ES2316342T3 - Matriz de conmutacion reconfigurable particularmente para aplicaciones espaciales. - Google Patents

Abstract

Matriz de conmutación (60) que comprende n entradas y p salidas, siendo p superior a n, comprendiendo esta matriz una pluralidad de órganos de conmutación de los cuales cada uno presenta una entrada y al menos dos salidas y permite transferir a una sola de las salidas una señal aplicada a la entrada de este órgano, estando cada entrada de la matriz destinada para ser conectada a una entre r salidas, caracterizada porque los órganos de conmutación (101, 102, 10 3, 10 4, 10'''' 1, 10'''' 2, 10'''' 3, 10'''' 4) son circuitos integrados del ámbito de las hiperfrecuencias y van montados de forma tal que, cuando se realiza una conmutación consistente en modificar una conexión de una entrada de la matriz con una salida de ésta, con el fin de que esta misma entrada esté conectada a otra salida de la matriz, las pérdidas debidas a los órganos de conmutación cruzados permanecen sustancialmente al mismo valor.

Description

Matriz de conmutación reconfigurable particularmente para aplicaciones espaciales.

La invención se refiere a una matriz de conmutación reconfigurable, particularmente para aplicaciones espaciales.

Para aplicaciones que necesitan una gran fiabilidad, es corriente prever elementos electrónicos redundantes de forma que, cuando un elemento se avería, pueda ser sustituido por un elemento idéntico. Este problema se plantea particularmente en aplicaciones espaciales.

Un ejemplo para una matriz de conmutación se presenta en el documento US 5.878.052.

Para que un elemento de ayuda pueda sustituir el elemento averiado, es necesario prever una conmutación que sea accionada bien automáticamente, o a distancia.

Para esta conmutación, se prevé, en general, una matriz de n entradas y p salidas, siendo el número p de salidas superior al número n de entradas. Cada una de las entradas proporciona una señal a un elemento conectado con una salida correspondiente. Así, solo n salidas entre las p disponibles se encuentran normalmente activas. Cuando el elemento conectado con una de estas salidas se avería, se realiza una conmutación para que la entrada correspondiente esté conectada a una salida a la cual está conectado un elemento de sustitución.

Las matrices de conmutación utilizadas hasta ahora recurren a conmutadores mecánicos.

No se ha conseguido todavía poner a punto una solución de sustitución de tipo electrónico que ofrezca ventajas comparables a las de las matrices de conmutadores mecánicos. En efecto, estos últimos introducen atenuaciones despreciables, del orden de los 0,15 dB, mientras que los conmutadores electrónicos producen pérdidas o atenuaciones más importantes del orden de 1,5 dB. Estas pérdidas más importantes no constituyen, por si mismas, un obstáculo para la utilización de conmutadores electrónicos, pues estos permiten una ocupación de espacio, una masa así como precios claramente más bajos que la ocupación de espacio, la masa y los precios de matrices con elementos de tipo mecánico. Pero, se ha observado que, si en una matriz de conmutación de tipo mecánico, se sustituye cada conmutador mecánico por un conmutador electrónico, cuando se realiza una conmutación, con el fin de que un elemento averiado sea sustituido por un elemento auxiliar, las pérdidas debidas a la matriz propiamente dicha no son, en general, las mismas antes y después de la conmutación.

Para remediar este inconveniente, sería preciso prever, en cada ramal auxiliar, un amplificador de ganancia variable que permitiese compensar las diferencias de atenuación. Pero, esta solución resulta difícil y costosa de realizar.

Para resolver este problema, la matriz de conmutación según la invención se caracteriza porque comprende una pluralidad de órganos de conmutación de tipo electrónico que se montan de forma tal que, cuando se conmuta una entrada de una salida hacia otra salida, las pérdidas debidas a los órganos de conmutación electrónica cruzados permanecen sustancialmente en el mismo valor.

De este modo no es necesario prever amplificador de ganancia variable para compensar las pérdidas diferentes entre las líneas cruzadas en la matriz, ya que es la estructura misma de esta matriz la que permite esta compensa-
ción.

