CN102201803A - 半导体开关、发送接收器、发送器及接收器 - Google Patents

半导体开关、发送接收器、发送器及接收器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体开关、发送接收器、发送器以及接收器，其目的在于使半导体开关小型化。本发明的半导体开关具备：主线路；多个分支线路，从该主线路经由分支点分支成2个以上；开关元件，在该多个分支线路的每一个和接地端之间分路连接，根据控制电压对该多个分支线路的每一个和该接地端进行电连接或者切断；主端子，连接于该主线路的端部；以及分支端子，连接于该多个分支线路的端部。而且，从该分支点观察该主线路的阻抗、和从该分支点观察该多个分支线路中的不传输RF信号的分支线路的阻抗合成后的阻抗，与从该分支点观察该多个分支线路中的传输该RF信号的分支线路的阻抗复共轭匹配。

Description

半导体开关、发送接收器、发送器及接收器
技术领域
本发明涉及进行RF信号的切换的半导体开关、发送接收器、发送器及接收器。
背景技术
在通常以毫米波段进行工作的半导体开关中要求通过损失（transmission loss）的降低。为了降低通过损失，有时将开关元件相对于信号传输线路并联配置，即进行分路连接（shunt-connected）。图30表示具备那样的开关元件的现有的半导体开关。在图30中表示的半导体开关100是通常的毫米波段双方向切换开关（SPDT: Single Pole Double Throw，单刀双掷）。在图30表示的半导体开关100中，为了提高断开状态的隔离，在一个分支线路设置有2个开关元件和两个传输线路。此外，使用场效应晶体管（FET）作为开关元件。
在图30表示的半导体开关100中，RF信号的主端子Tm和分支点P经由构成主线路Lmb的主传输线路Lmb1连接。分支点P和分支端子T1经由构成分支线路Lb1的传输线路Lb11和传输线路Lb12连接。分支点P和分支端子T2经由构成分支线路Lb2的传输线路Lb21和传输线路Lb22连接。主传输线路Lmb1、传输线路Lb11、传输线路Lb12、传输线路Lb21、以及传输线路Lb22是具有相同的特性阻抗的线路。传输线路Lb11、传输线路Lb12、传输线路Lb21、以及传输线路Lb22的线路长度为RF信号的传输线路上的波长（以下仅记为波长、或者λ）的1/4的长度。
在传输线路Lb11和传输线路Lb12之间分路连接有开关元件SW11。即，开关元件SW11的一端连接在传输线路Lb11和传输线路Lb12之间，开关元件SW11的另一端接地。在分支端子T1和传输线路Lb12之间分路连接有开关元件SW12。此外，在传输线路Lb21和传输线路Lb22之间分路连接有开关元件SW21。在传输线路Lb22和分支端子T2之间分路连接有开关元件SW22。在开关元件SW11以及SW12的控制端子V1施加控制电压，在开关元件SW21以及开关元件SW22的控制端子V2施加控制电压。如上所述，传输线路Lb11、传输线路Lb12、传输线路Lb21、以及传输线路Lb22的线路长度为RF信号的λ/4的长度，因此通过对控制端子V1的控制电压以及控制端子V2的控制电压进行控制，从而能控制传输线路Lb11、传输线路Lb12、传输线路Lb21、以及传输线路Lb22的阻抗。也就是说，能对来自主端子的RF信号的传输方向进行切换。通过这样的结构能降低半导体开关100的通过损失。
图31表示在图30所示的半导体开关中代替FET而使用二极管的半导体开关。在该情况下，通过从分支端子T1向二极管D11以及二极管D12、从分支端子T2向二极管D21以及二极管D22分别施加控制电压，进行RF信号的切换。此外，在图30表示的半导体开关100中，在从分支点P观察分支端子T1时，在分支线路Lb1上有传输线路Lb11以及传输线路Lb12的2条传输线路，但也存在以1个开关元件和1条传输线路构成1个分支线路的情况。例如，也存在从图30表示的结构中删除传输线路Lb12、开关元件SW12、传输线路Lb22、以及开关元件SW22，从而牺牲隔离来谋求小型化的情况。
图32是在将开关元件SW11以及开关元件SW12设为导通状态（V1=0V），将开关元件SW21以及开关元件SW22设为断开状态（V2<夹断电压）的电压状态下的图30中表示的半导体开关的等效电路图。开关元件SW11和开关元件SW12与串联连接的导通电阻（Ron）和寄生电感成分（Lp）等效。因此，RF信号的λ/4的长度的传输线路Lb11和传输线路Lb12成为与λ/4短路短截线（short stub）近似的高阻抗状态。因此，RF信号不在传输线路Lb11和传输线路Lb12中传输。
另一方面，在上述的电压状态下开关元件SW21和开关元件SW22与串联连接的断开电容（off-capacitance）（Coff）和寄生电感成分（Lp）等效。此时，传输线路Lb21和传输线路Lb22的阻抗和它们具有的特性阻抗大致相同。因此，从主端子Tm输入的RF信号在分支线路Lb2中传输并输出至分支端子T2。
图33是表示在图32中所示的等效电路图的阻抗的史密斯图。在该图中，将从分支点P观察主端子Tm的A方向的阻抗设为A点、将从分支点P观察分支端子T1的B方向的阻抗设为B点、以及将从分支点P观察分支端子T2的C方向的阻抗设为C点进行表示。主线路侧的A方向的阻抗由于和其自身的特性阻抗Zo相等，所以位于史密斯图的中央。C方向的阻抗为在具有RF信号的波长的1/4的线路长度的传输线路Lb21以及传输线路Lb22上加入开关元件SW21以及开关元件SW22的断开电容，但大致位于史密斯图的中央。关于B方向，由于开关元件SW11和开关元件SW12为非常低的阻抗（导通电阻），所以传输线路Lb11和传输线路Lb12均为和λ/4短路短截线同样的高阻抗状态。因此，B方向的阻抗成为高阻抗，位于史密斯图的右端附近。
