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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Hochfrequenzschalter und eine denselben
verwendende elektronische Vorrichtung und insbesondere einen Hochfrequenzschalter,
der zum Schalten von Signalen im Millimeter-Bandbreitenbereich dient,
und eine diesen Schalter nutzende elektronische Vorrichtung.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Im
Allgemeinen werden zum Schalten von Signalen im Millimeter-Bandbreitenbereich
u.s.w. PIN-Dioden verwendet. FETs verwendende Schalter können für verhältnismäßig niedrige
Frequenzen eingesetzt werden, wie z.B. Schalter, die die die Hochfrequenzsignale
führenden
Leitungen selbst als Drain und Source der FETs nutzen. Besondere
Beispiele sind in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 6-232601, der ungeprüften
japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 10-41404, der ungeprüften
japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2000-294568, der ungeprüften
japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 200-332502 u.a. beschrieben.
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Die
japanische ungeprüfte
Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 6-232601 (erstes bekanntes Beispiel) beschreibt einen Hochfrequenzschalter, der
einen Teil der Signalleitungen als FET nutzt, indem er eine Signalleitung
in mehrere Drainelektroden durch mehrere die Signalleitung in deren
Breitenrichtung schneidende Schlitze teilt und der auch Sourceelektroden
und Gateelektroden (Leitungen) bildet, die sich in Breitenrichtung
der Signalleitung in der gleichen Weise wie die Schlitze erstrecken
(Beispiel 13 der Veröffentlichung). Die Drainelektroden
sind jeweils durch Metallleitungen verbunden. Außerdem sind induktive Vorrichtungen,
die mit der Aus-Kapazität
des FET bei der Signalfrequenz eine Parallelresonanz bilden, zwischen
den Drains und Sources der FETs verbunden.
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Im
ersten bekannten Beispiel ist die Signalleitung selbst konstant
in einem Gleichstrom leitenden Zustand einschließlich der Abschnitte, wo der FET
gebildet ist. Beim Einschalten des FET reduziert sich die Impedanz
der zwischen den Signalleitungen und Erde gebildeten Schaltung fast
wie im Kurzschlusszustand. Folglich ist ein Abschnitt der Signalleitung
in einem allgemein geerdeten Zustand, so dass die Hochfrequenzsignale
reflektiert werden und eine Übertragung
von Signalen verhindern. Umgekehrt wird, wenn der FET ausgeschaltet
ist, bei der Frequenz der Hochfrequenzsignale der zwischen der Signalleitung
und Erde gebildeten Schaltung die Impedanz wegen der Parallelresonanz
zwischen der Aus-Kapazität
des FET und der induktiven Schaltung unendlich. Dies bedeutet, dass
mit der Signalleitung bei der Frequenz der Hochfrequenzsignale nichts verbunden
ist, so dass die Hochfrequenzsignale geleitet werden. Auf diese
Weise werde Schaltvorgänge ausgeführt.
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Die
ungeprüfte
japanische Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 10-41404 (zweites bekanntes Beispiel) beschreibt einen Hochfrequenzschalter,
bei dem an einem Abschnitt der Signalleitung (der als Drainelektrode
fungiert) in deren Längsrichtung
eine dieser benachbarte Erdelektrode (die als eine Sourceelektrode
funktioniert) gebildet ist, wobei eine sich in Längsrichtung der Signalleitung
erstreckende Gateelektrode in der dazwischen liegenden Lücke gebildet
ist (z.B. 6 der Veröffentlichung).
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Bei
dem zweiten bekannten Beispiel wirkt der als Drain fungierende Teil
der Signalleitung einfach als die Signalleitung, wenn der FET ausgeschaltet
ist, so dass die Signalleitung die Hochfrequenzsignale leitet. Andererseits
ist, wenn der FET ausgeschaltet ist, der Abschnitt der Signalleitung,
der als Drain fungiert, mit der Erdelektrode verbunden, so dass
dieser Abschnitt der Signalleitung im Wesentlichen geerdet ist,
so dass die Hochfrequenzsignale reflektiert werden und eine Signalübertragung
verhindert ist.
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Die
japanische ungeprüfte
Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2000-294568 (drittes bekanntes Beispiel) beschreibt eine Konfiguration
mit demselben FET-Aufbau
wie im ersten bekannten Beispiel (8 in der
Veröffentlichung,
keine induktive Vorrichtung für
die Paralielresonanz), und bei der Drain, Source und Gate des FET
sich in Leitungsrichtung der Signalleitung mit derselben Konfiguration
erstrecken (1 in der Veröffentlichung).
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In
dem dritten bekannten Beispiel werden ebenfalls dieselben Operationen
wie beim zweiten bekannten Beispiel ausgeführt, so dass ein Abschnitt der
Signalleitung im Wesentlichen geerdet ist, wenn der FET eingeschaltet
ist, und dadurch die Übertragung
von Hochfrequenzsignalen verhindert.
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Die
japanische ungeprüfte
Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2000-332502 (viertes bekanntes Beispiel) beschreibt eine Anordnung,
bei der eine ¼-Wellen längen-Blindleitung
mit der Hauptleitung der Signalleitung verbunden ist und bei der
außerdem
die Spitze der Blindleitung als Drainelektrode dient und die Sourceelektrode
geerdet ist, wodurch ein FET gebildet wird (2 und 6 in
der Veröffentlichung).
Ein- und Ausschalten des FETs lässt
die Blindleitung als eine kurzgeschlossene ¼-Wellenlängen-Blindleitung und als eine
offene Blindleitung arbeiten.
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Auch
im vierten bekannten Beispiel dient die Blindleitung als offene ¼-Wellenlängen-Blindleitung, wenn
der FET ausgeschaltet ist, und derselbe Vorgang wie beim zweiten
und beim dritten bekannten Beispiel verhindert, wenn dieser Abschnitt
der Signalleitung bei der Frequenz der Hochfrequenzsignale im Wesentlichen
geerdet ist eine Übertragung
der Hochfrequenzsignale.
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Nun
besteht bei dem ersten bekannten Beispiel die Notwendigkeit, den
Leitungswiderstand bei eingeschaltetem FET zu verringern, und dazu
muss die Anzahl der Unterteilungen der Signalleitung und auch die
Anzahl der Gateelektroden erhöht
werden, um die gesamte Gatebreite des FET zu steigern. Die Erhöhung der
Gesamtgatebreite bedingt eine größere Ausschaltkapazität des FET,
so dass sich die Notwendigkeit ergibt, die Induktivität der induktiven
Vorrichtung für
die Parallelresonanz entsprechend zu verringern. Jedoch gibt es
eine Grenze, wie weit die Abmessung der Induktivitäten mit
demselben Niveau der Präzision
ihrer Induktivität
verringert werden kann. Außerdem
muss, je höher
die Signalfrequenz ist, desto geringer die Induktivität sein,
so dass sich bei dieser Konfiguration das Problem ergibt, dass der Gebrauch
um so schwieriger ist, je höher
die Signalfrequenz ist.
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Andererseits
tritt bei dem zweiten bekannten Beispiel das obige Problem, dass der
Betrieb der Vorrichtung mit steigender Signalfrequenz schwieriger wird,
nicht auf, da die Resonanzerscheinung nicht verwendet wird. Allerdings
ist bei dem ersten bekannten Beispiel die Hauptleitung der Signalleitungen,
wo die hochfrequenten Signale fließen, wenn der FET eingeschaltet
ist, selbst die Drainelektrode des FET. Zumindest ein Abschnitt
der Drainelektrode ist auf einer Halbleiteraktivierlage gebildet,
was bedeutet, dass ein Teil der Hauptleitung auf einer Halbleiteraktivierlage
gebildet worden ist. Die Hochfrequenzsignale fließen durch
die Halbleiteraktivierlage als Teil der Leitung, aber die Halbleiteraktivierlage
ist ein Leiter mit höherem
Widerstand als die Drainelektrode, was bedeutet, dass sich der Widerstand
der Hauptleitung erhöht.
Demgemäß führt eine
Anordnung mit Schaltern, bei denen die Hauptleitung selbst die Drainelektrode
für den
FET ist, wie bei dem ersten bekannten Beispiel, zu einem erhöhten Einfügeverlust der
Hauptleitung.
