CN101557219B

CN101557219B - 毫米波段开关

Info

Publication number: CN101557219B
Application number: CN2008101309619A
Authority: CN
Inventors: 塚原良洋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: JP2009253800A; US7898358B2; JP5094515B2; DE102008047445A1; CN101557219A; US20090256646A1; DE102008047445B4

Abstract

本发明涉及一种毫米波段开关。通过本发明能够得到不使通过损耗增加、能够高隔离化的毫米波段开关。具备：在信号通过的输入输出端子之间串联连接的第一开关元件；以及与第一开关元件并联连接的具有1/2波长的电长度的第一传输线路。此外也能构成为具备：一端在信号通过的输入输出端子之间并联连接的第一开关元件；与第一开关元件并联连接的具有1/2波长的电长度的第一传输线路；以及在第一开关元件和第一传输线路的并联电路的另一端、与接地之间连接的具有1/4波长的电长度的第二传输线路。

Description

毫米波段开关

技术领域

本发明主要涉及在毫米波段工作的开关。

背景技术

图29、图30是现有毫米波段开关的一般的电路结构图。在图中，T表示作为开关元件使用的FET(场效应晶体管)，P1、P2表示输入输出端子、L1表示传输线路、V1表示控制电压施加端子，D表示二极管。

通常，为了开关接通(switch on)时的低损耗化，在毫米波段工作的开关采用将FET或二极管相对于信号通过的传输线路(相当于图中的L1)并联地配置的结构。

在现有的结构中，例如在图29所示的结构的情况下，开关切断时的隔离(isolation)特性依赖于并联配置的开关元件的接通电阻值(Ron)。图31、图32是谋求高隔离化的现有毫米波段开关的电路结构图。如该图31、图32所示，为了谋求高隔离化，需要并联地使用两个或更多的开关元件。

此外，作为为了在开关切断时取得高隔离的开关结构，有将与切断时的切断电容(off capacitance)在希望的频率共振的电感串联配置的结构(例如，参照专利文献1)。图33是为了谋求高隔离化而将电感串联地配置的现有毫米波段开关的电路结构图。

专利文献1：日本专利申请公开平11-284203号公报

但是，现有技术中存在下述问题。

在这样的现有电路结构的开关中，提高了隔离特性。但是，存在当接通时开关元件的接通电阻导致的通过损耗(passing loss)增加的问题。

发明内容

本发明正是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种不使通过损耗增加而能高隔离化的毫米波段开关。

涉及本发明的毫米波段开关，具备：在信号通过的输入输出端子之间串联连接的第一开关元件；以及与第一开关元件并联连接的具有1/2波长的电长度(electric length)的第一传输线路。

此外，本发明的毫米波段开关，具备：一端并联连接在信号通过的输入输出端子之间的第一开关元件；与第一开关元件并联连接的具有1/2波长的电长度的第一传输线路；以及在第一开关元件和第一传输线路的并联电路的另一端、与接地之间连接的具有1/4波长的电长度的第二传输线路。

根据本发明，通过将具有1/2波长的电长度的传输线路和开关元件的并联电路，在信号通过的输入输出端子之间并联或者串联连接，能够得到不使通过损耗增加而能高隔离化的毫米波段开关。