在图32表示的等效电路图中，在主端子Tm施加的RF信号在主传输线路Lmb1中传输并到达分支点P。由于从分支点P观察，B方向的阻抗为高阻抗，所以RF信号不在传输线路Lb11以及传输线路Lb12中传输。另一方面，传输线路Lb21和传输线路Lb22侧的C方向的阻抗和A方向的特性阻抗Zo大致相等。因此，RF信号在分支点P向取得和A方向复共轭匹配的C方向传输。通过将上述那样的电压在开关元件SW11、开关元件SW12、开关元件SW21、以及开关元件SW22的控制端子施加，能将传输线路Lb11以及传输线路Lb12侧作为不传输RF信号的断开侧，将传输线路Lb21以及传输线路Lb22侧作为传输RF信号的导通侧。
再有，不在主端子Tm处而在断开侧的分支端子处施加RF信号的情况下，由于RF信号不会在高阻抗状态的传输线路中传输，所以它不会到达主端子以及其它的分支端子。另一方面，在导通侧的分支端子施加RF信号的情况下，RF信号传到主端子Tm，但不会传到其它的分支端子。
再有，在专利文献1～专利文献5中对半导体开关进行了公开。在专利文献1中公开了一种通过减少经由的元件来降低通过损失的半导体开关。
专利文献
专利文献1：日本特开2000-196495号公报；
专利文献2：日本特开平10-242826号公报；
专利文献3：日本特开平7-235802号公报；
专利文献4：日本特开2002-171186号公报；
专利文献5：日本特开2000-183776号公报。
在上述的现有的半导体开关100中，需要传输线路Lb11、传输线路Lb12、传输线路Lb21、以及传输线路Lb22的线路长度分别为RF信号的波长的1/4。因此，存在半导体开关的尺寸变大，无法将半导体开关小型化的问题。在对开关元件使用二极管的情况（参照图31）下也有同样的问题。此外，还存在无法将使用上述半导体开关的发送接收器、发送器、以及接收器进行小型化的问题。
发明内容
本发明正是为了解决上述的课题而完成的，其目的在于提供一种小型化的半导体开关、发送接收器、发送器及接收器。
本发明的半导体开关具备：主线路；多个分支线路，从该主线路经由分支点分支成2个以上；开关元件，在该多个分支线路的每一个和接地端之间分路连接，根据控制电压对该多个分支线路的每一个和该接地端进行电连接或者切断；主端子，连接于该主线路的端部；以及分支端子，连接于该多个分支线路的端部。从该分支点观察该主线路的阻抗、和从该分支点观察该多个分支线路中的不传输RF信号的分支线路的阻抗合成后的阻抗，与从该分支点观察该多个分支线路中的传输该RF信号的分支线路的阻抗复共轭匹配。
根据本发明，能将半导体开关、发送接收器、发送器及接收器小型化。
附图说明
图1是表示实施方式1的半导体开关的电路图。
图2是在图1中表示的半导体开关的等效电路图。
图3是表示在图2所示的等效电路的阻抗的史密斯图。
图4是表示将在分支点处合成了A方向的阻抗和B方向的阻抗的阻抗设为A+B的、图1中所示的半导体开关的等效电路的图。
图5是表示对实施方式1的半导体开关的通过损失、隔离及反射损失进行模拟的结果的图。
图6是表示实施方式1的半导体开关的变形例1的电路图。
图7是表示实施方式1的半导体开关的变形例2的电路图。
图8是表示实施方式1的半导体开关的变形例3的电路图。
图9是表示实施方式1的半导体开关的变形例4的电路图。
图10是表示实施方式2的半导体开关的电路图。
图11是在图10中表示的半导体开关的等效电路图。
图12是表示在图11所示的等效电路的阻抗的史密斯图。
图13是表示在图10所示的半导体开关的特性的模拟结果的图。
图14是表示实施方式3的半导体开关的电路图。
图15是表示实施方式4的半导体开关的电路图。
图16是表示实施方式4的半导体开关的变形例的电路图。
图17是表示实施方式5的半导体开关的电路图。
图18是图17的半导体开关的等效电路图。
图19是表示实施方式5的半导体开关的变形例1的电路图。
图20是表示实施方式5的半导体开关的变形例2的电路图。
图21是表示实施方式6的半导体开关的电路图。
图22是表示实施方式6的半导体开关的变形例1的电路图。
图23是表示实施方式6的半导体开关的变形例2的电路图。
图24是表示实施方式6的半导体开关的变形例3的电路图。
图25是表示实施方式7的半导体开关的电路图。
图26是表示实施方式7的半导体开关的变形例的电路图。
图27是表示实施方式8的发送接收器的框图。
图28是表示实施方式9的发送器的框图。
图29是表示实施方式10的接收器的框图。
图30是表示现有的半导体开关的电路图。
图31是表示在图30所示的半导体开关中代替FET而使用二极管的半导体开关的电路图。
图32是在图30中表示的半导体开关的等效电路图。
图33是表示在图32所示的等效电路图的阻抗的史密斯图。
图34是表示对在图30中所示的现有的半导体开关的通过损失、隔离、以及反射损失进行模拟的结果的图。
具体实施方式
实施方式1
针对本发明的实施方式1参照图1～图9进行说明。再有，存在对于同一或者对应的结构要素附加同一符号而省略重复的说明的情况。
图1是表示实施方式1的半导体开关10的电路图。主端子Tm、分支端子T1、以及分支端子T2分别经由分支点P连接。从主端子Tm输入的毫米波段的RF信号向分支端子T1或者分支端子T2传输。
对半导体开关10的结构详细地进行说明。主端子Tm和分支点P通过主线路Lm连接。主线路Lm具有低阻抗线路Lm1。在该主线路Lm的端部连接有主端子Tm。
分支端子T1和分支点P通过分支线路L1连接。也就是说，在分支线路L1的端部连接有分支端子T1。该分支线路L1具有传输线路L11和传输线路L12。传输线路L11的一端与分支点P连接。传输线路L12的一端与传输线路L11的另一端连接。传输线路L12的另一端与分支端子T1连接。传输线路L11的线路长度为RF信号的波长的1/8以下。传输线路L12的线路长度为RF信号的波长的1/8以上且1/4以下。在分支线路L1连接有开关元件SW11以及开关元件SW12。开关元件SW11的一端连接在传输线路L11的另一端和传输线路L12的一端之间。开关元件SW11的另一端接地。开关元件SW12的一端连接在传输线路L12的另一端和分支端子T1之间。开关元件SW12的另一端接地。开关元件SW11以及开关元件SW12的控制端子V1与半导体开关10的外部控制端子（未图示）或者其它的控制电路（未图示）等连接。