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Der
Einschaltwiderstand pro Längeninkrement
des FET lässt
sich auch durch Ändern
der Querschnittsstruktur des FET verringern, was nicht unbedingt
einfach ist. In dem Fall, dass der Einschaltwiderstand pro Längeninkrement
nicht geändert
werden kann, besteht die Notwendigkeit, die Gatebreite des FET zu
erhöhen,
um eine ausreichende Erdung der Hauptleitung bei eingeschaltetem
FET sicher zu stellen. Die Erhöhung
der Gatebreite des FET bedeutet die Ausdehnung der Gateelektrode
in Längsrichtung
der Signalleitung, was wiederum heißt, dass die Gateelektrode
auch länger
wird, mit dem Resultat, dass sich die Größe des Schalters in der Längsrichtung
der Hauptleitung erhöht.
Die Drainelektrode ist auch die auf der Halbleiteraktivierlage,
wo Hochfrequenzsignale angelegt werden, gebildete Hauptleitung und
dementsprechend ist die Tendenz der Erhöhung des oben genannten Einfügeverlusts
der Hauptleitung noch verstärkt.
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Als
nächstes
hat das dritte bekannte Beispiel dieselbe Grundkonfiguration wie
das erste bekannte Beispiel und damit dieselben Probleme.
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Schließlich ist
bei dem vierten bekannten Beispiel die Hauptleitung, wo die Hochfrequenzsignale
fließen,
nicht die Drainelektrode, so dass es dort kein Problem des erhöhten Einfügeverlusts
beim Einschalten gibt. Jedoch besteht die Notwendigkeit, die Gatebreite
des FET zu erhöhen,
um eine Erdung mit ausreichend geringem Widerstand für das Blindleitungsende
zu erreichen. Die Verlängerung
der FET-Gatebreite erhöht
die Kapazität
zwischen Drain und Source, wenn der FET ausgeschaltet ist. Dies heißt, dass
zwischen der Spitze der offenen Blindleitung und Erde bei ausgeschaltetem
FET eine höhere Kapazität herrscht.
In dem Fall, dass eine größere Kapazität an der
Spitze der offenen Blindleitung herrscht, verringert sich die Resonanzfrequenz
der offenen Blindleitung, so dass die Resonanzfrequenz von der abweichen
kann, die herrscht, wenn die Blindleitung kurzgeschlossen ist. Unterschiedliche Resonanzfrequenzen
jeweils für
die offene und kurzgeschlossene Blindleitung bedeutet, dass der
Schalter nicht normal funktionieren kann, was ein großes Problem
ist.
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KURZFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung soll die oben beschriebenen Probleme lösen und sieht dementsprechend
einen Hochfrequenzschalter und eine denselben verwendende elektronische
Vorrichtung vor, die bis zu hohen Frequenzen mit einem geringen
Einfügeverlust
bei eingeschaltetem Schalter und mit guten Signalabschalteigenschaften
bei ausgeschaltetem Schalter verwendet werden können.
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Um
diese Merkmale zu erreichen, weist ein Hochfrequenzschalter gemäß der Erfindung
auf: ein Substrat; eine zwischen zwei Anschlüssen vorgesehene Hauptleitungselektrode;
eine Blindleitungselektrode, die an ihrem einen Ende mit der Seitenkante der
Hauptleitungselektrode verbunden und an ihrem anderen Ende geerdet
ist; und eine der Blindleitungselektrode in deren Breitenrichtung
benachbart liegende Erdelektrode; wobei das Substrat eine sich bis
unter die Blindleitungselektrode und die Erdelektrode erstreckende
Halbleiteraktivierlage zwischen wenigstens einer Seitenkante der
Blindleitungselektrode und der Erdelektrode hat; und wobei eine
Gateelektrode, die sich in Längsrichtung
der Blindleitungselektrode erstreckt, auf der Halbleiteraktivierlage
zwischen der Blindleitungselektrode und der Erdelektrode vorgesehen
ist und dadurch eine FET-Struktur bildet.
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Eine
Halbleiteraktivierlage, die sich bis unter die Blindleitungselektrode
und die Erdelektrode erstreckt, kann sich zu einem Substratabschnitt
zwischen den Seitenkanten der Blindleitungselektrode von ihrem einem
Ende zum anderen Ende und zur Erdelektrode erstrecken, wobei die
Gateelektrode, die sich in Längsrichtung
der Blindleitungselektrode erstreckt, auf der Halbleiteraktivierlage
zwischen der Blindleitungselektrode und der Erdelektrode vorgesehen
ist und dadurch eine FET-Struktur bildet.
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Die
FET-Struktur kann an beiden Seitenkanten der Blindleitungselektrode
gebildet sein. Die Blindleitungselektrode mit der FET-Struktur kann
zusammen mit der Erdelektrode einen coplanaren Wellenleiter bilden,
und die Blindleitungselektrode mit der FET-Struktur kann so gebildet
sein, dass ihre Länge
allgemein 90° der
elektrischen Länge
bezogen auf die angelegten Hochfrequenzsignale hat.
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Ein
Ende der Blindleitungselektrode mit einer Vielzahl der gebildeten
FET-Strukturen kann
an einer Seitenkante der Hauptleitungselektrode angeschlossen sein,
oder ein Ende der Blindleitungselektrode mit den zwei gebildeten
FET-Strukturen kann von beiden Seiten in Breitenrichtung der Hauptleitungselektrode
in einander gegenüberliegender
Weise verbunden sein.
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Ein
Ende einer Blindleitungselektrode mit mehreren der so gebildeten
FET-Strukturen kann
mit einer Seitenkante der Hauptleitungselektrode mit einer vorbestimmten
Lücke dazwischen
bezogen auf die Längsrichtung
verbunden sein, und ein Ende der Blindleitungselektrode mit mehreren
der gebildeten FET-Strukturen
kann unter Bildung einer Lücke
mit der Seitenkante der Hauptleitungselektrode verbunden sein, mit
einer elektrischen Länge
von allgemein 90° bezogen
auf die angelegten Hochfrequenzsignale in der Längsrichtung.
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Die
einen Enden der mehreren Hochfrequenzschalter können miteinander über eine
Hauptleitungselektrode mit einer auf die Hochfrequenzsignale bezogenen
elektrischen Länge
von allgemein 90° zum
Kontaktpunkt der Blindleitungselektrode, wo die nächstliegende
FET-Struktur gebildet ist, verbunden sein.
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Auch
die Gateelektrode kann von einem Ende der Blindleitungselektrode
in einer Richtung weg von der Hauptleitungselektrode oder von dem anderen
Ende der Blindleitungselektrode in einer Richtung quer zur Hauptleitungselektrode
führen.
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Eine
elektronische Vorrichtung kann den oben beschriebenen Hochfrequenz schalter
verwenden.
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Der
erfindungsgemäße Hochfrequenzschalter
bewirkt ein Abtrennen der durch die Hauptleitungselektrode fließenden Hochfrequenzsignale durch
Erden eines Abschnitts der Hauptleitungselektrode, indem dieser
FET eingeschaltet wird, und leitet, wenn dieser FET ausgeschaltet
ist, die durch die Hauptleitungselektrode fließenden Hochfrequenzsignale.
Die Hauptleitungselektrode existiert nur als ein Teil des FET, so
dass der Einfügeverlust
beim Einschalten reduziert werden kann. Außerdem lässt sich ein Erdungszustand
ohne Frequenzgang realisieren, so dass die Hochfrequenzsignale in
stabiler Weise im ausgeschalteten Zustand abgetrennt werden können. Folglich
lassen sich gute Isolationseigenschaften erzielen.
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Mit
der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung
kann eine Verringerung des Leistungsverbrauchs und ein Herabsetzen
fehlerhafter Funktionen erreicht werden, indem der erfindungsgemäße Hochfrequenzschalter
eingesetzt wird.