附图说明

图1是本发明实施方式1的毫米波段开关的第一电路结构图。

图2是本发明实施方式1的图1的毫米波段开关在开关接通时的等价电路。

图3是本发明实施方式1的图1的毫米波段开关在开关切断时的等价电路。

图4是对本发明实施方式1的图1的毫米波段开关在切断时的隔离的计算结果进行表示的频率特性的一个例子。

图5是对本发明实施方式1的图1的毫米波段开关的接通时的通过损耗计算结果进行表示的频率特性的一个例子。

图6是本发明实施方式1的毫米波段开关的第二电路结构图。

图7是本发明实施方式1的图6的毫米波段开关在开关切断时的等价电路。

图8是本发明实施方式1的图6的毫米波段开关在开关接通时的等价电路。

图9是对本发明实施方式1的图6的毫米波段开关在切断时的隔离计算结果进行表示的频率特性的一个例子。

图10是对本发明实施方式1的图6的毫米波段开关的接通时的通过损耗计算结果进行表示的频率特性的一个例子。

图11是本发明实施方式1的毫米波段开关的第三电路结构图。

图12是本发明实施方式1的毫米波段开关的第四电路结构图。

图13是本发明实施方式1的毫米波段开关的第五电路结构图。

图14是本发明实施方式1的毫米波段开关的第六电路结构图。

图15是本发明实施方式1的毫米波段开关的第七电路结构图。

图16是本发明实施方式1的毫米波段开关的第八电路结构图。

图17是本发明实施方式1的毫米波段开关的第九电路结构图。

图18是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十电路结构图。

图19是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十一电路结构图。

图20是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十二电路结构图。

图21是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十三电路结构图。

图22是对本发明实施方式1的图21的毫米波段开关在切断时的隔离计算结果进行表示的频率特性的一个例子。

图23是对本发明实施方式1的图21的毫米波段开关的接通时的通过损耗计算结果进行表示的频率特性的一个例子。

图24是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十四电路结构图。

图25是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十五电路结构图。

图26是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十六电路结构图。

图27是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十七电路结构图。

图28是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十八电路结构图。

图29是现有的毫米波段开关的一般的电路结构图。

图30是现有的毫米波段开关的一般的电路结构图。

图31是谋求高隔离化的现有的毫米波段开关的电路结构图。

图32是谋求高隔离化的现有的毫米波段开关的电路结构图。

图33是为了谋求高隔离化，串联配置电感的现有的毫米波段开关的电路结构图。

附图标记说明

L：传输线路，T：FET(开关元件)，D：二极管(开关元件)，

P1、P2：输入输出端子。

具体实施方式

下面，使用附图对本发明的毫米波段开关的适合的实施方式进行说明。

实施方式1

图1是本发明的实施方式1的毫米波段开关的第一电路结构图。具有在输入输出端子(图中P1、P2)之间串联配置的开关元件的两端上，配置了具有通过的毫米波段信号的1/2波长长度的电长度的传输线路的结构。图1中，L是长度为1/2波长的传输线路，T表示作为开关元件工作的FET，V1表示控制电压施加端子，R表示电压施加用电阻。

下面，对该图1所示的本实施方式1的毫米波段开关的工作进行说明。图2是本发明实施方式1的图1的毫米波段开关在开关接通时的等价电路。此外，图3是本发明实施方式1的图1的毫米波段开关在开关切断时的等价电路。

当对控制电压施加端子施加Vc<Vp(FET的夹断(pinch off)电压)的电压时，如图2所示，FET成为以Coff表示的电容(Coff)，FET的阻抗Zt能够以下式表示。

Zt＝1/-jωCoff (1)

在选择了切断电容小的栅极宽度(gate width)的FET的情况下，在频率高的毫米波段中FET的阻抗(图2中Zt)变大，毫米波段的信号通过1/2波长线路。

另一方面，在开关切断时，对FET的控制电压施加端子施加了Vc＝0V的电压的情况下，FET能够被大约看作为电阻(图3中Ron)，FET的阻抗(图3中Zt)为下式所示。

Zt＝Ron (2)

在这种情况下，从P1输入的毫米波段信号分为通过Ron的电阻而一部分衰减的信号，和通过1/2波长线路相位延迟180度的信号，在图3中的A点合成。因此，由于在A点中两信号以相互抵消的方式工作，所以能够高隔离化。

图4是对本发明实施方式1的图1的毫米波段开关在切断时的隔离计算结果进行表示的频率特性的一个例子。在图4中，S1_off表示图1所示的本实施方式1的毫米波段开关在切断时(图3)的隔离的计算结果。此外，S2_off表示图29所示的现有毫米波段开关在切断时(图3)的隔离的计算结果。通过使用本实施方式1的电路结构，在77GHz波段中，能够得到提高隔离的效果。

图5是对本发明实施方式1的图1的毫米波段开关在接通时的通过损耗的计算结果进行表示的频率特性的一个例子。在图5中，S1_on表示图1所示的本实施方式1的毫米波段开关在接通时(图2)的通过损耗的计算结果。此外，S2_on表示图29所示的现有毫米波段开关在接通时(图3)的通过损耗的计算结果。通过使用本实施方式1的电路结构，在77GHz波段中，能够得到不使损耗增加的效果。