En un modo de realización, para el cual cada entrada está destinada para ser conectada a r salidas, para cada entrada, se prevé un conjunto de órganos de conmutación asociados para presentar una entrada y r salidas. En este caso, es preferible prever, para cada salida, un conjunto de órganos de conmutación montados de forma contrapeada con relación a los órganos de entrada, teniendo este conjunto r entradas y una salida; de preferencia, los conjuntos asociados con las salidas tienen una estructura análoga o idéntica (pero simétrica) a la estructura de los conjuntos asociados con las entradas.

Los órganos de conmutación son, por ejemplo, conmutadores de tecnología MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) de dos o tres salidas que presentan pérdidas limitadas de aproximadamente 1,5 dB.

La presente invención prevé una matriz de conmutación que comprende n entradas y p salidas, siendo p superior a n, comprendiendo esta matriz una pluralidad de órganos de conmutación de los cuales cada uno presenta una entrada y al menos dos salidas y permite transferir a una sola de las salidas una señal aplicada a la entrada de este órgano, estando cada entrada de la matriz destinada para ser conectada a una entre r salidas. Los órganos de conmutación son de tipo electrónico y van montados de forma tal que, cuando se realiza una conmutación consistente en modificar una conexión de una entrada de la matriz con una salida de esta, con el fin de que esta misma entrada sea conectada con otra salida de la matriz, las pérdidas debidas a los órganos de conmutación cruzados permanecen sustancialmente al mismo valor.

Según un modo de realización, la matriz comprende, para cada entrada, un conjunto de órganos de conmutación asociados para presentar una entrada y r salidas.

Según un modo de realización, la matriz comprende, para cada salida, un conjunto de órganos de conmutación de r entradas y una salida, estando los conjuntos asociados con las salidas montados de forma contrapeada con relación a los conjuntos asociados con las entradas.

Según un modo de realización, los conjuntos asociados con las salidas tienen una estructura análoga a la estructura de los conjuntos asociados con las entradas.

Según un modo de realización, los conmutadores electrónicos son circuitos integrados del ámbito de las hiperfrecuencias.

La presente invención prevé además una aplicación de una matriz en sustitución de un elemento electrónico averiado, conectado a una salida de la matriz, por otro elemento conectado a otra salida de la matriz.

Otras características y ventajas de la invención aparecerán con la descripción de algunos de sus modos de realización, siendo esta realizada haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:

la figura 1 es un esquema de órgano de conmutación conforme a la invención,

la figura 2 es un esquema de una matriz de conmutación que comprende una pluralidad de órganos de conmutación conformes a la invención,

la figura 3 representa un conjunto, o módulo, de órganos de conmutación según la invención,

la figura 4 es una figura análoga a la de la figura 3, pero para una variante, y

la figura 5 representa una matriz de conmutación que comprende conjuntos de órganos de conmutación del tipo de los representados en la figura 3.

El órgano de conmutación 10 representado en la figura 1 es un órgano de conmutación realizado en tecnología MMIC con un conjunto de transistores que funcionan en hiperfrecuencia en tecnología integrada, por ejemplo en un sustrato de arseniuro de galio.

Este órgano de conmutación está destinado para transmitir la señal de entrada E, bien sea a la salida S_{1}, o a la salida S_{2}, pero nunca a las dos salidas a la vez. El órgano 10 comprende, primeramente, dos ramales activos 12 y 14, terminando el ramal 12 por la salida S_{1} y el ramal 14 por la salida S_{2}. Además, el órgano 10 comprende un ramal 16 de derivación que permite derivar la entrada E a una carga 18, de 50 por ejemplo, en caso de avería de alimentación de los conmutadores del órgano 10.

En el ejemplo, cada uno de los ramales 12 y 14 comprende dos transistores de derivación. Estos ramales al ser idénticos, bastará con describir uno solo de ellos, a saber el ramal 12.

El borne de entrada E está conectado al drenaje 20 de un transistor 22 por mediación de una línea 24. La fuente del transistor 22 está conectada a masa.

El borne 20 está, por otro lado, conectado a la salida S_{1} por mediación de otra línea de transmisión 26.

El borne común a la línea 26 y a la salida S_{1} está conectado al drenaje 28 de un segundo transistor 30 cuya fuente está igualmente conectada a masa.

Las rejillas de los dos transistores 22 y 30 están conectadas a un borne 32 de polarización por mediación de resistencias, respectivamente 34 y 36. A este borne 32 se aplica una tensión continua de polarización V_{1}. El borne común a las resistencias 34 y 36 está, por otro lado, conectado a masa por mediación de una resistencia 38.