分支端子T2和分支点P通过分支线路L2连接。也就是说，在分支线路L2的端部连接有分支端子T2。该分支线路L2具有传输线路L21和传输线路L22。传输线路L21的一端与分支点P连接。传输线路L22的一端与传输线路L21的另一端连接。传输线路L22的另一端与分支端子T2连接。传输线路L21的线路长度为RF信号的波长的1/8以下。传输线路L22的线路长度为RF信号的波长的1/8以上且1/4以下。在分支线路L2连接有开关元件SW21以及开关元件SW22。开关元件SW21的一端连接在传输线路L21的另一端和传输线路L22的一端之间。开关元件SW21的另一端接地。开关元件SW22的一端连接在传输线路L22的另一端和分支端子T2之间。开关元件SW22的另一端接地。开关元件SW21以及开关元件SW22的控制端子V2与半导体开关10的外部控制端子（未图示）或者其它的控制电路（未图示）等连接。
多个开关元件（开关元件SW11、开关元件SW12、开关元件SW21、以及开关元件SW22）在多个分支线路（分支线路L1以及分支线路L2）和接地端之间分别分路连接，通过控制电压分别电连接或者切断分支线路和接地端。开关元件SW11、开关元件SW12、开关元件SW21、以及开关元件SW22是FET（场效应晶体管）。再有，FET的种类没有特别地限定，但使用GaAs-FET或者GaN-FET等也可。
像这样，半导体开关10具备从主线路Lm经由分支点P分支成2个的分支线路L1及分支线路L2。从分支点P观察主线路Lm的阻抗和从分支点P观察多个分支线路中不传输RF信号的分支线路的阻抗合成后的阻抗，与从分支点P观察多个分支线路中传输RF信号的分支线路的阻抗成复共轭匹配。关于该意义在后面叙述。构成分支线路L1和分支线路L2的传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22的特性阻抗全部为同一特性阻抗（Zo）。Zo例如是50Ω。而且，主线路Lm的特性阻抗比Zo小。实施方式1的半导体开关10具备上述的结构。
接着，对实施方式1的半导体开关10的工作进行说明。图2是在将开关元件SW11以及开关元件SW12设为导通状态（V1=0V），将开关元件SW21以及开关元件SW22设为断开状态（V2<夹断电压）的电压状态下的图1的等效电路图。如图2所示，开关元件SW11以及开关元件SW12与串联连接的导通电阻（Ron）和寄生电感成分（Lp）等效。而且，开关元件SW21以及开关元件SW22与串联连接的断开电容（Coff）和寄生电感成分（Lp）等效。图2的导通侧意味传输RF信号，断开侧意味不传输RF信号。
图3是表示在图2中所示的等效电路图的阻抗的史密斯图。图3的A点表示在实施方式1的半导体开关10中图2的A方向的阻抗。A方向的阻抗，例如是在60GHz中从分支点P观察主端子Tm的阻抗。图3的B点表示图2的B方向的阻抗。B方向的阻抗是从分支点P观察分支端子T1的阻抗。图3的C点表示图2的C方向的阻抗。C方向的阻抗是从分支点P观察分支端子T2的阻抗。
A方向的阻抗与主线路Lm的特性阻抗相等。在以某个固定的长度的低阻抗线路Lm1构成主线路Lm的情况下，实部比特性阻抗Zo小，虚部为负（电容性），A方向的阻抗位于史密斯图的左下部。传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22是特性阻抗为Zo的线路。再有，在主线路Lm连接有其它的线路（未图示）、放大器等的元件（未图示）的情况下，在A方向的阻抗中也包含这些元件的阻抗。
作为断开侧的B方向的阻抗是考虑了传输线路L11和传输线路L12的各自的线路长度，对传输线路L11以及传输线路L12的阻抗、和开关元件SW11以及开关元件SW12的导通电阻及寄生电感成分进行合成的阻抗。B方向的阻抗是从与史密斯图左端的0Ω接近的点（即与Ron对应的点）起根据传输线路L11及传输线路L12的长度，围绕史密斯图的中心顺时针旋转地移动的点。
作为导通侧的C方向的阻抗是在传输线路L21及传输线路L22的阻抗合成了开关元件SW21以及开关元件SW22的断开电容及寄生电感成分的阻抗。由于传输线路L22的线路长度为RF信号的波长的1/8以上且1/4以下，所以能够将C点向史密斯图的虚部为正（电感性）的方向偏移。
在图4中将在分支点P对A方向的阻抗和B方向的阻抗进行合成后的阻抗作为A+B进行表示。在图3的史密斯图中也概念性地示出有以A+B表示的阻抗。在实施方式1中使在分支点P合成的阻抗（A+B）与C方向的阻抗复共轭匹配。图3表示A+B点和C点复共轭匹配（位于互相相对于实轴对称的位置）。为了使A+B点和C点复共轭匹配，使以A+B点表示的阻抗的实部与Zo大致相等，且虚部为负。为此，优选通过使低阻抗线路Lm1具有电容性，从而A点位于在将史密斯图进行4等分的情况下的左下部分。
低阻抗线路Lm1的线路长度及线路宽度越大，其电容性越强。进而，优选通过将传输线路L11的线路长度设为λ/8以下，从而使B点位于在将史密斯图进行4等分的情况下的左上部分。当传输线路L11的线路长度为λ/8时，B点位于史密斯图的大致最上部。B点在史密斯图上的位置以传输线路L11的线路长度大致被决定，几乎不依赖于传输线路L12的线路长度。这是因为与传输线路L11的另一端分路连接的开关元件SW11的阻抗大致为短路（short）。因此找出满足上述的复共轭匹配条件的低阻抗线路Lm1、传输线路L11、以及传输线路L12的线路长度和线路宽度并进行决定。
在如上所述使A+B点和C点复共轭匹配的情况下，在主端子Tm施加并从主端子Tm经由主线路Lm到达分支点P的RF信号，由于B方向的阻抗和特性阻抗Zo差异较大，所以不会传至分支线路L1（传输线路L11及传输线路L12）。该RF信号在分支点P处取得匹配的C方向的分支线路L2（传输线路L21及传输线路L22）中传输，到达分支端子T2。如上所述，在主端子Tm施加的RF信号选择性地仅传输至导通侧的分支端子T2。