实际上在毫米波段需要考虑FET的寄生成分。因此，在希望的频带中1/2波长线路的长度需要进行少许的增减等调整，但在这种情况下，也能得到同样的效果。此外，作为上述FET使用GaAs-FET、GaN-FET、或HBT等也可。

图6是本发明实施方式1的毫米波段开关的第二电路结构图。是在前面的图1所示的第一电路结构图的1/2波长线路中，在1/4波长的点上使用FET(图6中T2)作为第二开关元件的结构。图7是本发明实施方式1的图6的毫米波段开关在开关切断时的等价电路。此外，图8是本发明实施方式1的图6的毫米波段开关在开关接通时的等价电路。

在切断(图7)时，通过利用第二FET(T2)使相位延迟了180度的信号的振幅衰减并合成，比起前面的图1的电路结构，能够进一步使隔离提高。第二FET的栅极宽度选择为与第一FET导致的衰减量大致相同程度。

图9是对本发明实施方式1的图6的毫米波段开关在切断时的隔离计算结果进行表示的频率特性的一个例子。在图9中，S1_off表示前面的图1所示的本实施方式1的毫米波段开关在切断时(图3)的隔离的计算结果。此外，S3_off表示图6所示的本实施方式1的毫米波段开关在切断时(图7)的隔离的计算结果。

此外，图10是对本发明实施方式1的图6的毫米波段开关在接通时的通过损耗的计算结果进行表示的频率特性的一个例子。在图10中，S1_on表示前面的图1所示的本实施方式1的毫米波段开关在接通时(图2)的通过损耗的计算结果。此外，S3_on表示图6所示的本实施方式1的毫米波段开关在接通时(图8)的通过损耗的计算结果。

如该图9、10所示，可知具有第二电路结构的毫米波段开关在切断时的隔离特性(图9中的S3_off)比起具有第一电路结构的毫米波段开关在切断时的隔离特性(图9中的S1_off)，隔离增加。进而，可知接通时的通过特性几乎没有变动。

图11是本发明实施方式1的毫米波段开关的第三电路结构图。是使用了前面图1所示的第一电路结构的2分路开关(two branch switch)的结构例。在图11中，L3表示连接在分路点上的长度为1/4波长的传输线路。通过使用前面的图1所示的第一电路结构，即使在2分路开关中，也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

图12是本发明实施方式1的毫米波段开关的第四电路结构图。是使用了前面图1所示的第一电路结构的n分路开关的结构例。即使在n分路开关中，同样地也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

图13是本发明实施方式1的毫米波段开关的第五电路结构图。是在前面的图1所示的第一电路结构中使用二极管作为开关元件的结构例。通过使用二极管，比起使用FET的第一电路结构能够使切断时的切断电容(Coff)以及接通时的接通电阻(Ron)一起变小。结果是能够得到更加低损耗、高隔离的开关特性。

图14是本发明实施方式1的毫米波段开关的第六电路结构图。是使用了前面的图13所示的第五电路结构的2分路开关的结构例。通过使用前面的图13所示的第五电路结构，即使在2分路开关中，也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

图15是本发明实施方式1的毫米波段开关的第七电路结构图。是使用了前面的图13所示的第五电路结构的n分路开关的结构例。通过使用前面的图13所示的第五电路结构，即使在n分路开关中，同样地也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

图16是本发明实施方式1的毫米波段开关的第八电路结构图。是使用了前面的图6所示的第二电路结构的2分路开关的结构例。图16中L3表示连接在分路点上的传输线路。通过使用前面的图6所示的第二电路结构，即使在2分路开关中，也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

图17是本发明实施方式1的毫米波段开关的第九电路结构图。是使用了前面的图6所示的第二电路结构的n分路开关的结构例。图17中L3表示连接在分路点上的传输线路。通过使用前面的图6所示的第二电路结构，即使在n分路开关中，也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

图18是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十电路结构图。是在前面的图6所示的第二电路结构中使用二极管作为开关元件的结构例。通过使用二极管，比起使用FET的第二电路结构能够使切断时的切断电容(Coff)以及接通时的接通电阻(Ron)一起变小。结果是能够得到更加低损耗、高隔离的开关特性。

图19是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十一电路结构图。是使用了前面的图18所示的第十电路结构的2分路开关的结构例。通过使用前面的图18所示的第十电路结构，即使在2分路开关中，也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

