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
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Abstract
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
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
Ein
Schalter gemäß
Ein
Steuerpfad
An
die Durchkontaktierungen
Die
Anordnung nach
Zur
Herstellung eines Schalters gemäß
Wie
in
Wie
in
Bei
einem Schalter gemäß
Beidseitig
des Signalpfades
Ist,
wie in
Alternativ
(nicht dargestellt) kann das Dielektrikum
Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß der
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| CN115913207A (en) * | 2021-09-29 | 2023-04-04 | 合肥本源量子计算科技有限责任公司 | Superconducting radio frequency switch, quantum computing integrated component and quantum computer |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of patent without earlier publication of application | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20131001 |