El ramal de derivación 16 comprende un transistor 40 cuya fuente está conectada a la entrada E y cuyo drenaje está conectado con un extremo de la resistencia de carga 18 cuyo otro extremo está conectado a masa. La rejilla del transistor 40 está conectada a un borne 42 por mediación de una resistencia 44. El punto común al borne 42 y a la resistencia 44 está conectado a masa por mediación de otra resistencia 46.

Al borne 42 se aplica una tensión continua de polarización V_{2}.

El funcionamiento es el siguiente:

Cuando la salida S_{1} es seleccionada, es decir cuando la entrada E debe ser transferida a la salida S_{1} se aplica sobre el borne 32 una tensión V_{1} inferior a la tensión de punteado, con el fin de que cada transistor sea equivalente a una resistencia prácticamente infinita; en el ejemplo, esta tensión tiene por valor -2 voltios. Al borne 42 de polarización del transistor 40 del ramal 16, se aplica igualmente una tensión de -2 voltios. Por último, al borne 50 de polarización de los transistores del ramal 14, se aplica una tensión V_{3} de 0 voltios de forma que el canal del transistor se abra.

En estas condiciones, los transistores 22 y 30 del ramal 12 constituyen circuitos abiertos que no perturban por consiguiente la transmisión de la señal a la salida S_{1}.

Por el contrario, la aplicación de una tensión de cero voltios al borne 50 del ramal 14 pone los transistores correspondientes 52 y 54 en cortocircuito. Hay que observar que, en el ámbito de las hiperfrecuencias, un cortocircuito se traduce por el hecho de que la señal que llega a la masa se refleja en la entrada E y es por consiguiente reenviada a la salida S_{1}.

La aplicación de una tensión de -2 voltios al borne 42 de polarización del transistor 40 del ramal 16 de derivación mantiene este último en estado abierto.

En caso de avería de alimentación, es decir cuando la (o las) fuente(s) de polarización aplican una tensión de cero voltios a los bornes 32, 42 y 50 o ponen estos bornes en el aire (es decir en circuito abierto), en los ramales activos 12 y 14, los transistores 22, 30 y 52, 54 se encuentran en cortocircuito. Así, estos ramales reenvían las señales a la entrada E. Por el contrario, en una situación de avería de este tipo, el transistor 40 presenta una resistencia baja y, en estas condiciones, la señal aplicada a la entrada E es transferida a la carga 18. Así, los elementos electrónicos, tales como amplificadores y/o filtros que están conectados a las salidas S_{1} y S_{2} no reciben la señal de entrada. El ramal de derivación 16 constituye por consiguiente una protección contra los fallos de alimentación de los conmutadores.

En variante, en cada ramal activo 12 ó 14, se prevé un solo transistor. Sin embargo, se prevén dos transistores, o más, con el fin de mejorar la derivación a masa cuando el ramal es inactivo. En efecto, un transistor en cortocircuito presenta una resistencia que no es nula y que se tiene interés por limitar.

Ahora se describirá, en relación con las figuras 2 a 5, una matriz de conmutación 60 de doce entradas E_{1} a E_{12} y dieciséis salidas S_{1} a S_{16} que comprende una pluralidad de órganos de conmutación del tipo del representado en la figura 1.

Cada entrada es susceptible de ser conectada a cinco salidas. Así, la entrada E_{1} puede estar conectada a una de las salidas S_{1}, S_{2}, S_{3}, S_{4} ó S_{5}. Pero bien entendido, cada vez, la entrada E_{1} solo se conecta con una sola de estas salidas. De igual modo, la entrada E_{2} puede estar conectada a una de las salidas respectivamente S_{2}, S_{3}, S_{4}, S_{5} y S_{6} y así sucesivamente hasta la entrada E_{12} que puede estar conectada a una de las salidas S_{12}, S_{13}, S_{14}, S_{15} ó S_{16}. De forma más general, si la matriz comprende n entradas y p' salidas, cada entrada puede estar conectada a p - n + 1 salidas.

