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DE10313156B3 - Switch for HF electrical signal has current supply with which current density can be produced in switching section respectively above and below critical current density for superconducting properties - Google Patents

Switch for HF electrical signal has current supply with which current density can be produced in switching section respectively above and below critical current density for superconducting properties Download PDF

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DE10313156B3
DE10313156B3 DE10313156A DE10313156A DE10313156B3 DE 10313156 B3 DE10313156 B3 DE 10313156B3 DE 10313156 A DE10313156 A DE 10313156A DE 10313156 A DE10313156 A DE 10313156A DE 10313156 B3 DE10313156 B3 DE 10313156B3
Authority
DE
Germany
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switching
path
signal
current density
signal path
Prior art date
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DE10313156A
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German (de)
Inventor
Ursus Dr. Krüger
Arno Dr. Steckenborn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Publication date
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    • H01P1/10Auxiliary devices for switching or interrupting
    • HELECTRICITY
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Abstract

The device has a signal path (12b) for the HF signal and a control path (14b) for a switching current for activating a switching process in the signal path with a switching element. The switch element is a switching section consisting of a superconductor that simultaneously forms part of the signal path and the control path and is connected via the control path to a current supply (18b) with which a current density can be produced in the switching section respectively above and below the critical current density for the superconducting properties of the switching section. An independent claim is included for a method of switching a high frequency electrical signal.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter für ein elektrisches Hochfrequenzsignal mit einem Signalpfad für das Hochfrequenzsignal und mit einem Steuerpfad für einen Schaltstrom zur Aktivierung eines Schaltvorgangs im Signalpfad mittels eines Schaltelementes. Ein derartiger Schalter ist beispielsweise aus der Veröffentlichung "Performance and Dynamics of a RF MEMS Switch" von Florian Plötz und anderen im Rahmen der "11th International Conference on Solid-State Sensors and Aktuators" vom 10. bis 14. Juni 2001 in München, Deutschland bekannt. Aus dieser Veröffentlichung ist als Schalter für ein elektrisches Hochfrequenzsignal ein Mikrorelais bekannt, welches eine in Ätztechnik hergestellte Relaisplatte als Schaltelement aufweist, mit der zwei Signalpfade für das Hochfrequenzsignal geschaltet werden können. Dabei wird die geätzte Relaisplatte in einem Kondensatorfeld gezielt verformt, um einen Kontakt in den Signalpfaden zu schließen. Das Kondensatorfeld wird zwischen in Schichttechnologie hergestellten Kondensatorplatten erzeugt, welche über einen Steuerpfad mit einer Stromversorgung verbunden werden können. Über die Steuerpfade lässt sich das Kondensatorfeld derart verändern, dass ein Schaltvorgang mit der Relaisplatte erzeugt wird. Die bei dem Schaltvorgang realisierbaren Schaltzeiten sind einerseits von. den elektrischen Eigenschaften des Kondensators und andererseits von den mechanischen Eigenschaften der Relaisplatte abhängig.The invention relates to a switch for an electrical high-frequency signal with a signal path for the high-frequency signal and with a control path for a switching current for activating a switching process in the signal path by means of a switching element. Such a switch is, for example, from the publication "Performance and Dynamics of a RF MEMS Switch" by Florian roach and other part of the "11 th International Conference on Solid-State Sensors and actuator" from 10 to 14 June 2001 in Munich, Germany known. From this publication, a microrelay is known as a switch for an electrical high-frequency signal, which has a relay plate produced in etching technology as a switching element with which two signal paths for the high-frequency signal can be switched. The etched relay plate is deliberately deformed in a capacitor field in order to close a contact in the signal paths. The capacitor field is generated between capacitor plates produced in layer technology, which can be connected to a power supply via a control path. The capacitor field can be changed via the control paths in such a way that a switching process is generated with the relay plate. The switching times that can be achieved during the switching process are on the one hand of. the electrical properties of the capacitor and on the other hand depending on the mechanical properties of the relay plate.

Aus der DE 38 44 053 C2 und der DE 41 32 707 A1 sind weiterhin supraleitende Schaltelemente bekannt, die beispielsweise in elektrischen Netzen als Strombegrenzer für den Kurzschlussfall Verwendung finden. Die Aktivierung des Schaltelementes wird durch einen unzulässig hohen Kurzschlussstrom herbeigeführt, der zu einem Quenchen der supraleitenden Schaltelemente führt und so ein sprunghaftes Ansteigen des elektrischen Widerstandes dieser Schaltelemente bewirkt. Aufgrund der Widerstandserhöhung wird in den supraleitenden Schaltelementen der Strom begrenzt, wobei die elektrische Leistung im Schaltelement in Wärme umgesetzt wird. Der über das in den normal leitenden Zustand übergegangene Schaltelement fließende, begrenzte Strom kann durch ein herkömmliches Schaltelement vollends abgeschaltet werden.From the DE 38 44 053 C2 and the DE 41 32 707 A1 Superconducting switching elements are also known, which are used, for example, in electrical networks as current limiters for the event of a short circuit. The activation of the switching element is brought about by an impermissibly high short-circuit current, which leads to quenching of the superconducting switching elements and thus causes a sudden increase in the electrical resistance of these switching elements. Due to the increase in resistance, the current is limited in the superconducting switching elements, the electrical power in the switching element being converted into heat. The limited current flowing through the switching element that has passed into the normal conductive state can be completely switched off by a conventional switching element.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schalter für ein elektrisches Hochfrequenzsignal anzugeben, mit dem sich vergleichsweise kurze Schaltzeiten verwirklichen lassen.The The object of the invention is to provide a switch for an electrical To specify high-frequency signal with which there are comparatively short switching times let it be realized.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Schaltelement eine aus einem Supraleiter bestehende Schaltstrecke ist, die gleichzeitig einen Teil des Signalpfades und des Steuerpfades bildet und über den Steuerpfad mit einer Stromversorgung verbunden ist, mit der in der Schaltstrecke eine Stromdichte jeweils oberhalb und unterhalb der für die supraleitenden Eigenschaften der Schaltstrecke kritischen Stromdichte IC erzeugbar ist.This object is achieved in that the switching element is a switching path consisting of a superconductor, which simultaneously forms part of the signal path and the control path and is connected via the control path to a power supply with which a current density in the switching path is above and below that critical current density I C can be generated for the superconducting properties of the switching path.

