид нескольких переключателей.

Для минимизации искажений и уменьшения потерь при передаче сигналов коаксиальные переключатели должны обеспечить неразрывность импеданса линии передачи, с ней должны быть согласованы их входы и выходы, а контакты — иметь минимальный импеданс.

Параметры коаксиальных переключателей
По способам коммутации коаксиальные переключатели делятся на две основные группы: диодные, в которых используются pin-диоды, и переключатели с электромеханическими актуаторами. Диодные переключатели компактны и имеют отличное быстродействие, но у них велики потери. По этой причине чаще всего используются электромеханические переключатели. Их мы и рассмотрим в статье. Начнем со следующих основных параметров:
• полоса частот.
• максимальная мощность коммутируемого сигнала.
• напряжение питания актуатора.
• логические уровни сигналов управления.
• режимы работы:
• безопасный или отказоустойчивый режим (Failsafe), котором переключатель возвращается в исходное положение после снятия управляющего воздействия;
• режим фиксации или защелки (Latching): переключатель не меняет состояния после снятия управляющего напряжения, управляющий импульс напряжения длится не более 100 мс, затем актуатор отключается от напряжения, благодаря чему этот режим является наиболее экономичным.
• разрыв перед замыканием (Break-Before-Make): в этом режиме при подаче управляющего сигнала на переключение сначала происходит разрыв текущего соединения и только затем коммутация нового тракта. Таким образом, отсутствует перекрытие контактов. В этом режиме горячую коммутацию (Hot switching) желательно осуществлять при малой мощности сигнала не более 1 Вт. В противном случае могут повредиться контакты с золотым покрытием.
• время переключения, в течение которого контакты переключателя переходят из одного положения в другое. Для электромеханических актуаторов время переключения находится в пределах 10–30 мс.
• КСВН (VSWR) характеризует качество контактов переключателя и согласование с линией передачи сигналов.
• вносимые потери — потери мощности, возникающие при прохождении сигнала через переключатель;
• Изоляция — степень ослабления перекрестных помех между каналами переключателя.

При необходимости используются дополнительные функции, расширяющие возможность переключателя:
• ограничение перенапряжения осуществляется, как правило, с помощью TVS-диодов, ограничивающих всплески перенапряжения, которые возникают при коммутации;
• индикация положения контактов переключателя;
• помехоподавляющие фильтры;
• встроенные широкополосные усилители, компенсирующие потери в переключателе.

Помимо свойственных коаксиальным переключателям параметров производитель указывает эксплуатационные параметры, характерные для всех изделий электроники:
• диапазон рабочей температуры;
• степень защиты от пыли и влаги;
• стойкость к механическим и климатическим воздействиям;
• гарантированный ресурс, число коммутаций;
• долговременная стабильность параметров в течение срока службы.

Ряд параметров коаксиальных переключателей зависит от частоты коммутируемого сигнала. В качестве примера рассмотрим коаксиальные переключатели серии DPDT 12-24-28 VDC
компании Lauftex. На рис. 2 показана зависимость вносимых потерь, изоляции и КСВН от частоты. Напомним, что чем хуже согласование переключателя с линией передачи, тем больше КСВН и тем меньшую мощность способен передавать переключатель. 

На рис. 3 отображена зависимость уменьшающего коэффициента передачи мощности от КСВН, полученная в [1].

На потери мощности в переключателе влияют не только его контактные группы, но и соединительные разъемы. На рис. 4 продемонстрирована зависимость мощности стандартного разъема SMA от частоты.