接下来，对在分支端子T1及分支端子T2施加RF信号的情况进行说明。由于B方向的阻抗和特性阻抗Zo差异较大，所以在分支端子T1施加的RF信号不会在分支线路L1中传播。另一方面，由于C方向的阻抗与特性阻抗Zo接近，所以在分支端子T2施加的RF信号在分支线路L2中传播并到达分支点P。在分支点P处（A+B）和C方向的阻抗匹配，但由于B方向的阻抗和特性阻抗Zo偏离较大，所以RF信号中的大部分在主线路Lm中传播并到达主端子Tm。如上所述，在对分支端子T1及分支端子T2的各个施加RF信号的情况下，仅是作为导通侧的分支端子T2的RF信号被选择性地向主端子Tm传输。如上所述，半导体开关10能实现双方向的切换。
到此，针对将开关元件SW11及开关元件SW12设为导通状态（V1=0V）、将开关元件SW21及开关元件SW22设为断开状态（V2<夹断电压）的情况进行了说明。另一方面，也能将开关元件SW11及开关元件SW12设为断开状态（V1<夹断电压），将开关元件SW21及开关元件SW22设为导通状态（V2=0V）。在该情况下，能以和上述的内容同样的原理将分支线路L1设为导通状态，将分支线路L2设为断开状态。在该情况下，使对A方向的阻抗和C方向的阻抗进行合成的阻抗（A+C）与B方向的阻抗复共轭匹配。满足（A+B）和C方向的复共轭匹配条件、与（A+C）和B方向的复共轭匹配条件的双方，能够通过分支电路的对称性而容易地实现。即，通过以使传输线路L11和传输线路L21具有互相相等的线路长度和特性阻抗，使传输线路L12和传输线路L22具有互相相等的线路长度和特性阻抗的方式进行设计从而能够实现。
图5是表示对实施方式1的半导体开关10的通过损失、隔离、以及反射损失进行模拟的结果的图。在该模拟中，将传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22设为特性阻抗为50Ω的微带线路。而且，将传输线路L11和传输线路L21的线路长度设为30μm，将传输线路L12和传输线路L22的线路长度设为240μm。此外，将传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22的宽度设为70μm。在60GHz的传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22上的RF信号的波长λ为1600μm。此外，低阻抗线路Lm1的线路长度为200μm、线路宽度为300μm，具有比传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22低的特性阻抗。在实施方式1的半导体开关10中，在将分支端子T2侧设为导通侧的情况下的从主端子Tm向分支端子T2的在60GHz下的通过损失根据模拟结果为-0.4dB。
图34表示对在上述的图30（等效电路图为图32）中所示的现有的半导体开关100中的通过损失、隔离以及反射损失进行模拟的结果。在该模拟中，传输线路Lb11、传输线路Lb12、传输线路Lb21、以及传输线路Lb22均设为线路长度400μm、线路宽度70μm、特性阻抗50Ω。而且，传输线路Lb11、传输线路Lb12、传输线路Lb21、以及传输线路Lb22均设为在60GHz下的传输线路上的RF信号的波长1600μm的1/4的线路长度。主传输线路Lmb1的线路长度设为200μm、线路宽度设为70μm、特性阻抗设为50Ω。在半导体开关100中，在将分支端子T2侧设为导通侧的情况下的从主端子Tm向分支端子T2的在60GHz下的通过损失的模拟结果为-0.4dB。再有，由于主传输线路Lmb1的特性阻抗和传输线路Lb11、传输线路Lb12、传输线路Lb21、以及传输线路Lb22的特性阻抗相同，所以即使主传输线路Lmb1的线路长度变化，也能得到和上述同等的通过损失的值。
当将实施方式1的半导体开关10的模拟结果（图5）和现有技术中的半导体开关100的模拟结果（图34）进行比较时，可知在60GHz频带中，实施方式1的半导体开关10能得到和现有的半导体开关100同等的通过损失。因此，如上所述当使阻抗复共轭匹配时，能抑制通过损失对RF信号进行传输。
在实施方式1的半导体开关10中，在将分支端子T2侧设为导通侧的情况下的从主端子Tm向分支端子T1的信号的泄漏量即隔离值，在60GHz为-30.2dB。另一方面，在现有的半导体开关100中与上述对应的隔离值为-33.0dB。实施方式1的半导体开关10的隔离值与现有的半导体开关100差3dB左右。但是，相对于要求的规格，即使是实施方式1的半导体开关10，隔离值也为充分的值的情况较多。
在实施方式1的半导体开关10中，在主端子Tm施加的信号被反射并返回到主端子Tm的比率即反射损失在60GHz为-24.2dB。另一方面，在现有的半导体开关100中与上述对应的反射损失为-14.5dB。实施方式1的半导体开关10的反射损失虽然依赖于传输线路L11、L12、L21、L22的线路长度，但与现有的半导体开关100相比是优越的值。
如图5所示，在实施方式1的半导体开关10中，特别在超过60GHz的频率区域中传输特性（通过损失）是平坦的。因此，根据实施方式1的结构，也有能谋求半导体开关10的宽带化的效果。在图30所示的半导体开关100中，由于使用了其特性对信号波长敏感的λ/4线路，所以难以在和开关的频率不同的频率保持断开侧的高阻抗。相对于此，在实施方式1的半导体开关10中，由于使复共轭匹配在比较宽的频率范围维持，所以能得到更平坦的传输特性。
根据实施方式1的半导体开关10能实现电路的小型化。即，半导体开关10与在图30中表示的半导体开关100进行比较，分支线路缩短。在图30表示的半导体开关100中，需要传输线路Lb11、传输线路Lb12、传输线路Lb21、以及传输线路Lb22的线路长度均为RF信号的波长的1/4。另一方面，在实施方式1中，为了使开关元件SW11和开关元件SW21尽量接近分支点P谋求半导体开关10的小型化，传输线路L11以及传输线路L21的线路长度能设为RF信号的波长的1/8以下。此外传输线路L12以及传输线路L22的线路长度设为RF信号的波长的1/8以上且1/4以下。因此，能容易地配置相邻的开关元件且能实现半导体开关10的小型化。进而，从分支点P观察的导通侧的分支线路的阻抗的虚部为正。