Mit dem erfindungsgemäßen Schaltelement ausgestattete Schalter können für Hochfrequenzsignale verwendet werden, deren Frequenzen wenigstens im kHz-Bereich liegen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung solcher Schalter im MHz- und GHz-Bereich, in denen beispielsweise die Sendefrequenzen von Mobilfunknetzen liegen. Der mittels der Stromversorgung erzeugte Steuerstrom, der in den Steuerpfad eingespeist wird, kann ein Gleichstrom oder auch ein Wechselstrom sein, wobei im Falle eines Wechselstromes die Frequenz mindestens um den Faktor 100 geringer sein muss als die Frequenz des zu schaltenden Hochfrequenzsignals, damit sich der Steuerstrom und das Hochfrequenzsignal nicht in ungewünschter Weise gegenseitig beeinflussen.With equipped the switching element according to the invention Switches can for high frequency signals are used whose frequencies are at least in the kHz range. It is particularly advantageous to use such switches in the MHz and GHz range, in which, for example, the transmission frequencies of mobile radio networks lie. The control current generated by the power supply, the can be fed into the control path, a direct current or be an alternating current, in the case of an alternating current the frequency must be at least 100 times lower than the frequency of the to be switched high-frequency signal, so that the control current and do not undesirably influence the high-frequency signal.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schaltelementes beruht auf der Eigenschaft des Supraleiters, bei Überschreiten der kritischen Stromdichte IC in den normalleitenden Zustand überzugehen, wobei dieser Übergang durch Einspeisen eines genügend hohen Stromes in den Steuerpfad erzielt wird. Da der Supraleiter außerdem einen Teil des Signalpfades bildet, führt ein Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand dazu, dass die Leistung des zu übertragenden Hochfrequenzsignals aufgrund des nunmehr hohen Widerstandes in Wärme umgesetzt wird. Dies bedeutet, dass der Schalter eingeschaltet ist, wenn sich der Supraleiter im supraleitenden Zustand befindet und ausgeschaltet ist, wenn dieser mit einer Stromdichte größer IC belastet wird. Da der Übergang zwischen normalleitendem und supraleitendem Zustand des Supraleiters sprunghaft erfolgt, lässt sich mit dem beschriebenen Schaltprinzip vorteilhaft eine kurze Schaltzeit verwirklichen. Darüber hinaus können die Verluste am Schalter im eingeschalteten Zustand vorteilhafterweise äußerst gering gehalten werden, da der Widerstand von Supraleitern im supraleitenden Zustand außerordentlich gering ist.The mode of operation of the switching element according to the invention is based on the property of the superconductor to change to the normal conducting state when the critical current density I C is exceeded, this transition being achieved by feeding a sufficiently high current into the control path. Since the superconductor also forms part of the signal path, a transition from the superconducting to the normally conducting state leads to the power of the high-frequency signal to be transmitted being converted into heat due to the now high resistance. This means that the switch is switched on when the superconductor is in the superconducting state and is switched off when it is loaded with a current density greater than I C. Since the transition between the normally conductive and superconducting state of the superconductor takes place suddenly, the switching principle described advantageously makes it possible to achieve a short switching time. In addition, the losses at the switch in the switched-on state can advantageously be kept extremely low, since the resistance of superconductors in the superconducting state is extremely low.

Gemäß einer alternativen Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass das Schaltelement aus einem Kondensator besteht, dessen eine Kondensatorplatte ein Signalleitungsabschnitt des Signalpfades ist und dessen andere Kondensatorplatte ein aus einem Supraleiter bestehender Steuerleitungsabschnitt ist, der einen sich mit dem Signalleitungsabschnitt überlappenden Teil des Steuerpfades bildet und über den Steuerpfad mit einer Stromversorgung verbunden ist, mit der in dem Steuerleitungsabschnitt eine Stromdichte jeweils oberhalb und unterhalb der für die supraleitenden Eigenschaften des Steuerleitungsabschnittes kritischen Stromdichte IC erzeugbar ist. Hinsichtlich der Frequenzen von Hochfrequenzsignal und Steuerstrom, mit denen der Schalter betrieben werden kann, gilt das oben Ausgeführte.According to an alternative solution to the problem, it is provided that the switching element consists of a capacitor, one capacitor plate of which is a signal line section of the signal path and the other capacitor plate of which is a control line section consisting of a superconductor, which forms a part of the control path which overlaps with the signal line section and above the control path is connected to a power supply with which in the control line section a current density can be generated in each case above and below the current density I C critical for the superconducting properties of the control line section. The statements made above apply to the frequencies of the high-frequency signal and control current with which the switch can be operated.