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Andere
Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden von der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung deutlich, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen
bezieht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine ebene Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
veranschaulicht;
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Querschnitts längs
der Linie A-A des in 1 gezeigten Hochfrequenzschalters;
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3 zeigt
eine Äquivalenzschaltung
des in 1 gezeigten Hochfrequenzschalters in dessen Aus-Zustand;
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4 zeigt
eine vereinfachte Äquivalenzschaltung
des in 1 gezeigten Hochfrequenzschalters in dessen Aus-Zustand;
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5 zeigt
eine Äquivalenzschaltung
des in 1 gezeigten Hochfrequenzschalters in dessen Ein-Zustand;
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6 zeigt
eine vereinfachte Äquivalenzschaltung
des in 1 gezeigten Hochfrequenzschalters in dessen Ein-Zustand;
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7 ist
ein Charakteristikdiagramm, das die Schalteigenschaften des in 1 gezeigten Hochfrequenzschalters
veranschaulicht;
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8 ist
eine ebene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters;
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9 zeigt
eine Äquivalenzschaltung
des in 8 gezeigten Hochfrequenzschalters in dessen Aus-Zustand;
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10 ist
eine ebene Ansicht, die eine Variante des in 8 gezeigten
Hochfrequenzschalters veranschaulicht;
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11 ist
eine ebene Ansicht, die noch ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
veranschaulicht;
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12 ist
eine ebene Ansicht, die noch ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
veranschaulicht;
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13 zeigt
ein Charakteristikdiagramm, das die Schalteigenschaften des in 12 dargestellten
Hochfrequenzschalters veranschaulicht;
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14 ist
eine ebene Ansicht, die noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
veranschaulicht;
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15 zeigt
eine Charakteristikdiagramm der Schalteigenschaften des in 14 dargestellten Hochfrequenzschalters;
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16 ist
eine ebene Ansicht, die noch ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
zeigt;
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17 ist
eine ebene Ansicht, die noch ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
veranschaulicht;
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18 ist
ein Charakteristikdiagramm, das die Beziehung zwischen der Position
auf der Gateelektrode und dem Gate-Vorwärtsstrom zeigt;
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19 ist
eine ebene Ansicht, die noch ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
veranschaulicht;
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20 ist
ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel
der erfindungs gemäßen elektronischen
Vorrichtung veranschaulicht.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine ebene Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters
veranschaulicht, und 2 ist eine vergrößerte Ansicht
eines Querschnitts längs
der Schnittlinie A-A des in 1 gezeigten
Hochfrequenzschalters.
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In 1 hat
ein Hochfrequenzschalter 10 eine Hauptleitung 17 und
eine Blindleitung 18, die aus einem coplanaren Wellenleiter
gebildet sind, der auf einem Halbleitersubstrat 11 gebildet
ist. Die Hauptleitung 17 ist aus einer Hauptleitungselektrode 12 und
an deren beiden Seiten in Breitenrichtung liegenden Erdelektroden 16 gebildet,
wobei ein Ende und das andere Ende der Hauptleitung jeweils mit Anschlüssen 13 und 14 verbunden
sind. Die Blindleitung 18 besteht aus einer Blindleitungselektrode 15 und
an beiden Seiten in der Breitenrichtung gebildeten Erdelektroden 16,
und ihr eines Ende ist mit der Hauptleitung 17 und ihr
anderes Ende mit der Erdelektrode 16 verbunden, um es zu
erden. Genauer gesagt ist ein Ende der Blindleitungselektrode 15 der Blindleitung 18 mit
der einen Seitenkante der Hauptleitungselektrode 12 der
Hauptleitung 17 und das andere Ende der Blindleitungselektrode 15 mit
der Erdelektrode 16 verbunden. Weiterhin ist die Länge der Blindleitungselektrode 15 der
Blindleitung 18 so eingestellt, dass sie eine elektrische
Länge von
90° für die durch
die Blindleitung 18 fließenden Hochfrequenzsignale
hat.
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Eine
Halbleiteraktivierlage 19 ist auf dem Halbleitersubstrat 11 zwischen
der Blindleitungselektrode 15 und der Erdelektrode 16 von
einem Ende der Blindlei tung 18 zu deren anderem Ende gebildet. Die
Halbleiteraktivierlage 19 erstreckt sich bis unter die
Blindleitungselektrode 15 und die Erdelektrode 16.
Zu bemerken ist, dass die Abschnitte des Halbleitersubstrats 11,
ausgenommen die Halbleiteraktivierlage 19, im Wesentlichen
Isolatoren sind.
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Gateelektroden 20,
die auf der Halbleiteraktivierlage 19 gebildet sind, erstrecken
sich in Längsrichtung
der Blindleitungselektrode 15 zwischen dieser und der Erdelektrode 16.
Die Gateelektroden 20 sind von dem anderen Ende der Blindleitungselektrode 15 an
einem Gatespannungseingangsanschluss 21 angeschlossen.
Obwohl ein Abschnitt der Leitung von der Gateelektrode 20 zum
Gatespannungseingangsanschluss 21 die Erdelektrode 16 überlappt, sind
die beiden in diesem Bereich durch eine Isolierlage oder dergleichen
isoliert. Die Gateelektroden 20 sind in 1 durch
ausgezogene und gestrichelte Linien dargestellt, haben jedoch in
Wirklichkeit eine gewisse Breite, wie sie in 2 gezeigt
ist. Außerdem ist,
obwohl die Hauptleitungselektrode in den 1 und 2 direkt
auf dem Halbleitersubstrat 11 aufliegend gezeigt ist, der
nicht aktivierte Teil des Halbleitersubstrats 11 nicht
unbedingt ein ausreichender Isolator, so dass bevorzugt ein Isolierfilm
zwischen der Hauptleitungselektrode 12 und dem Halbleitersubstrat 11 vorgesehen
ist, um eine unerwünschte Leckage
zu vermeiden.
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Wie
der in 2 gezeigte vergrößerte Querschnitt längs der
Linie A-A veranschaulicht, sind die Elektroden an beiden Seiten
der Gateelektroden 20 in dem Bereich gebildet, wo die Halbleiteraktivierlage 19 liegt,
und somit ist verständlich,
dass diese Struktur insgesamt eine FET-Struktur ist. In diesem Fall kann
die Blindleitungselektrode 15 die Drain und die Erdelektroden 16 die
Source sein oder umgekehrt. Die Schnittstellen zwischen der Gateelektrode 20 und
der Halbleiteraktivierlage 19 bilden einen Schottky-Übergang,
und die Verbindungen zwischen der Blindleitungselektrode 15 und
den Erdelektroden 16 und der Halbleiteraktivierlage 19 sind
Ohm'sche Verbindungen.
Außerdem
können
Verarmungsschichten 22 unter den Gateelektroden 20 in
der Halbleiteraktivierlage 19 gebildet sein.
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Bei
dem auf diese Weise aufgebauten Hochfrequenzschalter 10 führt ein
an Drain und Source angelegtes Gleichspannungspotenzial (an die
Blindleitungselektrode 15 und die Erdelektroden 16)
von z.B. 0V und außerdem
ein an die Gateelektroden 20 angelegtes Gleichspannungspotenzial
von z.B. 0V beispielsweise im Gate dazu, dass dieses zur Drain und
zur Source nicht vorgespannt ist und dass die Verarmungsschichten 22 reduziert
sind, so dass Drain und Source über
die gesamte Länge
der Blindleitungselektrode 15 durch die Halbleiteraktivierlage 19 fast
kurzgeschlossen sind.
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3 zeigt
eine Äquivalenzschaltung
des Hochfrequenzschalters 10 in diesem Zustand. In 3 ist
Rst die Widerstandskomponente pro Längeninkrement der Blindleitungselektrode 15 und
Ron ist der Ein-Widerstand des FET-Teils pro Längeninkrement der Blindleitungselektrode 15.
Rst und Ron haben kleine Werte, und da es außerdem eine große Zahl
von Rst- und Ron-Komponenten
sowohl seriell als auch parallel gibt, ist die im Hochfrequenzschalter 10 enthaltene
Hauptleitungselektrode 12 im Wesentlichen zur Erdelektrode 16 am
Basisabschnitt der Blindleitungselektrode 15 kurzgeschlossen
(der mit der Hauptleitungselektrode 12 verbundene Teil
der Blindleitungselektrode 15), wie dies in 4 gezeigt ist.
Dies bedeutet, dass die Hauptleitung 17 in Längsrichtung
abschnittsweise geerdet ist.
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In
diesem Zustand werden die durch den Hochfrequenzschalter 10 fließenden Hochfrequenzsignale
fast vollständig
an diesem Kontaktpunkt reflektiert und breiten sich nicht von einem
Ende zum anderen Ende zwischen den Anschlüssen 13 und 14 aus.
D.h., dass der Hochfrequenzschalter 10 in einem Ausschaltzustand
ist.