Si la entrada E_{1} está conectada a la salida S_{1} y la entrada E_{2} está conectada a la salida S_{4}; y si el elemento electrónico (no mostrado), conectado a la salida S_{1}, se avería, es preciso sustituirlo por un elemento redundante que, por ejemplo, esté conectado a la salida S_{2}. En estas condiciones, se accionan los órganos de conmutación de la matriz 60 de forma que la entrada E_{1} no se conecte ya a la salida S_{1} sino a la salida S_{2}.

Dado que un órgano de conmutación de tipo electrónico presenta pérdidas sustancialmente más elevadas que un órgano de conmutación mecánica, es preferible disponer la matriz 60 de forma tal que en cada modificación de conexión, se produzca modificación de las pérdidas. En efecto, si hubiese modificación de pérdidas, se tendría que modificar la ganancia del amplificador que va a sustituir a un amplificador averiado, lo cual complicaría sustancialmente la realización del circuito. Un órgano electrónico aporta una atenuación del orden de 1,5 dB, mientras que la atenuación correspondiente para un órgano de conmutación mecánica es del orden de 0,15 dB.

Para lograr el objetivo de mantenimiento de las pérdidas en caso de modificación de conexión, la invención prevé, como se ha representado en las figuras 3 y 4, agrupar los órganos de conmutación en conjuntos o módulos 62 (figura 3) ó 64 (figura 4). Además, en todas las entradas E_{1}, E_{2}, etc. se asocian conjuntos idénticos entre si y en todas las salidas S_{1}, S_{2}, etc. se asocian los mismos conjuntos, como se verá más adelante con el ejemplo representado en la figura 5.

Las figuras 3 y 4 se refieren al caso en que los órganos de conmutación no puedan ser más que de dos clases, a saber un primera clase con una entrada y dos salidas, y una segunda clase con una entrada y tres salidas (la salida de derivación no se cuenta aquí). Los conjuntos 62 y 64 están destinados al ejemplo representado en la figura 2; cada uno de ellos comprende por consiguiente una entrada y cinco salidas.

El conjunto 62 (figura 3) comprende, por una parte, un órgano de conmutación 10_{1} con una entrada 66_{1} y tres salidas 66_{2}, 66_{3} y 66_{4} y, por otra parte, tres órganos de conmutación 10_{2}, 10_{3} y 10_{4} de los cuales cada uno comprende una entrada y dos salidas. Dado que solamente se tiene necesidad de cinco salidas, uno (10_{4}) de los órganos de conmutación presenta una salida inactivada. La entrada del órgano 10_{2} está conectada, por una línea conductora 70_{2}, con la salida 66_{2} del órgano de conmutación 10_{1}. De forma análoga, la entrada del órgano de conmutación 10_{3} está conectada, por una línea 70_{3}, con la salida 66_{3} del órgano 10_{1}. Por último, la entrada del órgano 10_{4} está conectada con la salida 66_{4} del órgano 10_{1} por una línea conductora 70_{4}.

El conjunto 64 (figura 4) comprende, por una parte, un órgano de conmutación 10'_{1} de una entrada 66'_{1} y dos salidas 66'_{2} y 66'_{3} y, por otra parte, dos órganos de conmutación 10'_{2} y 10'_{3} de los cuales cada uno presenta una entrada y tres salidas. Dado que, como en el caso precedente, se tiene necesidad solamente de cinco salidas en total, uno de los órganos de conmutación, el de referencia 10'_{3}, presenta una salida inactivada.

La entrada del órgano 10'_{2} está conectada con la salida 66'_{2} del órgano 10'_{1} por una línea conductora 70'_{2} y la entrada del órgano 10'_{3} está conectada con la salida 66'_{3} del órgano 10'_{1} por mediación de otra línea conductora 70'_{3}.

El funcionamiento de un conjunto 62 ó 64 se desprende de su estructura y del funcionamiento de cada órgano de conmutación individual tal como se ha descrito en relación con la figura 1. Por ejemplo, si se desea conectar la entrada 66_{1} (figura 3) del conjunto 62 con la salida S_{i} del órgano 10_{3}, se acciona el órgano 10_{1} de forma que la entrada 66_{1} de conecta con la salida 66_{3} y se acciona también el órgano 10_{3} de forma que su entrada se conecta con la salida S_{i}.