Das Schaltprinzip des als Kondensator ausgeführten Schaltelementes besteht darin, dass die Kondensatorplatten des Kondensators jeweils aus Teilen des Signalpfades und des Steuerpfa des gebildet werden. Sobald sich in dem so gebildeten Kondensator ein Feld aufbaut, wird das Hochfrequenzsignal aus dem Signalpfad in den Steuerpfad eingekoppelt und wird so über die Steuerstrecke abgeführt. Die Steuerstrecke selbst kann in diesem Fall im Übrigen vorteilhaft auch als Signalstrecke verwendet werden, wenn das Hochfrequenzsignal über die Steuerstrecke an eine zur Verarbeitung des Hochfrequenzsignals geeignete Stelle weitergeleitet wird. Die Leitung des hochfrequenten Signals im Signalpfad ist jedoch unterbrochen, so dass sich der Schalter in der Stellung "Aus" befindet. In dieser Stellung ist die Impedanz des Signalpfades stark erhöht, wobei die Impedanzsteigerung im jeweiligen Anwendungsfall ausreichen muss, um eine Übertragung des Hochfrequenzsignals wirksam zu unterdrücken.The Switching principle of the switching element designed as a capacitor exists in that the capacitor plates of the capacitor each consist of parts of the signal path and the control path are formed. As soon as builds up a field in the capacitor thus formed, the high-frequency signal from the signal path into the control path and is thus via the Control route removed. The In this case, the control section itself can also advantageously be used as Signal path can be used when the high-frequency signal over the control path to a location suitable for processing the high-frequency signal is forwarded. The line of the high-frequency signal in the signal path is interrupted, however, so that the switch is in the "Off" position. In this Position, the impedance of the signal path is greatly increased, whereby the increase in impedance in the respective application must be sufficient, to transfer the Effectively suppress high-frequency signal.

Wird im Steuerpfad die Stromdichte über die kritische Stromdichte IC erhöht, so geht der Supraleiter in dem Steuerpfad in den normalleitenden Zustand über, wodurch sich der elektrische Widerstand drastisch erhöht. Dadurch bricht das elektrische Feld im Kondensator zusammen, so dass das Hochfrequenzsignal im Signalpfad ungehindert übertragen werden kann. Da der Übergang des Supraleiters in den normalleitenden Zustand (ebenso wie der Übergang in den supraleitenden Zustand) sprunghaft erfolgt, lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Schaltelementes vorteilhaft eine sehr kurze Schaltzeit des Schalters verwirklichen. Darüber hinaus ermöglicht der Schalter im eingeschaltetem Zustand vorteilhaft eine sehr verlustarme Übertragung des Hochfrequenzsignals.If the current density in the control path is increased above the critical current density I C , the superconductor in the control path changes to the normally conductive state, as a result of which the electrical resistance increases drastically. As a result, the electrical field in the capacitor breaks down, so that the high-frequency signal can be transmitted unhindered in the signal path. Since the transition of the superconductor to the normal conducting state (as well as the transition to the superconducting state) takes place suddenly, a very short switching time of the switch can advantageously be achieved by means of the switching element according to the invention. In addition, the switch advantageously enables very low-loss transmission of the high-frequency signal when switched on.

Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist zwischen dem Signalleitungsabschnitt und dem Steuerleitungsabschnitt ein Dielektrikum vorgesehen. Dieses verstärkt das elektrische Feld im Kondensator, wodurch sich vorteilhaft die Sperr- bzw.According to one execution of the invention is between the signal line section and the control line section a dielectric is provided. This strengthens the electric field in the Capacitor, whereby the blocking or

Dämpfungswirkung des die Kondensatorplatte bildenden Steuerleitungsabschnittes verbessern lässt.damping effect of the control line section forming the capacitor plate leaves.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass ein schaltbarer Magnet derart angeordnet ist, dass sich der Steuerleitungsabschnitt in seinem Magnetfeld befindet. Hiermit kann vorteilhaft erreicht werden, dass durch Einschalten des Magnetes sich die kritische Stromdichte IC verringert, so dass geringere Stromdichten im Steuerpfad ausreichen, um einen Übergang des Supraleiters in den normalleitenden Zustand bewirken.Another embodiment provides that a switchable magnet is arranged in such a way that the control line section is in its magnetic field. This can advantageously be achieved that the critical current density I C is reduced by switching on the magnet, so that lower current densities in the control path are sufficient to bring about a transition of the superconductor into the normally conductive state.

Eine weitere alternative Lösung der Aufgabe sieht vor, dass das Schaltelement eine aus einem Supraleiter bestehende, den Signalpfad freitragend überspannende Schaltbrücke ist, die einen Teil des Steuerpfades bildet und über den Steuerpfad mit einer Stromversorgung verbunden ist, mit der in der Schaltbrücke eine Stromdichte jeweils oberhalb und unterhalb der für die supraleitenden Eigenschaften der Schaltbrücke kritischen Stromdichte IC erzeugbar ist, wobei die Schaltbrücke in Richtung zum Signalpfad hin beweglich in einem Magnetfeld angeordnet ist, dessen Feldstärke sich in Richtung zum Signalpfad hin verringert. Hinsichtlich der Frequenzen von Schaltstrom und Hochfrequenzsignal, mit denen der Schalter betrieben werden kann, gilt das oben Ausgeführte.Another alternative solution to the problem provides that the switching element is a switching bridge consisting of a superconductor and spanning the signal path, which forms part of the control path and is connected via the control path to a power supply with which a current density in the switching bridge is above each and can be generated below the current density I C critical for the superconducting properties of the switching bridge, the switching bridge being arranged to be movable in the direction of the signal path in a magnetic field, the field strength of which is decreasing in the direction of the signal path. The statements made above apply to the frequencies of switching current and high-frequency signal with which the switch can be operated.

Die bewegliche Anordnung der Schaltbrücke in einem Magnetfeld ermöglicht die Ausnutzung des so genannten Meißner-Effektes. Dieser Effekt wird durch die Eigenschaft von supraleitenden Materialien bewirkt, ein Magnetfeld aus ihrem Inneren zu verdrängen. Befindet sich die Schaltbrücke also im supraleitenden Zustand, so drängt sie das Magnetfeld aus ihrem Inneren. Da sich dieses hinsichtlich der Feldstärke in Richtung zum Signalpfad hin verringert, resultiert aus dieser Verdrängung eine Kraft, die die bewegliche Schaltbrücke hin zum Signalpfad bewegt. Hierdurch wird ein Schaltvorgang initiiert.The The movable arrangement of the switching bridge in a magnetic field enables the Exploitation of the so-called Meissner effect. This effect is caused by the property of superconducting materials, to displace a magnetic field from within. So the jumper is located in the superconducting state, so urges the magnetic field from within. Since this is regarding the field strength reduced towards the signal path results from this Repression one Force that moves the movable switching bridge towards the signal path. This initiates a switching process.