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Andererseits
führt die
Einstellung des Gleichspannungspotenzials von Drain und Source (der
Blindleitungselektrode 15 und der Erdelektroden 16)
auf z.B. 0V und außerdem
die Einstellung des Gleichspannungspotenzials der Gateelektrode 20 auf
z.B. –3V
dazu, dass das Gate zu Drain und Source invers vorgespannt ist,
so dass sich die Verarmungsschichten 22 ausdehnen und die
Halbleiteraktivierlage 19 isolieren und so Drain und Source
abtrennen.
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5 zeigt
eine Äquivalenzschaltung
des Hochfrequenzschalters 10 in diesem Zustand. Der FET-Teil
ist abgetrennt, so dass der Hochfrequenzschalter 10 einfach
aus der mit der Hauptleitungselektrode verbundenen Blindleitungselektrode 15 besteht.
Die Blindleitungselektrode 15 ist eine an ihrem anderen
Ende, dessen elektrische Länge
bezogen auf die durchfließenden
Hochfrequenzsignale 90° ist, kurzgeschlossen
und hat, gesehen von dem Kontaktpunkt mit der Hauptleitungselektrode 12 eine
idealerweise unendliche Impedanz. Demgemäß weist der Hochfrequenzschalter 10 bezogen
auf die die vorgesehene Frequenz aufweisenden Signale in äquivalenter
Weise allein die Hauptleitungselektrode 12 auf.
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In
diesem Zustand können
sich die durch den Hochfrequenzschalter 10 fließenden Hochfrequenzsignale
frei zwischen den Anschlüssen 13 und 14 ausbreiten.
D.h., dass sich der Hochfrequenzschalter 10 im Ein-Zustand
befindet.
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Deshalb
können
mit dem Hochfrequenzschalter 10 Schaltvorgänge zwischen
dem Anschluss 13 und dem Anschluss 14 durch die
an die Gateelektrode 20 angelegte Gleichspannung ausgeführt werden.
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Nun
stellt 7 die Durchlasskennlinien S21 und die Reflexionskennlinien
S11 jeweils für
den Ein-Zustand und den Aus-Zustand des Hochfrequenzschalters 10 dar.
In 7 geben die durchgezogenen Linien die Eigenschaften
des Hochfrequenzschalters 10 im eingeschalteten Zustand
und die gestrichelten Linien die Eigenschaften desselben im Ausschaltzustand
an.
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Aus 7 erkennt
man, dass im Falle der Hochfrequenzschalter 10 eingeschaltet
ist, der Wert der Durchlasskennlinie S21 bei 76 GHz, der Frequenz
der Hochfrequenzsignale, extrem klein ist, und die Reflexionskennlinie
S11 annähernd –35 dB annimmt,
wodurch sich ausreichend gute Signaldurchlasseigenschaften ergeben.
Andererseits nehmen bei ausgeschaltetem Hochfrequenzschalter 10 die Durchlasskennlinie
S21 annähernd –8 dB bei
76 GHz und die Reflexionskennlinie S11 annähernd –4 dB an, wodurch sich allgemein
zufrieden stellende Signalabschalteigenschaften einstellen.
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Bei
dem derart aufgebauten Hochfrequenzschalter 10 dient lediglich
die Blindleitungselektrode 15 als ein Teil des FET, und
die Hauptleitungselektrode 12, wo primär die Hochfrequenzsignale fließen, ist kein
Teil des FET. Dementsprechend tritt bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalter
das bei dem ersten bis dritten bekannten Beispiel auftretende Problem
nicht auf, dass nämlich
die Einfügedämpfung der
Hauptleitung wegen den durch einen aus der Halbleiteraktivierlage
in dem Einschalt-Zustand gebildeten Leiter mit hohem Widerstand
fließenden Hochfrequenzsignalen
anwächst.
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Zudem
erstreckt sich die Blindleitungselektrode 15 orthogonal
zur Hauptleitungselektrode 15, so dass das im zweiten bekannten
Beispiel auftretende Problem der Vergrößerung des Schalters in Längsrichtung
der Hauptleitung nicht auftritt.
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Außerdem funktioniert
die Blindleitungselektrode 15 im ausgeschalteten Zustand
des FET als eine kurzschließende
Blindleitung, aber nicht in dem eingeschalteten Zustand des FET.
Sozusagen tritt die Erdung eines Abschnitts der Hauptleitungselektrode 12 im
Einschalt-Zustand des FET nicht aufgrund eines Resonanzeffekts auf.
Dementsprechend muss nur in Betracht gezogen werden, dass die Länge der Blindleitungselektrode 15,
wenn der FET ausgeschaltet ist, als eine kurzschließende Blindleitung
mit einer elektrischen Länge
von 90° wirkt,
und man braucht den Einschalt-Zustand des FET nicht zu betrachten.
Dementsprechend treten auch die Probleme des vierten bekannten Beispiels
beim erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalter
nicht auf.
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Dass
zum Erden eines Teils der Hauptleitungselektrode 12 keine
Resonanzerscheinung verwendet wird, bedeutet, dass es keine Frequenzeigenschaften
gibt, bei denen ein geerdeter Zustand nur bei einer bestimmten Signalfrequenz
erzielt wird. Dementsprechend wird im Falle der FET ein- und der Hochfrequenzschalter 10 ausgeschaltet
ist, der Ausschalt-Zustand über
einen weiten Frequenzbereich erhalten. D.h., dass gute Isolationseigenschaften
erreicht sind.
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Es
ist zu bemerken, dass die Isolationseigenschaften hier durch die
Kennlinie S21 angedeutet sind, wenn der Schalter ausgeschaltet ist,
und je größer die
De zibel-Zahl ist (d.h. je kleiner der Absolutwert), desto besser
sind die Isolationseigenschaften.
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Bei
dem vierten bekannten Beispiel ist der Betrieb auf einen bestimmten
Frequenzbereich beschränkt,
bei dem die Hochfrequenzschalterwirkung auftritt. Die erklärt die Tatsache,
dass ein Teil der Hauptleitungselektrode beim Ausschalten des Schalters
durch Resonanz geerdet wird. Somit hat der Hochfrequenzschalter 10 gemäß der Erfindung
auch von diesem Standpunkt aus ausgezeichnete Leistungsmerkmale.
Bei eingeschaltetem Hochfrequenzschalter nutzen sowohl der erfindungsgemäße Hochfrequenzschalter
als auch der gemäß dem vierten
bekannten Beispiel die Resonanz der Blindleitung, so dass es dabei
keinen Unterschied in deren Eigenschaften gibt.
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Nun
muss bei dem in 1 gezeigten Hochfrequenzschalter 10 der
FET nicht über
die gesamte Länge
der Blindleitungselektrode 15 von ihrem einen zum anderen
Endereichen, um die Hauptleitungselektrode 12, wenn der
FET eingeschaltet ist, an dieser Stelle, wo die Blindleitungselektrode 15 verbunden
ist, zu erden. Eine Anordnung, bei der ein FET wenigstens an einem
Ende der Blindleitungselektrode 15 über eine gewisse Länge, d.h.
an dem Ende gebildet ist, wo die Hauptleitungselektrode 12 angeschlossen
ist, reicht aus und führt
bei eingeschaltetem FET zu einem ausreichend geringem Erdungswiderstand.
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Demgemäß zeigt 8 eine
ebene Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters.
In 8 sind die Teile, die die gleichen sind, wie in 1 oder äquivalent
zu diesen sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und ihre
Beschreibung ist weggelassen. Die Querschnittsansicht des FET-Abschnitts
ist dieselbe wie in 2 und ist des halb weggelassen.
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Der
in 8 gezeigte Hochfrequenzschalter 30 hat
eine Blindleitung 31 statt der Blindleitung 18 in dem
Hochfrequenzschalter 10. Bei der Blindleitung 31 ist
die Halbleiteraktivierlage 32 zwischen der Blindleitungselektrode 15 und
der Erdelektrode 16 über
annähernd
die halbe Länge
der Blindleitung 31 an ihrem einen Ende gebildet. Gateelektroden 33,
die sich in Längsrichtung
der Blindleitungselektrode 15 erstrecken, sind auf der
Halbleiteraktivierlage 32 zwischen der Blindleitungselektrode 15 der
Blindleitung 31 und der Erdelektrode 16 so gebildet,
dass sie die Halbleiteraktivierlage 32 überqueren. Die Gateelektroden 33 sind
mit dem Gatespannungseingangsanschluss 21 verbunden. Zu
bemerken ist, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Gateelektroden 33 nicht
nur auf der Halbleiteraktivierlage 32 sondern auch an den
Abschnitten zwischen der Blindleitungselektrode 15 und
der Erdelektrode 16 gebildet sind, die nicht die Halbleiteraktivierlage
bilden. Allerdings wirken die Abschnitte der Gateelektroden, die
außerhalb
der Halbleiteraktivierlage 32 gebildet sind, nicht als
ein FET, sondern lediglich als Signalleitung und können insofern
nicht als Gateelektroden angesehen werden.