图20是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十二电路结构图。是使用了前面的图18所示的第十电路结构的n分路开关的结构例。通过使用前面的图18所示的第十电路结构，即使在n分路开关中，也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

图21是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十三电路结构图。是前面的图1所示的第一电路结构的变形例。在图21中，L是长度为1/2波长的传输线路，L2是长度为1/4波长的传输线路。以下，对具有该第十三电路结构的毫米波段开关的工作进行说明。

当对控制电压施加端子V1施加Vc＝0V时，FET与具有前面的图1所示的第一电路结构的毫米波段开关同样，成为接通电阻(Ron)。结果是，图21中的点S的阻抗变小，输入到输入端子P1的信号被断路。

此外，当对控制电压施加端子V1施加Vc<Vp的电压时，FET与具有前面的图1所示的第一电路结构的毫米波段开关同样，成为切断电容(Coff)。结果是图21中的点S的阻抗变大，输入到输入端子P1的信号向输出端子P2通过。

图22是对本发明实施方式1的图21的毫米波段开关在切断时的隔离计算结果进行表示的频率特性的一个例子。在图22中，S4_off表示图21所示的本实施方式1的毫米波段开关在切断时的隔离的计算结果。此外，S2_off表示图29所示的现有毫米波段开关在切断时的隔离的计算结果。

此外，图23对本发明实施方式1的图21的毫米波段开关在接通时的通过损耗计算结果进行表示的频率特性的一个例子。在图23中，S4_on表示图21所示的本实施方式1的毫米波段开关在接通时的通过损耗的计算结果。此外，S2_on表示图29所示的现有毫米波段开关在接通时的通过损耗的计算结果。

即使使用图21所示的第十三电路结构，与现有例相比，切断时的隔离(图22中的S4_off)增加，可知能够得到接通时的通过损耗(图23中的S4_on)与现有例大致相同程度的性能。

图24是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十四电路结构图。是使用了前面的图21所示的第十三电路结构的2分路开关的结构例。通过使用前面的图21所示的第十三电路结构，即使在2分路开关中，也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

图25是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十五电路结构图。是使用了前面的图21所示的第十三电路结构的n分路开关的结构例。即使在n分路开关中，同样地也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

图26是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十六电路结构图。是在前面的图21所示的第十三电路结构中使用二极管作为开关元件的结构例。通过使用二极管作为开关元件，同样地能够得到低损耗、高隔离的开关特性。

图27是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十七电路结构图。是使用了前面的图26所示的第十六电路结构的2分路开关的结构例。通过使用前面的图26所示的第十六电路结构，即使在2分路开关中，也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

图28是本发明实施方式1的毫米波段开关的第十八电路结构图。是使用了前面的图26所示的第十六电路结构的n分路开关的结构例。通过使用前面的图26所示的第十六电路结构，即使在n分路开关中，同样地也不会使接通时的通过损耗增加，能够在切断时得到高隔离。

如上所述，根据实施方式1，通过将具有1/2波长的电长度的传输线路和开关元件的并联电路，在信号通过的输入输出端子之间并联或者串联连接，能够得到不使通过损耗增加、能够高隔离化的毫米波段开关。

Claims

1.一种毫米波段开关，其特征在于，具备：

第一开关元件，在信号通过的输入输出端子之间串联连接；以及

第一传输线路，与上述第一开关元件并联连接并具有通过的毫米波段信号的1/2波长的电长度；以及

第二开关元件，连接在上述第一传输线路的上述1/2波长的电长度的1/4波长的电长度的点与接地之间。

2.根据权利要求1所述的毫米波段开关，其特征在于，作为开关元件使用场效应晶体管或二极管。

3.一种n分路切换开关，其特征在于，使用n个根据权利要求1所述的毫米波段开关而构成，其中n是2以上的整数。

4.一种毫米波段开关，其特征在于，具备：

第一开关元件，一端连接在信号通过的输入输出端子之间；

第二传输线路，连接在上述第一开关元件的另一端与接地之间，具有通过的毫米波段信号的1/4波长的电长度。

5.根据权利要求4所述的毫米波段开关，其特征在于，作为开关元件使用场效应晶体管或二极管。

6.一种n分路切换开关，其特征在于，使用n个根据权利要求4所述的毫米波段开关而构成，其中n是2以上的整数。