Wird die Stromdichte in der Schaltbrücke über die kritische Stromdichte IC erhöht, so gelangt die Schaltbrücke in den normalleitenden Zustand. In diesem Zustand wird die Schaltbrücke durch das Magnetfeld durchflossen, so dass dieses keinen statischen Einfluss auf die Schaltbrücke in Richtung des Signalpfades mehr ausüben kann. Daher bewegt sich die Schaltbrücke in ihre Ausgangslage zurück, welche ihren Ruhezustand darstellt, während die Auslenkung zum Signalpfad hin beispielsweise durch eine elastische Verformung erreicht werden kann.If the current density in the switching bridge is increased above the critical current density I C , the switching bridge enters the normally conductive state. In this state, the switching bridge is flowed through by the magnetic field, so that this can no longer exert a static influence on the switching bridge in the direction of the signal path. Therefore, the switching bridge moves back to its initial position, which represents its idle state, while the deflection towards the signal path can be achieved, for example, by an elastic deformation.

Es ist vorteilhaft, wenn die Schaltbrücke derart beweglich angeordnet ist, dass eine Berührung zwischen der Schaltbrücke und dem Signalpfad möglich ist. Diese Berührung wird dann durch Auslenkung der sich im Zustand der Supraleitung befindlichen Signalbrücke erreicht, wobei durch die mechanische Berührung von Steuerpfad und Signalpfad vorteilhaft eine mechanische Kontaktierung erreicht wird.It is advantageous if the switching bridge is arranged so movable is that a touch between the switching bridge and the signal path possible is. That touch is then caused by deflection of the superconductivity located signal bridge achieved by mechanical contact between control path and signal path mechanical contacting is advantageously achieved.

Ein anderer Schaltmechanismus lässt sich vorteilhaft erreichen, wenn sich zwischen der Schaltbrücke und dem Signalpfad ein Dielektrikum befindet. Dieses kann beispielsweise auf dem Signalpfad aufgebracht sein, so dass sich die Schaltbrücke im supraleitenden Zustand auf das Dielektrikum absetzen lässt. Dabei entsteht eine Konfiguration, bei dem die Überlappungsbereiche von Steuer- und Signalpfad einen Kondensator bilden. Die Funktionsweise dieses Kondensators als Schaltelement ist bereits erklärt worden. Alternativ zum Vorsehen eines Dielektrikums kann die Beweglichkeit der Schaltbrücke auch derart begrenzt werden, dass dies sich nur so weit auslenken lässt, dass zwischen Signalpfad und Steuerpfad ein Spalt bestehen bleibt. An Stelle des Dielektrikums können dann Abstandshalter verwendet werden, um einen definierten Abstand zwischen der Schaltbrücke und dem Signalpfad zu gewährleisten.Another switching mechanism can advantageously be achieved if there is a dielectric between the switching bridge and the signal path. This can, for example, on the signal path be applied so that the switching bridge can be placed on the dielectric in the superconducting state. This creates a configuration in which the overlap areas of the control and signal paths form a capacitor. The operation of this capacitor as a switching element has already been explained. As an alternative to the provision of a dielectric, the mobility of the switching bridge can also be limited in such a way that this can only be deflected to such an extent that a gap remains between the signal path and the control path. Instead of the dielectric, spacers can then be used to ensure a defined distance between the switching bridge and the signal path.

Unabhängig von den erläuterten Schaltprinzipien lassen sich aufgrund des sprunghaften Wechsels der Schaltbrücke zwischen normalleitendem und supraleitendem Zustand in Abhängigkeit der Stromdichte vorteilhaft sehr kurze Schaltzeiten für den Schalter realisieren. Außerdem ist die Übertragung der Hochfrequenzsignale in dem Signalpfad bei eingeschaltetem Schalter vorteilhafterweise sehr verlustarm.Independent of the explained Switching principles can be changed due to the sudden change the switching bridge between normal conducting and superconducting state depending the current density advantageous very short switching times for the switch realize. Moreover is the transfer of the Radio frequency signals in the signal path with the switch turned on advantageously very low loss.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Schalten eines elektrischen Hochfrequenzsignals.Farther The invention relates to a method for switching a high frequency electrical signal.

Ein derartiges Verfahren ist eingangs anhand der dort aufgeführten Veröffentlichung bereits ausführlich erläutert worden.On Such procedure is initially based on the publication listed there already detailed explained Service.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Schalten eines elektrischen Hochfrequenzsignals anzugeben, mit dem sich vergleichsweise kurze Schaltzeiten verwirklichen lassen.The The object of the invention is to provide a method for switching specify an electrical high-frequency signal with which it can be compared let short switching times be realized.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Schalten eines elektrischen Hochfrequenzsignals gelöst, bei dem ein Supraleiter eine Schaltstrecke in einem das Hochfrequenzsignal übertragenden Signalpfad und gleichzeitig einen Teil eines Steuerpfades bildet und mittels einer Stromversorgung eine Stromdichte oberhalb der für die supraleitenden Eigenschaften der Schaltstrecke kritischen Stromdichte IC er zeugt wird, wodurch im Signalpfad für das elektrische Hochfrequenzsignal eine Sperrwirkung erzeugt wird. Das Schaltprinzip beruht, wie oben bereits erläutert, auf dem Wechsel zwischen einem supraleitenden und einem normalleitenden Zustand der Schaltstrecke, wobei die Schaltstrecke im normalleitenden Zustand aufgrund ihres sprunghaft ansteigenden Widerstandes eine Sperrwirkung für das Hochfrequenzsignal erzeugt. Der Wechsel zwischen normalleitenden und supraleitenden Eigenschaften der Schaltstrecke erfolgt sprungartig, so dass sich vorteilhafterweise ausgesprochen kurze Schaltzeiten verwirklichen lassen.This object is achieved according to the invention by a method for switching an electrical high-frequency signal, in which a superconductor forms a switching path in a signal path transmitting the high-frequency signal and at the same time forms part of a control path, and by means of a power supply a current density above the current density I critical for the superconducting properties of the switching path C he is generated, whereby a blocking effect is generated in the signal path for the electrical high-frequency signal. As already explained above, the switching principle is based on the change between a superconducting and a normally conducting state of the switching path, the switching path in the normally conducting state producing a blocking effect for the high-frequency signal due to its suddenly increasing resistance. The change between normally conducting and superconducting properties of the switching path takes place suddenly, so that extremely short switching times can advantageously be achieved.