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Bei
dem derart gebildeten Hochfrequenzschalter 30 wirkt der
mit einer FET-Struktur
gebildete Abschnitt in derselben Weise wie bei dem Hochfrequenzschalter 10.
Eine Äquivalenzschaltung
des Hochfrequenzschalters mit eingeschaltetem FET ist in 9 gezeigt.
In 9 sind die Teile, die mit denen in 3 übereinstimmen
oder äquivalent
zu ihnen sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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In 9 verbleibt
der Teil der Blindleitungselektrode 15, der kein Teil des
FET ist, als Leitung 15', aber
das eine mit der Hauptleitungselektrode 12 verbundene Ende
ist durch eine große
Anzahl von Rst- und Ron-Komponenten mit der Erdelektrode 16 verbunden,
wie bei dem Hochfrequenzschalter 10. Demgemäß bildet
der Hochfrequenzschalter 30 eine Anordnung, bei der in äquivalenter
Weise die Hauptleitungselektrode 12 an dem Basisteil der
Blindleitungselektrode 15 im Wesentlichen geerdet ist,
wie bei dem Hochfrequenzschalter 10. D.h., dass die Hauptleitung 17 an
einem Abschnitt ihrer Länge
geerdet ist.
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In
diesem Zustand werden die durch den Hochfrequenzschalter 30 fließenden Hochfrequenzsignale
fast gänzlich
an diesem Kontaktpunkt reflektiert und breiten sich nicht von einem
Ende zum anderen aus. D.h., dass der Hochfrequenzschalter 30 zwischen
den Anschlüssen 13 und 14 im
Aus-Zustand ist.
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Andererseits
wird bei ausgeschaltetem FET der FET-Teil abgetrennt, und somit
besteht der Hochfrequenzschalter 30 einfach aus der mit
der Hauptleitungselektrode 12 verbundenen Blindleitungselektrode 15.
Die Blindleitungselektrode 15 ist eine am anderen Ende
kurzgeschlossene Blindleitung, deren elektrische Länge 90° bezogen
auf die durchfließenden
Hochfrequenzsignale ist, und somit enthält hinsichtlich der Signalfrequenzen
der Hochfrequenzschalter in äquivalenter
Weise allein nur die Hauptleitungselektrode 12. In diesem
Zustand können
sich die durch den Hochfrequenzschalter 30 fließenden Hochfrequenzsignale
frei ausbreiten. D.h., dass der Hochfrequenzschalter 30 zwischen
den Anschlüssen 13 und 14 im
Ein-Zustand ist.
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Die
Länge der
Gateelektrode (Gatebreite) ist ausreichend, soweit diese Länge bei
eingeschaltetem FET einen ausreichenden Kurzschlusszustand zwischen
der Erdelektrode 13 und einer Seite der Blindleitungselektrode 15 bilden
kann.
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Dementsprechend
ist die Gatelänge
nicht auf die halbe Länge
der Blindleitungselektrode beschränkt, wie bei dem Hochfrequenzschalter 30 und kann
kürzer
oder länger
als die Hälfte
der Länge
der Blindleitungselektrode 15 sein.
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Wenn
der FET ausgeschaltet ist, verteilt sich die Aus-Kapazität über die
Drain und die Source. Dementsprechend unterscheidet sich die verteilte Kapazität zwischen
der Blindleitungselektrode 15 und der Erdelektrode 16 an
den Abschnitten, wo die Halbleiteraktivierlage 32 vorhanden
ist, von den Abschnitten, wo diese nicht existiert. Kurz gesagt
unterscheidet sich die verteilte Induktivität der Blindleitungselektrode 15 auch
abhängig
davon, ob diese auf der Halbleiteraktivierlage liegt oder nicht.
Dementsprechend kann sich die Impedanzeigenschaft in Übereinstimmung
mit der Lage der Blindleitung 31 ändern. Somit besteht die Notwendigkeit,
die Länge und
Breite der Blindleitung 31 unter Berücksichtigung der teilweisen Änderungen
der Impedanzeigenschaften der Blindleitung 31 in der oben
beschriebenen Weise zu bestimmen.
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In
der Realität
lässt sich
der Abgleich der elektrischen Länge
sehr gut nicht nur durch Ändern der
Gesamtlänge
der Blindleitungselektrode, sondern auch durch die Änderung
der Breite der Blindleitungselektrode zwischen den den FET-Teil
bildenden Abschnitten und den anderen Abschnitten und die Änderung
des Abstands zur Erdelektrode ausführen.
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Bei
dem Hochfrequenzschalter 30 ist die Gatebreite, die die
Länge der
Gateelektrode ist, kürzer
als bei dem Hochfrequenzschalter 10. Demgemäß ist die
zwischen Drain und Source des FET-Teils gebildete Aus-Kapazität geringer.
Diese Aus-Kapazität
bestimmt teilweise die Zeitkonstante, die entscheidend die Schaltgeschwindigkeit
der Hochfrequenzschalter 10 und 30 beeinflusst.
D.h., dass, je kleiner die Aus-Kapazität ist, desto kleiner die Zeitkonstante
und desto schneller die Schaltoperationen sind. Dementsprechend
hat der Hochfrequenzschalter 30 den Vorteil, dass er im
Vergleich mit dem Hochfrequenzschalter 10 schnellere Schaltvorgänge ausführen kann.
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Gewöhnlich wird
die Gateelektrode generell geradlinig gebildet, und es ist nicht
immer einfach, die Gateelektroden in gebogener Form zu bilden. Demgemäß ist bei
dem Hochfrequenzschalter 10 die Blindleitungselektrode 15 der
Blindleitung 18 in einer geraden Linie gebildet. Dies kann
bei der Größenverringerung
des Hochfrequenzschalters zu Schwierigkeiten führen.
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Andererseits
braucht, wie bei dem Hochfrequenzschalter 30, die Gateelektrode 33 nur
entlang einem Ende der Blindleitungselektrode 15 gebildet werden.
Dementsprechend kann, wie es das in 10 gezeigte
Schema eines modifizierten Ausführungsbeispiels
der Erfindung zeigt, das andere Ende der Blindleitungselektrode 15,
wo keine Gateelektroden 33 gebildet sind, abgebogen werden.
Dies lässt eine
Größenverringerung
des Hochfrequenzschalters zu.
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Auf
diese Weise kann der Hochfrequenzschalter 30 schnellere
Schaltvorgänge
ausführen
als der Hochfrequenzschalter 10 und ist auch vorteilhaft darin,
dass dessen Größe wegen
der abgebogenen Blindleitung reduziert ist.
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Es
ist zu bemerken, dass, obwohl die FET-Strukturen bei den Hochfrequenzschaltern 10 und 30 an
beiden Seiten der Blindleitungselektrode gebildet sind, eine Bildung
der FET-Strukturen nur an einer Seite zulässig ist. In diesem Fall erhöht sich
der Widerstandswert etwas, wenn der FET einschaltet, andererseits
können
dieselben Vorteile wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbei spielen
erzielt werden.
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Es
ist auch zu bemerken, dass in den Hochfrequenzschaltern 10 und 30 die
Hauptleitung und die Blindleitung als symmetrisch geformte coplanare Wellenleiter
geformt sind, und mit der Blindleitung wurden die Erdelektroden
für den
symmetrischen coplanaren Wellenleiter als Sourceelektrode für den FET
verwendet. Jedoch sind die Hauptleitung und die Blindleitung nicht
auf symmetrische coplanare Wellenleiter beschränkt und können asymmetrische coplanare
Wellenleiter sein, deren Erdelektrode beispielsweise nur auf einer
Seite liegt. Oder die Hauptleitung und die Blindleitung können eine
andere Art von Übertragungsleitung
sein, die keine der Leitungselektrode folgende Erdelektrode hat,
wie z.B. eine Mikrostreifenleitung oder dergleichen. Allerdings besteht
dann die Notwendigkeit, in diesen Fällen eine separate Erdelektrode
neben der Blindleitungselektrode vorzusehen. Außerdem ändern sich wegen der daneben
gebildeten Erdelektrode gleichzeitig die Blindleitungsimpedanzeigenschaften
gegenüber
denen einer idealen Mikrostreifenleitung, so dass dies bei der Festlegung
der Länge
der Blindleitungselektrode in Betracht gezogen werden muss. Andererseits kann
der Hochfrequenzschalter annähernd
dieselben Vorteile erreichen, wie die obigen Ausführungsbeispiele.