在实施方式1的半导体开关10中，以低阻抗线路Lm1构成主线路Lm。而且通过在分支点P如上述那样进行复共轭匹配，不会使通过损失特性恶化并能使传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22的一部分或者全部比RF信号的波长的1/4短。因此，在实施方式1中，能使各分支线路的多个传输线路的总长度比在图30所示的半导体开关100中的λ/2短。进而，在实施方式1中，也能使各分支线路的多个传输线路的总长度等于或小于从图30所示的半导体开关100中除去传输线路Lb12、开关元件SW12、传输线路Lb22、以及开关元件SW22的情况下的λ/4。因此，能一边维持或提高隔离，一边使传输线路变短，由此能谋求半导体开关的小型化和低成本化。
再有，实施方式1的传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22的长度并不限定于上述的范围，只要适当地选择进行开关的频率、开关元件的断开电容的值，满足复共轭匹配条件，就能自由地设定。传输线路L12以及传输线路L22的线路长度并不限定为RF信号的波长的1/8以上且1/4以下。传输线路L12以及传输线路L22的线路长度也能设为RF信号的波长的1/12以上且不足1/8，作为不足波长的1/12谋求更加的小型化也可。也就是说，如果能使从分支点P观察的导通侧的分支线路的阻抗的虚部为正且满足复共轭匹配条件的话，通过以在各位置上不会互相干扰的方式配置开关元件，从而谋求小型化也可。
在以上说明的实施方式1中，对在60GHz工作的半导体开关进行了说明，但如果以满足复共轭匹配条件的方式对低阻抗线路Lm1、传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22进行设定的话，能得到在超过30GHz的毫米波段、20GHz以上30GHz以下的准毫米波段、或者300MHz以上不足20GHz的频带中的任意的频率进行工作的半导体开关。再有，在开关元件SW12和分支端子T1之间在位置上分离的情况下，当然能以未图示的传输线路连结。此外，在以上说明的实施方式1中使用了夹断电压比0V低的FET，但如果能使开关工作的话，使用其它种类的FET也可。
图6是表示实施方式1的半导体开关的变形例1的电路图。能将全部的开关元件SW11、开关元件SW12、开关元件SW21、以及开关SW22和全部的传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22在1块半导体衬底（GaAs的半绝缘衬底12）上一体形成进行MMIC化。通过进行MMIC化，能削减对模块的安装成本。再有，即使半绝缘衬底12以例如作为GaAs以外的半导体的GaN或者InP为材料也能有同样的效果。
图7是表示实施方式1的半导体开关的变形例2的电路图。如果能满足复共轭匹配条件的话，如图7所示，采用从图1的结构中删除传输线路L12、开关元件SW12、传输线路L22、以及开关元件SW22的结构也可。在该情况下，分支线路L1具备传输线路L11。传输线路L11的一端与分支点P连接，另一端与分支端子T1连接。同样地，分支线路L2具备传输线路L21。传输线路L21的一端与分支点P连接，另一端与分支端子T2连接。传输线路L11以及传输线路L12的特性阻抗为相同的特性阻抗（Zo）。主线路Lm的特性阻抗比传输线路L11以及传输线路L12的特性阻抗小。开关元件SW11的一端连接在传输线路L11的另一端和分支端子T1之间。开关元件SW11的另一端接地。开关元件SW21的一端连接在传输线路L21的另一端和分支端子T2之间。开关元件SW21的另一端接地。优选传输线路L11以及传输线路L21的线路长度和上述的内容同样地为RF信号的波长的1/8以下。根据本变形例的结构，能使半导体开关更加小型化。
图8是表示实施方式1的半导体开关的变形例3的电路图。在实施方式1中，在分支线路L1上有传输线路L11以及传输线路L12的2条传输线路，但如图8所示，传输线路被设为3条以上并将对应的开关元件增加为3个以上也可。对于其它的分支线路也同样地增加和传输线路对应的开关元件。
在该情况下，分支线路L1具备传输线路L11、传输线路L12以及传输线路L13。传输线路L11的一端与分支点P连接。传输线路L12的一端与传输线路L11的另一端连接。传输线路L13的一端与传输线路L12的另一端连接。传输线路L13的另一端与分支端子T1连接。
开关元件SW11的一端连接在传输线路L11的另一端和上述传输线路L12的一端之间。开关元件SW11的另一端接地。开关元件SW12的一端连接在传输线路L12的另一端和传输线路L13的一端之间。开关元件SW12的另一端接地。开关元件SW13的一端连接在传输线路L13的另一端和分支端子T1之间。开关元件SW13的另一端接地。对分支线路L2也同样。此外，传输线路L11、传输线路L12、传输线路L13、传输线路L21、传输线路L22、以及传输线路L23的特性阻抗全部为同一特性阻抗（Zo）。主线路Lm的特性阻抗比传输线路L11、传输线路L12、传输线路L13、传输线路L21、传输线路L22、以及传输线路L23的特性阻抗小。
而且，以满足上述的复共轭匹配条件的方式对各分支线路的传输线路的线路长度进行设计。传输线路L11以及传输线路L21的线路长度和上述的实施方式1同样地为RF信号的波长的1/8以下。而且，优选将传输线路L12以及传输线路L22的线路长度和新附加的传输线路L13以及传输线路L23的线路长度的和设为RF信号的波长的1/8以上且1/4以下。通常，如果增加分支线路上的开关元件以及与开关元件对应的传输线路的数目，可以改善隔离。