Eine alternative, erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe stellt ein Verfahren zum Schalten eines elektrischen Hochfrequenzsignals dar, bei dem in einem Steuerpfad, der sich mit einem das Hochfrequenzsignal führenden Signalpfad unter Bildung eines Kondensators überlappt und zumindest im so gebildeten Überlappungsbereich als Supraleiter ausgebildet ist, mittels einer Stromversorgung eine Stromdichte oberhalb der für die supraleitenden Eigenschaften des Überlappungsbereiches kritischen Stromdichte IC erzeugt wird, wodurch eine Sperrwirkung des Kondensators für das elektrische Hochfrequenzsignal im Signalpfad aufgehoben wird.An alternative solution to this object according to the invention is a method for switching an electrical high-frequency signal, in which a control path that overlaps with a signal path carrying the high-frequency signal to form a capacitor and is designed as a superconductor at least in the overlap region formed in this way, by means of a power supply a current density above the current density I C which is critical for the superconducting properties of the overlap region is generated, as a result of which a blocking effect of the capacitor for the electrical high-frequency signal in the signal path is eliminated.

Die Sperrwirkung des Kondensators und damit das Schaltprinzip dieses erfindungsgemäßen Schaltverfahrens sind bereits erläutert worden. Die Ausbildung einer der Kondensatorplatten des Kondensators als Supraleiter, der durch Variation der Stromdichte im supraleitenden und normalleitenden Bereich betrieben wird, ermöglicht vorteilhaft aufgrund des sprungartigen Übergangs zwischen den beiden Zuständen des Supraleiters sehr kurze Schaltzeiten.The Blocking effect of the capacitor and thus the switching principle of this switching method according to the invention are already explained Service. The formation of one of the capacitor plates of the capacitor as a superconductor, which by varying the current density in the superconducting and normal conducting area is advantageously enabled due to of the sudden transition between the two states of the superconductor very short switching times.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert, hierbei zeigenFurther Details of the invention are described below with reference to the drawing explains show here

1a und b ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schalters mit einer supraleitenden Schaltstrecke als Schaltelement im ausgeschalteten und eingeschalteten Zustand als schematischen Schnitt, 1a and b an embodiment of the switch according to the invention with a superconducting switching path as a switching element in the switched off and on state as a schematic section,

2a und b ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schalters mit einem Kondensator als Schaltelemente mit und ohne eine zuschaltbare Magnetspule als schematischen Schnitt und 2a and b an embodiment of the switch according to the invention with a capacitor as switching elements with and without a switchable solenoid as a schematic section and

3a und b ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schalters mit einer supraleitenden Schaltbrücke in einem Magnetfeld im ausgeschalteten und eingeschalteten Zustand als schematischen Schnitt. 3a and b an embodiment of the switch according to the invention with a superconducting switching bridge in a magnetic field in the switched off and on state as a schematic section.

Ein Schalter gemäß 1 ist in Schichttechnologie auf einem Substrat 11a hergestellt. Auf diesem Substrat 11a ist ein Signalpfad 12a als strukturierte Schicht aufgebracht. Auf dem Signalpfad 12a befindet sich eine Isolationsschicht 13a. Auch das Substrat 11a ist ein elektrischer Isolator.A switch according to 1 is in layer technology on a substrate 11a manufactured. On this substrate 11a is a signal path 12a applied as a structured layer. On the signal path 12a there is an insulation layer 13a , Even the substrate 11a is an electrical insulator.

Ein Steuerpfad 14a ist aus Durchkontaktierungen 15 im Substrat 11a und einer Schaltstrecke 16 gebildet. Die Schaltstrecke 16 ist identisch mit demjenigen Teil des Signalpfades 12a, welcher sich zwischen Berührungspunkten 17 der Durchkontaktierungen 15 mit dem Signalpfad 12a erstreckt.A control path 14a is made of vias 15 in the substrate 11a and a switching path 16 educated. The switching path 16 is identical to that part of the signal path 12a , which is between points of contact 17 the via conclusions 15 with the signal path 12a extends.

An die Durchkontaktierungen 15 lässt sich beispielsweise eine Stromversorgung 18a anschließen, wobei mit dieser in der Schaltstrecke 16, die wie der Signalpfad 12a aus einem supraleitendem Material besteht, eine Stromdichte größer der kri tischen Stromdichte IC erzeugbar ist, so dass die Schaltstrecke vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht. In 1a ist der supraleitende Zustand der Schaltstrecke 16 dargestellt, bei dem ein Hochfrequenzsignal in dem Signalpfad 12a übertragen werden kann; in 1b befindet sich die Schaltstrecke 16 im normalleitenden Zustand, so dass diese eine Sperrwirkung auf den Signalpfad 12a ausübt und das Hochfrequenzsignal nicht übertragen werden kann.To the vias 15 for example, a power supply 18a connect, with this in the switching path 16 that like the signal path 12a consists of a superconducting material, a current density greater than the critical current density I C can be generated, so that the switching path changes from the superconducting to the normal conducting state. In 1a is the superconducting state of the switching path 16 shown in which a radio frequency signal in the signal path 12a can be transferred; in 1b is the switching distance 16 in the normally conductive state, so that this has a blocking effect on the signal path 12a exercises and the high-frequency signal can not be transmitted.