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Das
Folgende ist eine Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele eines Hochfrequenzschalters, der
eine Blindleitung mit der oben beschriebenen FET-Struktur verwendet. Obwohl die Blindleitungsstruktur
des Hochfrequenzschalters 30 in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
verwendet wird, ist es unnötig
zu betonen, dass stattdessen auch die Blindleitungsstruktur des
Hochfrequenzschalters 10 verwendet werden kann.
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Zunächst zeigt 11 schematisch
ein anderes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters. 11 ist
ein vereinfachtes Diagramm, das nur gewisse Merkmale zeigt, und
die Teile, die denen in 1 gleichen oder äquivalent
zu diesen sind, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und
ihre Beschreibung ist weggelassen.
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Bei
dem in 11 gezeigten Hochfrequenzschalter 40 bezeichnen
die Bezugszeichen 41 und 42 die Blindleitungselektroden
der Blindleitung, wo die FET-Struktur gebildet ist. Die Leitungen
auf jeder Seite der Blindleitungselektroden stellen Gateleitungen dar.
Die Beschreibung der Erdelektroden und des Gatespannungseingangsanschlusses
ist weggelassen.
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Wie 11 zeigt,
liegen sich bei dem Hochfrequenzschalter 40 die beiden
Blindleitungselektroden 41 und 42 an den Seitenkanten
der Hauptleitung 12 in deren Breitenrichtung gegenüber. Mit
dem derart konfigurierten Hochfrequenzschalter 40 funktionieren
die Blindleitungselektroden 41 und 42 jeweils genauso
wie die Blindleitung 31 in dem Hochfrequenzschalter 30.
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Dementsprechend
kann das Ein- und Ausschalten der FETs der beiden Blindleitungen,
das jeweils dem Aus- und Einschalten des Hochfrequenzschalters 40 entspricht
die Hauptleitungselektrode 12 in einen abschnittsweise
geerdeten Zustand versetzen, wenn der Hochfrequenzschalter ausgeschaltet ist.
Außerdem
sind dann in dem Hochfrequenzschalter 40 beide Kanten der
Hauptleitungselektrode 12 an einer bestimmten Position
geerdet, wohingegen bei dem Hochfrequenzschalter 30 nur
eine Seitenkante der Hauptleitungselektrode 12 an einer
bestimmten Position geerdet ist. Dies bedeutet, dass im Vergleich mit
dem Hochfrequenzschalter 30 diese Stelle beim Hochfrequenzschalter 40 mit dem
halben Widerstandswert geerdet ist, so dass der Ausschaltzustand des
Hochfrequenzschalters 40 noch vollständiger ist. D.h., dass die
Isolationseigenschaften noch verbessert sind.
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Auch
von einer anderen Perspektive lässt sich
die Länge
der Blindleitungs-Gateelektroden
(die Gatebreite) noch verkürzen,
wenn derselbe Erdungswiderstand wie in dem Hochfrequenzschalter 30 ausreicht.
Eine kürzere
Gatebreite bedeutet, wie oben beschrieben, dass die Schaltvorgänge noch
schneller gemacht werden können.
Auch der Teil, der geradlinig gebildet werden muss, um die Gateelektroden
an den Blindleitungselektroden 41 und 42 zu realisieren,
ist in seiner Länge
verringert, so dass ein größerer Freiheitsgrad
beim Entwurf der Form der Blindleitung erreicht ist, was bedeutet,
dass die Größe des Hochfrequenzschalters
noch weiter reduziert werden kann.
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Somit
lassen sich bei dem Hochfrequenzschalter 40 die Abschalteigenschaften
der Hochfrequenzsignale im Aus-Zustand noch mehr verbessern, oder
die Schaltvorgänge
können
schneller werden, oder die Größe des Hochfrequenzschalters lässt sich
reduzieren.
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12 zeigt
schematisch noch ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters. 12 ist
ein vereinfachtes Diagramm, das nur bestimmte Merkmale zeigt, und
die Teile, die die gleichen sind wie in 1 oder mit
diesen äquivalent
sind, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und ihre Beschreibung
ist weggelassen.
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In
dem in 12 dargestellten Hochfrequenzschalter 50 bezeichnen
die Bezugszeichen 51 und 52 die Blindleitungselektroden
der Blindleitung, wo die FET-Strukturen gebildet sind. Die Leitungen auf
den beiden Seiten der Blindleitungselektroden stellen Gateleitungen
dar. Die Beschreibung der Erdelektroden und des Gatespannungs-Eingangsanschlusses
ist weggelassen.
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Gemäß 12 sind
bei dem Hochfrequenzschalter 50 die beiden Blindleitungselektroden 51 und 52 an
einer Seite der Hauptleitungselektrode 12 angebracht, und
zwar an Positionen, die in Längsrichtung
der Hauptleitungselektrode 12 um 90° der elektrischen Länge beabstandet
sind. Bei dem so gestalteten Hochfrequenzschalter 50 haben
die Blindleitungselektroden 51 und 52 jeweils
dieselbe Funktion wie die Blindleitung 31 in dem Hochfrequenzschalter 30.
Dementsprechend veranlasst ein gleichzeitiges Ein- und Ausschalten
der FETs der beiden Blindleitungen, was dem Aus- und Einschalten
des Hochfrequenzschalters 50 entspricht, dass die Hauptleitungselektrode 12 zur
Zeit des Ausschaltens des Hochfrequenzschalters an zwei Positionen
abschnittsweise geerdet ist. Somit veranlasst die Erdung des Hochfrequenzschalters 50 an
zwei Positionen dessen Abschaltung durch Reflexion der Hochfrequenzsignale
noch vollständiger,
auch in Fällen, wo
die Länge
der Gateelektroden der Blindleitungen zu kurz ist, so dass eine
Erdung nicht unbedingt ausreicht. Darüber hinaus sind die beiden
Blindleitungen an Positionen angeschlossen, die in Längsrichtung der
Hauptleitungselektrode 12 um 90° der elektrischen Länge beabstandet
sind, und auf diese Weise ist die Impedanz der einen Blindleitung,
gesehen von der anderen Blindleitung aus, unendlich und im Wesentlichen
unsichtbar, so dass es bei der Reflexion der Signale von einer Blindleitung
und insbesondere beim Erdungszustand keine nachteiligen Beeinflussung
der Charakteristika der anderen Blindleitung gibt.
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Nun
veranschaulicht 13 die Durchlasskennlinien S21
und die Reflexions kennlinien S11 jeweils für den Ein-Zustand und den Aus-Zustand
des Hochfrequenzschalters 50. In 13 geben
die durchgezogenen Linien die Eigenschaften des eingeschalteten
Hochfrequenzschalters 50 und die gestrichelten Linien die
Eigenschaften des ausgeschalteten Hochfrequenzschalters 50 an.
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Aus 13 wird
deutlich, dass, wenn der Hochfrequenzschalter 50 eingeschaltet
ist, der Verlust der Durchlasskennlinien S21 sehr klein ist und bei
0dB bei 76 GHz, der Frequenz der Hochfrequenzsignale, liegt, und
die Reflexionskennlinie S11 ist bei dieser Frequenz –40 dB oder
weniger, und dadurch ergeben sich ausreichend gute Signaldurchlasseigenschaften.
Andererseits nehmen, wenn der Hochfrequenzschalter 50 ausgeschaltet
ist, der Wert der Durchlasskennlinie S21 bei 76 GHz –19 dB und
der Wert der Reflexionskennlinie S11 bei dieser Frequenz –4 dB an.
Somit ist der Wert der Durchlasskennlinie bei dieser Frequenz noch
kleiner als bei dem Hochfrequenzschalter 10, so dass sich
ausreichende Signalabtrenn- bzw. Reststromeigenschaften einstellen.