图9是表示实施方式1半导体开关的变形例4的电路图。在该半导体开关中，在高介电常数衬底14的表面形成有低阻抗线路Lm1、传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22。开关元件SW11、开关元件SW12、开关元件SW21、以及开关元件SW22是和高介电常数衬底14分离形成的单体的元件（单个半导体元件）并载置于高介电常数衬底14上。开关元件SW11、开关元件SW12、开关元件SW21、以及开关元件SW22的一端与传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22分路连接。开关元件SW11、开关元件SW12、开关元件SW21、以及开关元件SW22的另一端通过接地用通孔16与接地电位连接（接地）。开关元件SW11、开关元件SW12、开关元件SW21、以及开关元件SW22的控制端子与未图示的控制电路连接。
在这样的结构中，仅在高介电常数衬底14（例如氧化铝衬底）上载置单个的开关元件就能制造半导体开关，由此能够谋求低成本化。对上述开关元件的传输线路的连接，能列举焊接、引线接合安装、或者倒装（flip chip）安装等的方法。此外，对于开关元件的不均、特性变动，在组装后仅调整高介电常数衬底14上的传输线路的线路长度就能应对。即，能通过如下方式应对，拆除开关元件和传输线路的连接，使开关元件在传输线路上的位置偏移并重新焊接，或使引线接合在传输线路上的位置偏移并重新引线接合。
实施方式2
对本发明的实施方式2参照图10～图13进行说明。实施方式2的半导体开关的特征在于分支线路的数目为3个。图10是表示实施方式2的半导体开关的电路图。图10中表示的半导体开关是3方向切换半导体开关。在该情况下，在图1的结构上附加有分支端子T3、传输线路L31、传输线路L32、开关元件SW31、以及开关元件SW32。传输线路L31是和传输线路L11相同的线路长度，传输线路L32是和传输线路L12相同的线路长度。而且，考虑将从分支点P观察分支端子T3时的阻抗作为D方向的阻抗（后述）并取得复共轭匹配。
图11是在图10中表示的半导体开关的等效电路图。此外，图12是表示在图11中所示的等效电路的阻抗的史密斯图。如图11所示，使将图11的A方向的阻抗和B方向的阻抗和D方向的阻抗合成后的阻抗（A+B+D）与C方向的阻抗复共轭匹配（参照图12的史密斯图）。在将分支端子T1设为导通侧时，将分支端子T3设成导通侧时，也同样使其复共轭匹配。根据上述的结构能得到本发明的效果。图13表示3方向切换半导体开关的特性的模拟结果。如图13所示，不会在期望的频带中使通过损失增加。因此，能够不损失特性并对半导体开关进行小型化。
实施方式3
对本发明的实施方式3参照图14进行说明。实施方式3的半导体开关的特征在于分支线路的数目为4个以上。图14表示实施方式3的半导体开关的电路图。在图14中表示的半导体开关是n方向切换开关。即使在n方向切换半导体开关中，对于使阻抗复共轭匹配也和上述是同样的。因此省略详细的说明。即使以图14的方式构成n方向切换开关也能得到本发明的效果。
实施方式4
对本发明的实施方式4参照图15以及图16进行说明。实施方式4的半导体开关的特征在于，在主线路连接有短截线（stub）。图15是表示实施方式4的半导体开关的电路图。如图15所示，在具有分支的主传输线路Lm2连接有前端开路短截线So。前端开路短截线So的一端连接在主端子Tm和分支点P之间，即主线路Lm，另一端为开路。如果前端开路短截线So的线路长度不足λ/4的话，具有电容性。因此，即使主传输线路Lm2的特性阻抗和传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22的特性阻抗相同，也能使主线路Lm具有电容性。前端开路短截线So的线路长度以满足上述的复共轭匹配条件的方式选择即可，例如为接近λ/8的长度。因此，通过在主传输线路Lm2的中途连接前端开路短截线So，能使主传输线路Lm2比低阻抗线路Lm1线路长度变短，能实现半导体开关的小型化。
图16是表示实施方式4的半导体开关的变形例的电路图。该半导体开关是将上述的前端开路短截线So换为前端短路短截线Sg的开关。前端短路短截线Sg的一端与主线路Lm连接，另一端短路。通过前端短路短截线Sg易将RF信号的传输线路DC地固定为0V。因此，不需要从外部将传输线路DC地接地，能谋求晶体管的开关工作的稳定化。
实施方式5
对本发明的实施方式5参照图17～图20进行说明。实施方式5的半导体开关的特征在于，作为构成主线路Lm的结构，使用输出与分支点P连接且输入与主端子Tm连接的放大用晶体管。图17是表示实施方式5的半导体开关的电路图。
放大用晶体管Tr对从主端子Tm输入的RF信号进行放大并输出至分支点P。考虑如下情况，即，开关元件SW11以及开关元件SW12为导通状态，开关元件SW21以及开关元件SW22为断开状态。由于放大用晶体管Tr的输出侧阻抗表示电容性，所以从分支点P观察主端子Tm的阻抗相当于图3的A点的阻抗。因此，不在放大用晶体管Tr的输出侧使用匹配电路，能与分支点P容易进行连接并能通过上述的复共轭匹配构成电路。由此，能成为不使用放大用晶体管Tr的输出侧匹配电路对输出信号进行切换的结构，所以能实现电路面积的缩小及低成本化。再有，图18是在上述的电压状态下的图17的半导体开关的等效电路图。
图19是表示是实施方式5的半导体开关的变形例1的电路图。该半导体开关采用将放大用晶体管Tr和其它的部分在GaAs衬底等的半绝缘衬底18上一体化的MMIC结构，。通过进行MMIC化，能削减对模块的安装成本。即使将GaAs衬底换为GaN衬底或者InP衬底也有同样的效果。
图20是表示实施方式5的半导体开关的变形例2的电路图。该半导体开关构成为将放大用晶体管和其后级部分（称为分支部）分别分离。即，将放大用晶体管Tr搭载在衬底20，将分支部搭载在衬底22。根据本结构能个别地选择放大用晶体管Tr和分支部。因此，能根据用途分开使用，使多种类开展容易化。衬底20及衬底22能设为GaAs等的半绝缘衬底。
实施方式6