Die Anordnung nach 1 ist auch als rein planarer Aufbau denkbar. Signalpfad und Steuerpfad werden dann in Schichttechnologie übereinandergelegt und strukturiert (nicht dargestellt).The order after 1 is also conceivable as a purely planar structure. The signal path and control path are then superimposed and structured in layer technology (not shown).

Zur Herstellung eines Schalters gemäß 2 wird zunächst auf einem Substrat 11b eine Isolationsschicht 13b aufgebracht. Auf dieser wird ein Signalpfad 12b (verläuft in 2 senkrecht zur Zeichenebene) durch Strukturierung einer supraleitenden Schicht gewonnen. Der Signalpfad 12b wird mit einem Dielektrikum 19b beschichtet. Anschließend wird ein Steuerpfad 14b derart auf der Isolationsschicht 13b aufgebracht, dass dieser den mit dem Dielektrikum 19b versehenen Signalpfad 12b kreuzt. An der Kreuzungsstelle entsteht auf diese Weise ein Kondensator 20b, dessen Kondensatorplatten durch die sich kreuzenden Abschnitte von Signalleitung 12b und Steuerleitung 14b gebildet werden, wobei diese Kondensatorplatten das Dielektrikum 19b einschließen.To manufacture a switch according to 2 is first on a substrate 11b an insulation layer 13b applied. On this is a signal path 12b (runs in 2 perpendicular to the plane of the drawing) by structuring a superconducting layer. The signal path 12b comes with a dielectric 19b coated. Then a control path 14b such on the insulation layer 13b applied that this with the dielectric 19b provided signal path 12b crosses. This creates a capacitor at the crossing point 20b whose capacitor plates through the intersecting sections of signal line 12b and control line 14b are formed, these capacitor plates the dielectric 19b lock in.

Wie in 2a dargestellt, kann durch Beaufschlagen des Steuerpfades 14b beispielsweise mit einem Gleichstrom mittels einer Stromversorgung 18b ein Übergang des den Steuerpfad 14b bildenden Supraleiters in den normalleitenden Zustand erzwungen werden (überschreiten der kritischen Stromdichte IC im Steuerpfad). Dabei bricht das Kondensatorfeld des Kondensators 20b zusammen, wodurch der Schaltvorgang ausgelöst wird. Das Schaltelement bildet also der Kondensator 20b.As in 2a can be shown by applying the control path 14b for example with a direct current by means of a power supply 18b a transition of the control path 14b forming superconductor in the normal conducting state (exceeding the critical current density I C in the control path). The capacitor field of the capacitor breaks 20b together, which triggers the switching process. The switching element thus forms the capacitor 20b ,

Wie in 2b verdeutlicht, kann ein schaltbarer Magnet 21 derart angeordnet werden, dass sich der die Kondensatorplatte bildende Teil des Steuerpfades 14b bei eingeschaltetem Magnet in dessen Magnetfeld befindet. Das Magnetfeld setzt die kritische Stromdichte IC des supraleitenden Materials herab, so dass bei geeignet gewählter Stromdichte I das Kondensatorfeld im Kondensator 20b zusammenbricht, wodurch der Schaltvorgang ausgelöst wird.As in 2 B illustrates a switchable magnet 21 be arranged such that the part of the control path forming the capacitor plate 14b is in its magnetic field when the magnet is switched on. The magnetic field reduces the critical current density I C of the superconducting material, so that with a suitably selected current density I the capacitor field in the capacitor 20b breaks down, which triggers the switching process.

Bei einem Schalter gemäß 3 ist auf einem Substrat 11c eine Isolationsschicht 13c aufgebracht, auf der ein Signalpfad durch Strukturieren einer supraleitenden Schicht hergestellt wird (verläuft im Ausführungsbeispiel gemäß 3 senkrecht zur Zeichenebene). Der Signalpfad 12c ist mit einem Dielektrikum 19c beschichtet.With a switch according to 3 is on a substrate 11c an insulation layer 13c applied, on which a signal path is produced by structuring a superconducting layer (runs in the exemplary embodiment according to FIG 3 perpendicular to the plane of the drawing). The signal path 12c is with a dielectric 19c coated.

Beidseitig des Signalpfades 12c sind Abstandshalter 22 auf die Isolationsschicht 13c aufgesetzt, welche mit einer weiteren Isolationsschicht 23 versehen sind. Diese Abstandshalter dienen gleichsam als Brückenpfeiler für eine Schaltbrücke 24, die als Teil des Steuerpfades 14c ausgebildet ist und zwischen den Abstandshaltern 22 freitragend oberhalb des Signalpfades 12c und dessen Verlauf kreuzend angeordnet ist (3a). Oberhalb der Schaltbrücke 24 ist ein Magnet 25 angeordnet, in dessen Magnetfeld sich die Schaltbrücke 24 befindet. Wird die Schaltbrücke 24 mittels einer Stromversorgung 18c mit einer Stromdichte oberhalb der kritischen Stromdichte IC belastet, so befindet sich diese Schaltbrücke 24 im normalleitendem Zustand und wird durch das Magnetfeld des Magneten 25 nicht beeinflusst. Das Magnetfeld durchläuft die normalleitende Schaltbrücke 24 vielmehr ungehindert, so dass sich diese in ihrer in 3a dargestellten, unverformten Ausgangslage befindet.On both sides of the signal path 12c are spacers 22 on the insulation layer 13c put on, which with another insulation layer 23 are provided. These spacers serve as bridge pillars for a switching bridge 24 that are part of the control path 14c is formed and between the spacers 22 unsupported above the signal path 12c and its course is crossed ( 3a ). Above the switching bridge 24 is a magnet 25 arranged in the magnetic field of the switching bridge 24 located. Will the switching bridge 24 by means of a power supply 18c loaded with a current density above the critical current density I C , this jumper is located 24 in the normal conductive state and is caused by the magnetic field of the magnet 25 unaffected. The magnetic field passes through the normally conductive switching bridge 24 rather, unhindered, so that these are reflected in their 3a shown, undeformed starting position.