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Somit
lassen sich mit dem Hochfrequenzschalter 50 die Reststromeigenschaften
im ausgeschalteten Zustand des Hochfrequenzschalters noch verbessern.
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Außerdem kann,
obwohl der Hochfrequenzschalter 50 zwei Blindleitungen
mit jeweils einer FET-Struktur hat, die Anzahl der Blindleitungen
drei oder mehr sein, so lange diese an Positionen der Hauptleitungselektrode 12 angeschlossen
sind, die um 90° der
elektrischen Länge
in Längsrichtung
der Hauptleitungselektrode 12 voneinander beabstandet sind.
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Außerdem können, obwohl
der Anschluss der Blindleitungen des Hochfre quenzschalters 50 nur an
einer Seite der Hauptleitungselektrode 12 gebildet ist,
die Blindleitungen auch an beiden Seitenkanten der Hauptleitungselektrode 12 angeschlossen
sein.
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Nun
kann auch, obwohl bei dem Hochfrequenzschalter 50, um eine
gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden, die beiden Blindleitungen
an Positionen der Hauptleitungselektrode 12 angeschlossen
sind, die um 90° der
elektrischen Länge
in Längsrichtung
der Hauptleitungselektrode 12 versetzt sind, eine Anordnung
in Betracht gezogen werden, wo die Blindleitungen näher beieinander
liegen.
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14 zeigt
schematisch ein Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters.
Das Diagramm in 14 ist vereinfacht und zeigt
nur bestimmte Merkmale, und Teile, die die gleichen sind, wie in 1 oder äquivalent
zu diesen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und ihre
Beschreibung ist weggelassen.
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Bei
dem in 14 gezeigten Hochfrequenzschalter 60 bezeichnen
die Bezugszeichen 61, 62, 63 und 64 Blindleitungselektroden
der Blindleitungen, an denen FET-Strukturen gebildet sind. Die Leitungen
auf jeder Seite der Blindleitungselektroden stellen Gateleitungen
dar. Die Beschreibung der Erdelektroden und des Gatespannungs-Eingangsanschlusses
ist weggelassen.
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Gemäß 14 sind
bei dem Hochfrequenzschalter 60 die vier Blindleitungselektroden 61, 62, 63 und 64 an
einer Seitenkante der Hauptleitungselektrode 12 an Positionen
angeschlossen, die um 16° der elektrischen
Länge voneinander
in Längsrichtung
der Hauptleitungselektrode 12 beabstandet sind. Die Län ge jeder
Blindleitungselektrode ist auf 110° der elektrischen Länge der
Signalfrequenz eingestellt. Außerdem
sind die Impedanz der Hauptleitung zu 75Ω und die Impedanz der Blindleitungen
zu 35 Ω eingestellt.
Bei dem so aufgebauten Hochfrequenzschalter 60 haben die
Blindleitungselektroden 61, 62, 63 und 64 jeweils
dieselbe Funktion wie die Blindleitung 31 in dem Hochfrequenzschalter 30.
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Auch
bei dem Hochfrequenzschalter 60 veranlasst ein gleichzeitiges
Ein- und Ausschalten der FETs der vier Blindleitungen, was jeweils
dem Aus- und Einschalten des Hochfrequenzschalters 60 entspricht,
dass die Hauptleitungselektrode 12 zur Zeit des Ausschaltens
des Hochfrequenzschalters an vier Positionen abschnittsweise an
einem Abschnitt ihrer Länge
geerdet wird. Die Erdung an den vier Positionen ermöglicht eine
verbesserte Erdung, als eine Erdung an zwei Positionen, weshalb
der Hochfrequenzschalter 60 im ausgeschalteten Zustand
Hochfrequenzsignale noch vollständiger
reflektiert.
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Da
bei dem Hochfrequenzschalter 60 die Blindleitungen an Positionen
an der Hauptleitungselektrode 12 angeschlossen sind, die
um 16° der
elektrischen Länge
in Längsrichtung
der Hauptleitungselektrode 12 versetzt sind, hat dieses
Ausführungsbeispiel
nicht den Vorteil der gegenseitig unsichtbaren Blindleitungen, um
gegenseitige schädliche
Einflüsse auszuschalten.
Jedoch hat der Hochfrequenzschalter 60 den Vorteil, dass
die Bandbreite der Frequenzen bei der Reflexion, wenn der FET ausgeschaltet ist
(d.h., wenn der Hochfrequenzschalter eingeschaltet ist) breiter
ist, so dass auch eine Konformität
bei anderen Frequenzen erreicht werden kann. Außerdem ist der Abstand der
Blindleitungen kurz, so dass die Größe des Hochfrequenzschalters
in Längsrichtung
verringert werden kann. Außerdem
ist die Hauptleitung kürzer,
so dass sich der Einfüge dämpfung verringert,
wenn der Schalter eingeschaltet ist.
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Außerdem ist
die Anzahl der Blindleitungen groß, so dass sich hier der Vorteil
ergibt, dass wegen der Reflexion der Hochfrequenzsignale zwischen den
Blindleitungen und dem Erdungswiderstand an den Blindleitungen,
wenn die FETs eingeschaltet sind, der elektrische Leistungsverbrauch
an jeder Blindleitung wächst
und auch die Einfügedämpfung im
ausgeschalteten Zustand wächst.
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15 veranschaulicht
die Durchlasskennlinien S21 und die Reflexionskennlinien S11 für den Ein-Zustand
und den Aus-Zustand des Hochfrequenzschalters 60. In 15 geben
die durchgezogenen Linien die Eigenschaften des eingeschalteten Hochfrequenzschalters 60 und
die gestrichelten Linien die Eigenschaften des ausgeschalteten Hochfrequenzschalters 60 an.
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Aus 15 ist
zu erkennen, dass, wenn der Hochfrequenzschalter 60 eingeschaltet
ist, der Verlust der Durchlasskennlinien S21 bei der Frequenz 76
GHz, die die Frequenz der Hochfrequenzsignale ist, extrem klein
ist, und zwar bei 0 dB liegt und die Reflexionskennlinien S11 über eine
weite Bandbreite um die Frequenz 76 GHz den Wert –15 dB oder
weniger haben, und der Hochfrequenzschalter 60 erreicht
dadurch ausreichende Signaldurchlasseigenschaften. Andererseits
ist, wenn der Hochfrequenzschalter 60 ausgeschaltet ist,
der Wert der Durchlasskennlinie S21 bei 76 GHz annähernd –33 dB,
und die Reflexionskennlinien S11 haben annähernd den Wert –3 dB, so
dass der Durchlasswert deutlich geringer ist als bei dem Hochfrequenzschalter 10,
und ergeben dadurch ausreichend gute Signalabschalteigenschaften
des Hochfrequenzschalters 60.
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Der
Grund, dass die Reflexionskennlinien S11 im eingeschalteten Zustand
zwei Minima haben, liegt an der erhöhten Anzahl der Blindleitungen.
Eigenschaften, wie z.B. die Frequenz der Minima, deren Abstand,
der Wert der Reflexion zwischen den Minima u.s.w, lassen sich durch
Abgleichen der Abstände
der Länge
und der Impedanz der Blindleitungen sowie der Impedanz der Hauptleitung
geeignet einstellen. Dies ist der Grund, weshalb die Länge der Blindleitungen
des Hochfrequenzschalters 60 auf 110° der elektrischen Länge eingestellt
ist.
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Somit
lassen sich bei dem Hochfrequenzschalter 60 die Reststromeigenschaften
im ausgeschalteten Zustand noch weiter verbessern.
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Es
ist zu bemerken, dass, obwohl bei dem Hochfrequenzschalter 60 der
Abstand zwischen den Blindleitungen 16° der elektrischen Länge beträgt, dies
nur ein Beispiel ist und bei bedarf frei eingestellt werden kann.
Auch die Anzahl der Blindleitungen kann frei gestaltet werden, sofern
zwei oder mehr Blindleitungen vorhanden sind. Außerdem können, obwohl bei dem Hochfrequenzschalter 60 die
Blindleitungen nur an einer Seite der Hauptleitungselektrode 12 angeschlossen
sind, die Blindleitungen an beiden Seiten der Hauptleitungselektrode 12 angeschlossen
sein, wie z.B. bei dem in 16 gezeigten Hochfrequenzschalter 70.