对本发明的实施方式6参照图21～图24进行说明。实施方式6的半导体开关的特征在于，主线路在高介电常数衬底上形成。图21是表示实施方式6的半导体开关的电路图。如图21所示，将低阻抗线路Lm1在高介电常数衬底24上做成。而且，将传输线路L11、传输线路L12、传输线路L21、以及传输线路L22，和开关元件SW11、开关元件SW12、开关元件SW21、以及开关元件SW22在半绝缘衬底26上做成。而且，以导线W等连接高介电常数衬底24和半绝缘衬底26。通常，为了制作低阻抗线路Lm1，需要扩大线路宽度。但是通过使用高介电常数衬底24，不用扩大线路宽度就能做成低阻抗线路Lm1。因此能使电路面积变小。
图22是表示实施方式6的半导体开关的变形例1的电路图。在图21所示的结构中，以微带线路构成低阻抗线路Lm1。另一方面，在图22中，以共面型线路构成低阻抗线路Lm1。根据图22的结构，能使用比高介电常数衬底24廉价的低介电常数衬底28。此外，在图22中，使用具有接地用通孔29的低介电常数衬底28。根据这样的结构能对小型化的半导体开关实现低成本化。
图23是表示实施方式6的半导体开关的变形例2的电路图。该半导体开关使用了在共面型线路配置有前端开路型短截线的低阻抗线路Lm1。根据这样的结构，和图22的结构比较能实现进一步的低阻抗化。因此，容易构成小型化的半导体开关。
图24是表示实施方式6的半导体开关的变形例3的电路图。该半导体开关将图23的结构变为采用使接地导体的一部分与线路接近的槽线。由此更加容易使低阻抗线路Lm1成为低阻抗。因此易构成小型化的半导体开关。
实施方式7
对本发明的实施方式7参照图25以及图26进行说明。实施方式7的半导体开关的特征在于具备二极管作为开关元件。图25是表示实施方式7的半导体开关的电路图。在使用二极管D11、二极管D12、二极管D21、以及二极管D22作为开关元件的情况下，与使用FET的情况相比能使开关元件的导通电阻以及断开电容变小。因此，能减少半导体开关的通过损失，提高半导体开关的隔离性能。虽然作为二极管D11、二极管D12、二极管D21、以及二极管D22使用GaAs肖特基势垒，但以使用了GaN或者InP的肖特基势垒二极管等也有同样的效果。
图26是表示实施方式7的半导体开关的变形例的电路图。该半导体开关使用二极管代替在图9的结构中的FET。通过使用二极管D11、二极管D12、二极管D21、以及二极管D22的效果如上所述。
实施方式8
对本发明的实施方式8的发送接收器参照图27进行说明。实施方式8的发送接收器的特征在于，具备在到此的实施方式中说明的半导体开关。图27是表示实施方式8的发送接收器的框图。发送接收器30具备在到此的实施方式中所示的半导体开关的任一种（称为半导体开关32）。半导体开关32具有2个分支线路。在半导体开关32的主端子33连接有发送接收端子31。在发送接收端子31连接有未图示的发送接收兼用的天线。在分支端子34连接接收系统电路35的输入，在信号输出端子36输出接收信号。在分支端子39连接发送系统电路38的输出，从信号输入端子37输入的信号被放大并施加于分支端子39。在半导体开关32中能对接收和发送进行切换。由于半导体开关32是小型的，所以根据上述的结构不会使通过损失特性恶化并能对发送接收器30进行小型化。
实施方式9
对本发明的实施方式9的发送器参照图28进行说明。实施方式9的发送器的特征在于，具备在到此的实施方式中说明的半导体开关。图28是表示实施方式9的发送器的框图。发送器40具备在到此的实施方式中所示的半导体开关的任一种（称为半导体开关43）。在图28表示的半导体开关43具有5个分支线路。在半导体开关43的主端子44连接发送系统电路42的输出，在发送系统电路42从信号输入端子41输入发送信号。在分支端子45、分支端子46、分支端子47、分支端子48、以及分支端子49分别连接有发送端子50、发送端子51、发送端子52、发送端子53、以及发送端子54。在各个发送端子连接有未图示的发送天线。通过半导体43能以从任一个发送天线发送信号的方式进行切换。由于半导体开关43是小型的，根据上述的结构不会使通过损失特性恶化并能对发送器40进行小型化。发送器40为雷达装置的发送部也可。
实施方式10
对本发明的实施方式10的接收器参照图29进行说明。实施方式10的接收器的特征在于，具备在到此的实施方式中说明的半导体开关。图29是表示实施方式10的接收器的框图。接收器60具备在到此的实施方式中所示的半导体开关的任一种（称为半导体开关90）。在图29表示的半导体开关90具有5个分支线路。在半导体开关90的主端子92连接接收系统电路94的输入，从接收系统电路94向信号输出端子96输出接收信号。在分支端子72、分支端子74、分支端子76、分支端子78、以及分支端子80分别连接有接收端子62、接收端子64、接收端子66、接收端子68、以及接收端子70。在各个接收端子连接有未图示的接收天线。通过半导体开关90能以从任一个接收天线接收信号的方式进行切换。由于半导体开关90是小型的，所以根据上述的结构不会使通过损失特性恶化并能对发送器40进行小型化。发送器60为雷达装置的接收部也可。再有，实施方式9的发送系统电路42和实施方式10的接收系统电路94以将多个分支线路中的1个作为传输RF信号的分支线路，将其它作为不传输RF信号的分支线路的方式对多个开关元件电连接或者切断。也就是说，发送系统电路42和接收系统电路94能称为是与多个开关元件的各个控制端子连接的控制电路。在到此的实施方式中说明的实施方式以外，在不脱离本发明的范围的范围内能够进行各种各样的变形。
附图标记的说明
10  半导体开关； L1  分支线路； L11  传输线路； L12  传输线路； T1  分支端子； SW11  开关元件； SW12  开关元件。

Claims (27)

1.一种半导体开关，其特征在于，具备：
主线路；
多个分支线路，从所述主线路经由分支点分支成2个以上；
开关元件，在所述多个分支线路的每一个和接地端之间分路连接，根据控制电压对所述多个分支线路的每一个和所述接地端进行电连接或者切断；
主端子，连接于所述主线路的端部；以及