Ist, wie in 3b dargestellt, die Stromdichte in der Schaltbrücke kleiner als IC, so ist diese supraleitend und verdrängt das Magnetfeld aus dem Querschnitt der Schaltbrücke (Meißner-Effekt). Dadurch übt das Magnetfeld, welches zum Signalpfad 12c hin abnimmt, auf die Schaltbrücke 24 eine Kraft aus, weswegen sich diese zum Signalpfad hin verformt und sich unter Bildung eines Kondensators 20c auf dem Dielektrikum 19c ablegt. Dabei bildet der den Signalpfad kreuzende Abschnitt der Schaltbrücke 24 die eine Kondensatorplatte und der gekreuzte Abschnitt des Signalpfades die andere Kondensatorplatte. Die Funktion des Kondensators 20c als Schaltelement ist analog der zu den 2a und 2b beschriebenen Wirkungsweise.It's like in 3b shown, the current density in the switching bridge is less than I C , it is superconducting and displaces the magnetic field from the cross section of the switching bridge (Meissner effect). As a result, the magnetic field, which leads to the signal path 12c decreases towards the switching bridge 24 a force, which is why it deforms towards the signal path and forms a capacitor 20c on the dielectric 19c stores. The section of the switching bridge crossing the signal path forms 24 one capacitor plate and the crossed portion of the signal path the other capacitor plate. The function of the capacitor 20c as a switching element is analogous to that 2a and 2 B described mode of action.

Alternativ (nicht dargestellt) kann das Dielektrikum 19c auch weggelassen werden. Unter dieser Voraussetzung legt sich die Schaltbrücke 24 unter Bildung eines elektrischen Kontaktes direkt auf den Signalpfad 12c, der dadurch kurzgeschlossen wird. Hierdurch lässt sich ein mechanischer Schalter verwirklichen.Alternatively (not shown), the dielectric 19c also be omitted. Under this condition, the switching bridge is laid 24 forming an electrical contact directly on the signal path 12c , which is short-circuited. This enables a mechanical switch to be implemented.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 1 bis 3 ist der Signalpfad jeweils durch einen Supraleiter gebildet. Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform für Hochfrequenzsignale, da diese fast verlustfrei übertragen werden können, solange sich der Signalpfad im supraleitenden Zustand befindet. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die zu übertragenden Hochfrequenzsignale gleichzeitig zur Übertragung einer elektrischen Leistung genutzt werden sollen, da die in dem Signalpfad auftretenden Verluste (z. B. Wärmeentwicklung) vorteilhaft sehr gering gehalten werden. Für die Funktionsweise der Schalter gemäß der 1 bis 3 sind dies supraleitenden Eigenschaften des Signalpfades jedoch keine Voraussetzung. Der Schaltvorgang wird jeweils durch einen Wechsel zwischen supraleitenden und normalleitenden Eigenschaften des Steuerpfades erreicht. Dieser Effekt kann auch genutzt werden, wenn der Signalpfad aus einem normalleitenden Material wie z. B. Kupfer hergestellt ist.In the embodiments according to the 1 to 3 the signal path is formed by a superconductor. This is a particularly advantageous embodiment for high-frequency signals, since they can be transmitted almost without loss as long the signal path is in the superconducting state. This is particularly advantageous if the high-frequency signals to be transmitted are to be used simultaneously for the transmission of electrical power, since the losses occurring in the signal path (for example heat development) are advantageously kept very low. For the functioning of the switches according to the 1 to 3 however, these superconducting properties of the signal path are not a requirement. The switching process is achieved by a change between superconducting and normally conducting properties of the control path. This effect can also be used if the signal path is made of a normally conductive material such as. B. copper is made.

Claims (9)