En el ejemplo representado en la figura 5, se prevé asignar un conjunto 62 a cada borne de entrada y de salida. Así, al borne de entrada E_{1} se asigna el conjunto 62_{1}, al borne de entrada E_{2} se asigna el conjunto 62_{2}...al borne de salida S_{i} se asigna el conjunto 62'_{1}, al borne de salida S_{2} se asigna el conjunto 62'_{2}, etc.

Bien entendido, los conjuntos 62'_{1}, 62'_{2}, etc. están montados en sentido contrario (contrapeado) al de los conjuntos 62_{1}, 62_{2}, etc. De forma más precisa, los órganos 10''_{2}, 10''_{3}, 10''_{4} del conjunto 62'_{1} comprenden dos entradas y una salida, y el órgano 10''_{1} comprende tres entradas y una salida.

Por último, se prevén líneas conductoras 80_{1}, 80_{2}, 80_{3}, 80_{4}, 80_{5} que conectan cada una de las salidas del conjunto 62_{1} con una entrada de los órganos 62'_{1}, 62'_{2}...62'_{5}. En otras palabras, la línea 80_{1} conecta una salida del conjunto 62_{1} con una de las cinco entradas del órgano 62'_{1}, la línea 80_{2} conecta la segunda salida del conjunto 62_{1} con una de las cinco entradas del órganos 62'_{2}, etc. Se apreciará que una sola de las entradas del órgano 62'_{1} está conectada con una línea conductora, mientras que los otros conjuntos 62'_{2}, 62'_{3}, 62'_{4}, etc. comprenden un número más importante de líneas conductoras que conducen a sus entradas.

Sean cuales fueren las conexiones de la matriz, cada vez que una señal de una entrada E_{i} es dirigida hacia una salida S_{i}, atraviesa los mismos tipos de elementos, a saber un órgano de conmutación de una entrada y tres salidas, una línea conductora, un órgano de conmutación de una entrada y dos salidas, otra línea conductora 80_{i}, un órgano de conmutación de dos entradas y una salida, una línea conductora y, por último un órgano de conmutación de tres entradas y una salida. En estas condiciones, las pérdidas serán las mismas sea cual fuere la conexión.

Una matriz de conmutación equipada con órganos de conmutación conformes a la invención presenta un volumen y una masa claramente más reducidas que el volumen y la masa de una matriz con elementos de conmutación de tipo mecánico, lo cual constituye una ventaja decisiva en el caso de aplicaciones espaciales. Por último, el precio de una matriz de este tipo puede ser más bajo que el precio de una matriz de órganos de conmutación mecánica.

Claims (5)

1. Matriz de conmutación (60) que comprende n entradas y p salidas, siendo p superior a n, comprendiendo esta matriz una pluralidad de órganos de conmutación de los cuales cada uno presenta una entrada y al menos dos salidas y permite transferir a una sola de las salidas una señal aplicada a la entrada de este órgano, estando cada entrada de la matriz destinada para ser conectada a una entre r salidas, caracterizada porque los órganos de conmutación (10_{1}, 10_{2}, 10_{3}, 10_{4}, 10''_{1}, 10''_{2}, 10''_{3}, 10''_{4}) son circuitos integrados del ámbito de las hiperfrecuencias y van montados de forma tal que, cuando se realiza una conmutación consistente en modificar una conexión de una entrada de la matriz con una salida de ésta, con el fin de que esta misma entrada esté conectada a otra salida de la matriz, las pérdidas debidas a los órganos de conmutación cruzados permanecen sustancialmente al mismo valor.

2. Matriz según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende, para cada entrada, un conjunto (62, 64) de órganos de conmutación asociados para presentar una entrada y r salidas.

3. Matriz según la reivindicación 2, caracterizada porque comprende, para cada salida, un conjunto (62'_{1}, 62'_{2}) de órganos de conmutación en r entradas y una salida, estando los conjuntos asociados con las salidas montados de forma contrapeada con relación a los conjuntos (62_{1}, 62_{2}) asociados con las entradas.

4. Matriz según la reivindicación 3, caracterizada porque los conjuntos asociados con las salidas tienen una estructura análoga a la estructura de los conjuntos asociados con las entradas.

5. Aplicación de una matriz según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la sustitución de un elemento electrónico averiado, conectado con una salida de la matriz, por otro elemento conectado con otra salida de la matriz.