Некоторые особенности конструкции коаксиальных переключателей

Корпус коаксиальных переключателей, как правило, изготавливается из специальных сплавов с повышенной коррозионной стойкостью. Полимерные уплотнители защищают переключатель от попадания внутрь пыли, влаги и обеспечивают высокую степень защиты. Для подсоединения к переключателю внешних линий с ВЧ- и СВЧ-сигналами на корпусе переключателя устанавливаются разъемы. Обычно используются разъемы типов BNC, F, SMA и аналогичные.
Контактные группы переключателей имеют разные конфигурации, которые кодируются буквами и цифрами. В общем случае код выглядит следующим образом: XPYT, где X — число входов контактной группы (pole), а Y — число выходов (through). Если X и Y не превышают двух, то вместо цифровых обозначений X и Y используются буквенные — S (single) и D (double). На рис. 5 показаны возможные конфигурации контактных групп при одном входе и разном числе выходов, а на рис. 6 — возможные конфигурации контактной группы DPDT.

Контактная группа коаксиальных переключателей состоит из состыкованных с разъемом коаксиальных линий и подвижного контакта, с помощью которого эти линии соединяются между собой. На рис. 7 [2] схематично изображена контактная группа с конфигурацией 2P3T. На рис. 8 [1] представлена увеличенная фотография контактной группы в разомкнутом и замкнутом состояниях.

При перемещении толкателя, изготовленного из диэлектрика, и подвижного проводника между ними возникает трение. Диэлектрический материал толкателя изнашивается, и микрочастицы диэлектрика попадают на контактные поверхности, ухудшая характеристики соединения. Такие ухудшения мало заметны на высоких частотах, когда за счет емкостного эффекта превалирует контакт, но они отчетливо выражены на частотах ниже 3 ГГц. Производители используют разные способы для минимизации этого эффекта. Например, в компании Radiall устанавливают две гибкие пластины (рис. 8), которые направляют движение толкателя и уменьшают его трение при перемещениях.

Состояние российского рынка коаксиальных переключателей

В настоящее время российский рынок электроники сталкивается с серьезными проблемами, вызванными санкциями и нехваткой отечественных компонентов. В связи с этим разработчики вынуждены привлекать альтернативных производителей компонентов из Китая, Индии и стран Юго-Восточной Азии. Однако качество и характеристики данных компонентов не всегда соответствуют заявленным стандартам, что затрудняет их применение. Кроме того, это делает российскую промышленность уязвимой для любых внешнеполитических рисков и колебаний на мировых рынках.

У российских производителей возникают трудности и в обеспечении бесперебойных поставок компонентов, что приводит к задержкам в производстве готовых изделий и ухудшению технических характеристик продукции по сравнению с западными аналогами.

Отечественный бренд Lauftex поставил перед собой задачу наладить серийный выпуск с последующей локализацией российских разработок высокотехнологичных микроволновых компонентов как для удовлетворения потребностей отечественных потребителей, так и для дальнейшей экспансией на международные рынки.

Для данного обзора было выбрано четыре серийных изделия из линейки коаксиальных переключателей.

Линейку коаксиальных переключателей собирают на тех же производственных линиях, что и компоненты таких производителей, как Dowkey и Teledyne. Это гарантирует надежность и высокое качество продукции. Переключатели всегда доступны в России в необходимом количестве, а их стоимость в два раза ниже цен на аналоги.

Коаксиальные переключатели — технологически простые изделия. Они давно изготавливаются, и, наверное, можно утверждать, что их технология «вышла на полку»: от них не следует ожидать каких-то революционных новшеств и прорывов. Параметры переключателей, выпускаемых лидерами рынка, примерно одинаковы. Следовательно, для оценки возможности замены известных брендов отечественными переключателями проще всего в табличном виде сравнить их основные параметры. К таковым мы отнесли коммутируемую мощность, КСВН, вносимые потери и изоляцию. Результаты сравнения представлены в таблице.

Мы выбрали продукцию Lauftex для сравнения с зарубежными аналогами. Для сопоставления были выбраны переключатели с такой же полосой пропускания, как у Lauftex: DC–26,5 ГГц и DC–40 ГГц. Поскольку зависимость коммутируемой мощности от частоты большинство производителей представляют в графическом виде, числовые значения мощности в таблице определены на основе этих графиков.

Таблица. Сравнение основных параметров российских коаксиальных переключателей Lauftex с зарубежными аналогами