分支端子，连接于所述多个分支线路的端部，
从所述分支点观察所述主线路的阻抗、和从所述分支点观察所述多个分支线路中的不传输RF信号的分支线路的阻抗合成后的阻抗，与从所述分支点观察所述多个分支线路中的传输所述RF信号的分支线路的阻抗复共轭匹配。
2.根据权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，
所述多个分支线路的每一个具有第1传输线路，
在所述多个分支线路的每一个连接有第1开关元件，
所述第1传输线路的一端连接于所述分支点，
所述第1传输线路的另一端连接于所述分支端子，
所述第1开关元件的一端连接于所述第1传输线路的另一端和所述分支端子之间，
所述第1开关元件的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，
所述多个分支线路的每一个具有第1传输线路和第2传输线路，
在所述多个分支线路的每一个连接有第1开关元件和第2开关元件，
所述第1传输线路的一端连接于所述分支点，
所述第2传输线路的一端连接于所述第1传输线路的另一端，
所述第2传输线路的另一端连接于所述分支端子，
所述第1开关元件的一端连接于所述第1传输线路的另一端和所述第2传输线路的一端之间，
所述第1开关元件的另一端接地，
所述第2开关元件的一端连接于所述第2传输线路的另一端和所述分支端子之间，
所述第2开关元件的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，
所述多个分支线路的每一个具有第1传输线路、第2传输线路、以及第3传输线路，
在所述多个分支线路的每一个连接有第1开关元件、第2开关元件、以及第3开关元件，
所述第1传输线路的一端连接于所述分支点，
所述第2传输线路的一端连接于所述第1传输线路的另一端，
所述第3传输线路的一端连接于所述第2传输线路的另一端，
所述第3传输线路的另一端连接于所述分支端子，
所述第1开关元件的一端连接于所述第1传输线路的另一端和所述第2传输线路的一端之间，
所述第1开关元件的另一端接地，
所述第2开关元件的一端连接于所述第2传输线路的另一端和所述第3传输线路的一端之间，
所述第2开关元件的另一端接地，
所述第3开关元件的一端连接于所述第3传输线路的另一端和所述分支端子之间，
所述第3开关元件的另一端接地。
5.根据权利要求2~4的任一项所述的半导体开关，其特征在于，所述第1传输线路的线路长度为所述RF信号的波长的1/8以下。
6.根据权利要求3或4所述的半导体开关，其特征在于，
所述第1传输线路的线路长度为所述RF信号的波长的1/8以下，
所述第2传输线路的线路长度为所述RF信号的波长的1/8以上且1/4以下。
7.根据权利要求1~4的任一项所述的半导体开关，其特征在于，具备：
控制电路，与所述开关元件的每一个的控制端子连接，
所述控制电路以将所述多个分支线路中的1个作为传输RF信号的分支线路，将其它作为不传输RF信号的分支线路的方式对所述开关元件进行电连接或切断。
8.根据权利要求1~4的任一项所述的半导体开关，其特征在于，所述多个分支线路的数目为2个。
9.根据权利要求1~4的任一项所述的半导体开关，其特征在于，所述多个分支线路的数目为3个。
10.根据权利要求1~4的任一项所述的半导体开关，其特征在于，所述多个分支线路的数目为4个以上。
11.根据权利要求2所述的半导体开关，其特征在于，所述多个分支线路的所述第1传输线路全部为同一特性阻抗。
12.根据权利要求3所述的半导体开关，其特征在于，所述多个分支线路的所述第1传输线路和所述第2传输线路全部为同一特性阻抗。
13.根据权利要求4所述的半导体开关，其特征在于，所述多个分支线路的所述第1传输线路、所述第2传输线路、和所述第3传输线路全部为同一特性阻抗。
14.根据权利要求2所述的半导体开关，其特征在于，所述主线路的特性阻抗比所述第1传输线路的特性阻抗低。
15.根据权利要求3所述的半导体开关，其特征在于，所述主线路的特性阻抗比所述第1传输线路以及所述第2传输线路的特性阻抗低。
16.根据权利要求4所述的半导体开关，其特征在于，所述主线路的特性阻抗比所述第1传输线路、所述第2传输线路、以及所述第3传输线路的特性阻抗低。
17.根据权利要求1~4以及权利要求11~16的任一项所述的半导体开关，其特征在于，还具备：一端连接于所述主线路、另一端开路的短截线。
18.根据权利要求1~4以及权利要求11~16的任一项所述的半导体开关，其特征在于，还具备：一端连接于所述主线路、另一端被短路的短截线。
19.根据权利要求1~4以及权利要求11~16的任一项所述的半导体开关，其特征在于，所述开关元件为场效应晶体管。
20.根据权利要求1~4以及权利要求11~16的任一项所述的半导体开关，其特征在于，所述开关元件为二极管。
21.根据权利要求1~4以及权利要求11~16的任一项所述的半导体开关，其特征在于，在所述主线路具备：放大用晶体管，其输出连接于所述分支点，其输入连接于所述主端子。
22.根据权利要求1~4以及权利要求11~16的任一项所述的半导体开关，其特征在于，所述半导体开关在1枚半导体衬底上形成。
23.根据权利要求1~4以及权利要求11~16的任一项所述的半导体开关，其特征在于，所述主线路在高介电常数衬底上形成。
24.根据权利要求1~4以及权利要求11~16的任一项所述的半导体开关，其特征在于，
所述主线路以及所述多个分支线路在高介电常数衬底上形成，
所述开关元件在所述高介电常数衬底上被引线接合安装或者倒装安装。
25.一种发送接收器，其特征在于，具备：权利要求1~4以及权利要求11~16的任一项所述的半导体开关。
26.一种发送器，其特征在于，具备：权利要求1~4以及权利要求11~16的任一项所述的半导体开关。
27.一种接收器，其特征在于，具备：权利要求1~4以及权利要求11~16的任一项所述的半导体开关。
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