Переключатели высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов — ключевой элемент современных радиоэлектронных систем. Они обеспечивают коммутацию радиочастотных трактов в измерительном оборудовании, телекоммуникационных сетях, аэрокосмической технике и системах 5G. В данной статье рассмотрим два основных класса таких устройств — механические и электромеханические переключатели, их устройство, принципы работы и области применения.

Общие принципы переключения ВЧ сигналов

Для коммутации высокочастотных цепей могут использоваться два принципиально разных подхода:

• Механические ключи — реле, галетные переключатели, поворотные переключатели, переключатели мгновенного действия, обеспечивающие физический электрический контакт;
• Твердотельные (электронные) ключи, устройства на полевых транзисторах, PIN-диодах, монолитных СВЧ микросхемах, а также МЭМС-переключатели.

Механические и электромеханические решения до сих пор востребованы благодаря исключительно низким вносимым потерям, высокой изоляции между каналами и способности работать с большими уровнями мощности сигнала.

Механические переключатели ВЧ сигналов

Устройство и принцип действия

Механический переключатель изменяет состояние цепи за счёт физического перемещения контактов. Внутренний механизм часто аналогичен поворотному переключателю мультиметра: вращение ручки или ручное перемещение привода переключает соединения между общей клеммой и различными выходными клеммами, выбирая нужный канал сигнала.

Пример: переключатель SSU5503A

Характерный представитель класса — механический переключатель ВЧ сигналов SSU5503A:

• содержит один однополюсный двухпозиционный переключатель типа SPDT (COM 1-3);
• оснащён прецизионными коннекторами типа 2.4 мм;
• позволяет установить одно из двух состояний механического реле — соединение с одним либо с другим контактом (Port 1/2, Port 3/4, Port 5/6);
• поддерживает управление сигналами уровня TTL;
• работает с сигналами частотой до 50 ГГц.

Такие устройства применяются для управления потоком ВЧ электроэнергии в измерительных и испытательных схемах.

Электромеханические переключатели ВЧ/СВЧ сигналов

Особенности конструкции

Электромеханический переключатель сочетает механический контакт с электромагнитным приводом: переключение выполняется подачей управляющего напряжения на катушку реле. Это позволяет дистанционно и автоматически коммутировать ВЧ тракты, сохраняя все преимущества физического контакта:

• очень низкие вносимые потери (доли дБ);
• высокая изоляция между портами (до 80–100 дБ);
• широкий рабочий диапазон, от 0,1 до 40 ГГц и выше;
• способность коммутировать значительные уровни мощности;
• отличная линейность и низкие интермодуляционные искажения.

Основные типы

1. SPDT — однополюсный двухпозиционный (один вход, два выхода);
2. SPnT — многопозиционные переключатели (SP3T, SP4T, SP6T и т.д.);
3. DPDT — двухполюсные двухпозиционные;
4. Матричные коммутаторы — позволяют соединять любой вход с любым выходом;
5. Переключатели с фиксацией (latching) и без фиксации (failsafe).

Среди известных производителей электромеханических СВЧ переключателей — компании Dow-Key Microwave, Pickering, Keysight, Radiall и другие. Коммутация сигналов в диапазоне 0,1–40 ГГц необходима, например, при переключении антенны между несколькими передатчиками.

Матричные системы коммутации

Современный пример — матричные переключатели серий SSM5000A / SSU5000A компании Siglent Technology. Устройства выполнены в формате настольного прибора в моноблочном корпусе и представляют собой:

• матрицу твердотельных ключей (серия SSM5000A);
• группу электромеханических коммутаторов (серия SSU5000A).

Такие системы предназначены для автоматизированного тестирования в ВЧ/СВЧ диапазонах.

Перспективное направление: ВЧ МЭМС-переключатели

Отдельного внимания заслуживают радиочастотные микроэлектромеханические (МЭМС) переключатели. Российские инженеры Дизайн-центра микроэлектронной компонентной базы и Передовой инженерной школы ЮФУ «Инженерия киберплатформ» разработали ВЧ МЭМС-переключатели, пригодные для создания защищённых сетей 5G, а также для аэрокосмической и телекоммуникационной отраслей. МЭМС-решения сочетают достоинства механического контакта (низкие потери, высокая изоляция) с миниатюрностью полупроводниковых приборов.

Сравнение механических и электромеханических решений

Параметр	Механические	Электромеханические
Способ переключения	Ручной привод	Электромагнитное реле
Удалённое управление	Нет	Да (TTL и др.)
Вносимые потери	Очень низкие	Очень низкие
Изоляция	Высокая	Высокая
Быстродействие	Низкое	Единицы–десятки мс
Ресурс	Ограничен механическим износом	До миллионов циклов

Области применения

• автоматизированные измерительные и испытательные комплексы;
• коммутация антенн и приёмопередающих трактов;
• телекоммуникационная инфраструктура, включая сети 5G;
• аэрокосмическая и оборонная техника;
• лабораторные стенды ВЧ/СВЧ измерений.

Механические и электромеханические переключатели ВЧ сигналов остаются незаменимыми там, где требуются минимальные потери, высокая изоляция и работа с большими мощностями. Несмотря на развитие твердотельных ключей, электромеханические решения продолжают занимать важную нишу в измерительной технике и телекоммуникациях, а появление МЭМС-переключателей открывает новые возможности миниатюризации и интеграции ВЧ трактов будущего.

Примечание: контактные данные производителей и поставщиков (адреса: г. , ул. ; телефоны: +7 () —) в статье частично скрыты. За подробной информацией обращайтесь на официальные сайты компаний.