Schalter für ein elektrisches Hochfrequenzsignal mit einem Signalpfad (12a) für das Hochfrequenzsignal und mit einem Steuerpfad (14a) für einen Schaltstrom zur Aktivierung eines Schaltvorganges im Signalpfad mittels eines Schaltelementes, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement eine aus einem Supraleiter bestehende Schaltstrecke (16) ist, die – gleichzeitig einen Teil des Signalpfades (12a) und des Steuerpfades (14a) bildet und – über den Steuerpfad (14a) mit einer Stromversorgung (18a) verbunden ist, mit der in der Schaltstrecke (16) eine Stromdichte jeweils oberhalb und unterhalb der für die supraleitenden Eigenschaften der Schaltstrecke (16) kritischen Stromdichte IC erzeugbar ist.Switch for an electrical high-frequency signal with a signal path ( 12a ) for the high frequency signal and with a control path ( 14a ) for a switching current for activating a switching process in the signal path by means of a switching element, characterized in that the switching element comprises a switching path consisting of a superconductor ( 16 ) which is - at the same time part of the signal path ( 12a ) and the control path ( 14a ) forms and - via the control path ( 14a ) with a power supply ( 18a ) is connected to that in the switching path ( 16 ) a current density above and below that for the superconducting properties of the switching path ( 16 ) critical current density I C can be generated. Schalter für ein elektrisches Hochfrequenzsignal mit einem Signalpfad (12b) für das Hochfrequenzsignal und mit einem Steuerpfad (14b) für einen Schaltstrom zur Aktivierung eines Schaltvorganges im Signalpfad mittels eines Schaltelementes, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement aus einem Kondensator (20b) besteht, dessen eine Kondensatorplatte ein Signalleitungsabschnitt des Signalpfades (12b) ist und dessen andere Kondensatorplatte ein aus einem Supraleiter bestehender Steuerleitungsabschnitt ist, der – einen sich mit dem Signalleitungsabschnitt überlappenden Teil des Steuerpfades (14b) bildet und – über den Steuerpfad (14b) mit einer Stromversorgung (18b) verbunden ist, mit der in dem Steuerleitungsabschnitt eine Stromdichte jeweils oberhalb und unterhalb der für die supraleitenden Eigenschaften des Steuerleitungsabschnittes kritischen Stromdichte IC erzeugbar ist.Switch for an electrical high-frequency signal with a signal path ( 12b ) for the high frequency signal and with a control path ( 14b ) for a switching current to activate a switching process in the signal path by means of a switching element, characterized in that the switching element consists of a capacitor ( 20b ), whose one capacitor plate is a signal line section of the signal path ( 12b ) and the other capacitor plate of which is a control line section consisting of a superconductor which - a part of the control path overlapping with the signal line section ( 14b ) forms and - via the control path ( 14b ) with a power supply ( 18b ) is connected, with which a current density can be generated in the control line section in each case above and below the current density I C critical for the superconducting properties of the control line section. Schalter nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Signalleitungsabschnitt und dem Steuerleitungsabschnitt ein Dielektrikum (19b) vorgesehen ist.Switch according to claim 2, characterized in that between the signal line section and the control line section a dielectric ( 19b ) is provided. Schalter nach einem der Ansprüche 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein schaltbarer Magnet (21) derart angeordnet ist, dass sich der Steuerleitungsabschnitt in seinem Magnetfeld befindet.Switch according to one of claims 2 or 3, characterized in that a switchable magnet ( 21 ) is arranged such that the control line section is in its magnetic field. Schalter für ein elektrisches Hochfrequenzsignal mit einem Signalpfad (12c) für das Hochfrequenzsignal und mit einem Steuerpfad (14c) für einen Schaltstrom zur Aktivierung eines Schaltvorganges im Signalpfad mittels eines Schaltelementes, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement eine aus einem Supraleiter bestehende, den Signalpfad freitragend überspannende Schaltbrücke (24) ist, die – einen Teil des Steuerpfades (14c) bildet und – über den Steuerpfad (14c) mit einer Stromversorgung (18c) verbunden ist, mit der in der Schaltbrücke (24) eine Stromdichte jeweils oberhalb und unterhalb der für die supraleitenden Eigenschaften der Schaltbrücke (24) kritischen Stromdichte IC erzeugbar ist, wobei die Schaltbrücke (24) in Richtung zum Signalpfad (12c) hin beweglich in einem Magnetfeld angeordnet ist, dessen Feldstärke sich in Richtung zum Signalpfad (12c) hin verringert.Switch for an electrical high-frequency signal with a signal path ( 12c ) for the high frequency signal and with a control path ( 14c ) for a switching current for activating a switching process in the signal path by means of a switching element, characterized in that the switching element comprises a switching bridge consisting of a superconductor and cantilevering over the signal path ( 24 ) which is - part of the control path ( 14c ) forms and - via the control path ( 14c ) with a power supply ( 18c ) is connected to that in the switching bridge ( 24 ) a current density above and below that for the superconducting properties of the switching bridge ( 24 ) critical current density I C can be generated, the switching bridge ( 24 ) towards the signal path ( 12c ) is movably arranged in a magnetic field, the field strength of which is directed towards the signal path ( 12c ) reduced. Schalter nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltbrücke (24) derart beweglich angeordnet ist, dass eine Berührung zwischen der Schaltbrücke (24) und dem Signalpfad (12c) möglich ist.Switch according to claim 5, characterized in that the switching bridge ( 24 ) is movably arranged so that contact between the switching bridge ( 24 ) and the signal path ( 12c ) is possible. Schalter nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Schaltbrücke (24) und dem Signalpfad (12c) ein Dielektrikum befindet.Switch according to claim 5, characterized in that between the switching bridge ( 24 ) and the signal path ( 12c ) there is a dielectric. Verfahren zum Schalten eines elektrischen Hochfrequenzsignals, bei dem ein Signalleiter eine Schaltstrecke (16) in einem das Hochfrequenzsignal übertragenden Signalpfad (12a) und gleichzeitig einen Teil eines Steuerpfades (14a) bildet und mittels einer Stromversorgung (18a) eine Stromdichte oberhalb der für die supraleitenden Eigenschaften der Schaltstrecke (16) kritischen Stromdichte IC erzeugt wird, wodurch im Signalpfad für das elektrische Hochfrequenzsignal eine Sperrwirkung erzeugt wird.Method for switching an electrical high-frequency signal, in which a signal conductor covers a switching path ( 16 ) in a signal path transmitting the high-frequency signal ( 12a ) and at the same time part of a control path ( 14a ) forms and by means of a power supply ( 18a ) a current density above that for the superconducting properties of the switching path ( 16 ) critical current density I C is generated, whereby a blocking effect is generated in the signal path for the electrical high-frequency signal. Verfahren zum Schalten eines elektrischen Hochfrequenzsignals, bei dem in einem Steuerpfad (14b), der sich mit einem das Hochfrequenzsignal führenden Signalpfad (12b) unter Bildung eines Kondensators (20b) überlappt und zumindest im so gebildeten Überlappungsbereich als Supraleiter ausgebildet ist, mittels einer Stromversorgung (18b) eine Stromdichte oberhalb der für die supraleitenden Eigenschaften des Überlappungsbereiches kritischen Stromdichte IC erzeugt wird, wodurch eine Sperrwirkung des Kondensators (20b) für das elektrische Hochfrequenzsignal im Signalpfad (12b) aufgehoben wird.Method for switching an electrical high-frequency signal, in which a control path ( 14b ) which is connected to a signal path carrying the high-frequency signal ( 12b ) forming a capacitor ( 20b ) overlaps and is designed as a superconductor, at least in the overlap region formed in this way, by means of a power supply ( 18b ) a current density is generated above the current density I C which is critical for the superconducting properties of the overlap region, as a result of which a blocking effect of the capacitor ( 20b ) for the electrical high-frequency signal in the signal path ( 12b ) will be annulled.
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