Schalten von Hochfrequenzsignalen

Abstract:
In der Telekommunikation werden immer mehr Informationen drahtlos übertragen. Dies führt zu immer höheren Sendeleistungen der Funkstationen und erfordert immer größere Bandbreiten. Zum Führen, Unterbrechen und Schalten werden Schaltelemente in kleiner Bauform und mit guten Hochfrequenz- und Schalteigenschaften benötigt. Elektromechanischen Hochfrequenzrelais weisen gegenüber alternativen Lösungen erhebliche Vorteile auf. Sie haben echte Breitbandeigenschaften, die die Übertragung sowohl von Gleichspannungs- als auch nieder und hochfrequenten Signalen bis in den Gigaherzbereich erlauben. Zudem wird die Qualität der übertragenen Hochfrequenzsignale durch elektromechanische Schlaltelemente geringst möglich beeinflusst. Die meisten bisher verfügbaren Konstruktionen hatten nur sehr beschränkte Schalteigenschaften die lediglich das Schalten von wenigen Watt Hochfrequenzleistung zuließen. Es wurden grundsätzliche Untersuchungen durchgeführt, um die beim Schalten von Hochfrequenzsignalen auftretenden Phänomene zu verstehen, da in der Literatur keine diesbezüglichen Angaben zu finden waren. Die daraus gewonnen Erkenntnisse wurden genutzt, um das Schalten von Hochfrequenzleistungen zu optimieren. Werden Hochfrequenzsignale unterbrochen, dann entsteht wie bei Gleich– und Wechselspannungslasten ein Schaltlichtbogen. Der Hochfrequenzlichtbogen verhält sich beim Ausschalten zuerst wie ein Gleichspannungslichtbogen, da er aufgrund seiner thermischen Trägheit über mehrere Perioden brennt. Der Lichtbogen funktioniert wie ein regelbarer Widerstand der lediglich die Amplitude des Ausgangssignals reduziert. Mit zunehmendem Kontaktabstand erlischt der Hochfrequenzbogen dann wie ein Wechselspannungsbogen beim Stromnulldurchgang. Gleichzeitig mit dem Erlöschen des Lichtbogens erfährt das Ausgangs- gegenüber dem Eingangssignal eine Phasenverschiebung, da die Kopplung von einer ohmschen zu einer kapazitiven Kopplung ändert. Es wurden Schaltuntersuchungen am HF3 Relais mit Gleichspannungslasten bis zu 60 W, Wechselspannungslasten bis zu 30 W und Hochfrequenzleistungen bis zu 37 W durchgeführt. Die Resultate bestätigen die theoretischen Erkenntnisse. Bei einer Last von 37 W konnten auch während 1 Million Betätigungen keine Verschlechterungen der Hochfrequenzeigenschaften, im Besonderen der Einfügedämpfung festgestellt werden und dies bei einem Bauelement mit einem Volumen von weniger als 2 cm3. Elektromechanische Hochfrequenzschalter können aufgrund Ihrer geringen Einfügedämpfung und der damit nur geringen Verlustleistung erhebliche Hochfrequenzleistungen bis 150 W führen und Leistungen bis zu 50 W auch Schalten.