Insbesondere können
im Falle eines abwechselnden Anschlusses der Blindleitungen, wie
bei dem Hochfrequenzschalter 70, die Intervalle zwischen
den Blindleitungen noch kürzer
gemacht werden, als bei der Anordnung, bei der die Blindleitungen
nur auf einer Seite der Hauptleitungselektrode angeschlossen sind,
so dass die Größe des Hochfrequenzschalters
noch weiter verringert werden kann.
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Obwohl
die obigen Ausführungsbeispiele
ein Beispiel eines sogenannten SPST-(Single Pole Single Throw, one-on-one)-Schalters
beschrieben haben, bei dem ein Signal zwischen zwei Anschlüssen entweder
geleitet oder unterbrochen wird, lässt sich durch den Einsatz
einer Vielzahl der erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalter
ein sogenannter SPxT-(Single Pole x Throw, one-on-multiple)-Schalter
aufbauen.
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17 zeigt
schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters.
Das Diagramm in 17 ist vereinfacht und zeigt
nur gewisse Merkmale, und die Teile, die dieselben sind, wie die
in 1 oder mit ihnen äquivalent sind, haben dieselben
Bezugszeichen, und ihre Beschreibung ist weggelassen.
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Bei
dem in 17 gezeigten Hochfrequenzschalter 80 werden
zwei der in 14 gezeigten Hochfrequenzschalter 60 eingesetzt,
deren Enden unter Bildung eines dritten Anschlusses miteinander verbunden
sind. In 17 ist ein Ende eines Hochfrequenzschalters 60 mit
einem Anschluss 81 verbunden, ein Ende des anderen Hochfrequenzschalters 60 mit
einem Anschluss 82 und die anderen Enden der beiden Hochfrequenzschalter 60 gemeinsam mit
einem Anschluss 83 verbunden. Die Länge der Hauptleitungselektrode 12 vom
Anschlusspunkt der dem Verbindungspunkt der beiden Hochfrequenzschalter 60 am
nächsten
liegenden Blindleitungselektrode ist auf annähernd 90° der elektrischen Länge der
Hochfrequenzsignale eingestellt.
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Bei
dem derart konfigurierten Hochfrequenzschalter 80 wirkt
jeder Hochfrequenzschalter 60 als Schalter mit niedriger
Dämpfung
(geringem Verlust). Darüber
hinaus ist die elektrische Länge
der Hauptleitungselektroden 12 vom Verbindungspunkt der beiden
Hochfrequenzschalter 60 zum Anschlusspunkt der diesem Verbindungspunkt
am nächsten
liegenden Blindleitungselektrode an den Hauptleitungselektroden 12 allgemein
auf 90° der
elektrischen Länge
eingestellt, so dass im Fall der eine Hochfrequenzschalter 60 eingeschaltet
und der anderen Hochfrequenzschalter 60 ausgeschaltet ist,
der im Aus-Zustand befindliche Hochfrequenzschalter 60 der
Hauptleitungselektrode 12 als unendliche Impedanz erscheint.
Dies ist sozusagen dasselbe, als ob der Hochfrequenzschalter 60 im
Aus-Zustand nicht existieren würde.
Dies ermöglicht
die Realisierung eines SPDT-(Single Pole Double Throw, one-on-two)-Schalters
mit geringen Ungleichförmigkeiten
und einer kleinen Einfügungsdämpfung beim Einschalten.
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Es
ist zu bemerken, dass, obwohl die elektrische Länge der Hauptleitungselektrode 12 zwischen dem
Verbindungspunkt der beiden Hochfrequenzschalter 60 zu
dem Anschlusspunkt der diesem Verbindungspunkt am nächsten liegenden
Blindleitungselektroden auf annähernd
90° bezogen
auf die zu leitenden Hochfrequenzsignale eingestellt ist, dies einen
Idealfall betrifft, bei dem der Widerstandswert zwischen dem FET
jeder Blindleitung im Ein-Zustand und der Erde ausreichend klein
ist. In der Realität können Fälle in Betracht
gezogen werden, wo die Länge
der Hauptleitungselektrode 12 in diesem Abschnitt annähernd 80° der elektrischen
Länge der
zu leitenden Hochfrequenzsignale hat.
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Weiter
ist zu bemerken, dass, obwohl mit dem Hochfrequenzschalter 80 ein
SPDT-Schalter realisiert ist, auch in derselben Weise, beispielsweise durch
den Einsatz von drei oder mehr Hochfrequenzschaltern 60 ein
SPxT-Schalter aufgebaut werden kann.
-
Die
obigen Ausführungsbeispiele
haben als Grundstruktur den Aufbau des in 1 gezeigten Hochfrequenzschalters 10.
Bei dem Hochfrequenzschalter 10 wird beim Abschalten des
Schalters, d.h. wenn der FET-Teil eingeschaltet ist, das Gleichspannungspotenzial
des Gates zu 0 V eingestellt, was ebenfalls für Drain und Source gilt, so
dass weder am Gate noch an der Drain und der Source eine Vorspannung
anliegt. Allerdings ist auch in einem Zustand ohne Vorspannung die
Verarmungsschicht vorhanden. Dementsprechend kann auch eine weitere Reduktion
der Verarmungsschicht durch eine Vorwärtsvorspannung des Gates bezogen
auf Drain und Source in Betracht gezogen werden.
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Eine
Vorwärtsvorspannung
der Gateelektrode bezogen auf Drain und Source lässt einen Gatestrom fließen. Im
Falle einer grossen Gatebreite tritt aufgrund des Widerstands der
Gateelektrode ein Potenzialunterschied zwischen den Positionen nahe des
GatespannungsEingangsanschlusses und Positionen weiter weg davon
auf. Folglich gibt es, wie 18 veranschaulicht,
die Tendenz, dass der Potenzialunterschied wächst, je näher Drain und Source am Gatespannungseingangsanschluss
liegen und auch der Gatevorwärtsstrom
wächst.
Je größer der Gatevorwärtsstrom
ist, umso kleiner ist die Verarmungsschicht, und demgemäß umso kleiner
der Widerstand zwischen Drain und Source. Wenn man dies auf den
Hochfrequenzschalter 10 anwendet, ist der Einschaltwiderstand
Ron des FET-Teils pro Längeninkrement
der Blindleitungselektrode 15 an einer Seite der Blindleitungselektrode 15 größer (die
mit der Hauptleitungselektrode 12 verbundene Seite) und
am anderen Ende der Blindleitungselektrode kleiner. Vom Gesichtspunkt
dieser Erfindung, die fordert, dass die Erdung an wenigstens einem
Ende der Blindleitungselektrode 15 mit einem ausreichend kleinen
Widerstandswert erfolgen soll, ist dies nicht ideal.
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Dementsprechend
zeigt 19 eine ebene Ansicht eines
weiteren Ausfüh rungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters,
bei dem das zuletzt genannte Merkmal verbessert ist. In 19 sind
die Teile, die die gleichen sind, wie in 1 oder mit
ihnen äquivalent,
mit denselben Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung ist weggelassen.
Die Querschnittsansicht des FET-Abschnitts ist dieselbe wie in 2 und
ist deshalb ebenfalls weggelassen.
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Bei
dem in 19 gezeigten Hochfrequenzschalter 10' besteht der
einzige Unterschied zum Hochfrequenzschalter 10 gemäß 1 darin,
dass sich die Gateelektroden 20 von einem Ende der Blindleitungselektrode 15 weg
erstrecken und mit dem Gatespannungs-Eingangsanschluss 21 angeschlossen
sind. Bei dieser Gestaltung der Herausführung der Gateelektroden überlappt
die Verdrahtung von den Gateelektroden 20 zum Gatespannungseingangsanschluss 21 teilweise
die Hauptelektrode 12 und die Erdelektrode 16,
aber diese sind durch eine eine Luftbrückenstruktur dazwischen gespreizt
oder durch eine dazwischen eingelegte Isolierlage oder dergleichen
isoliert.
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Bei
dem derart aufgebauten Hochfrequenzschalter 10' befindet sich
das Gate, wenn das Gleichspannungspotenzial von Drain und Source
(Blindleitungselektrode 15 und Erdelektrode 16)
auf 0 V und das Gleichspannungspotenzial der Gateelektrode 20 z.B.
auf +1 V bezogen auf Drain und Source eingestellt sind, im vorwärts vorgespannten
Zustand, und dadurch wird die Verarmungslage 22 kleiner,
so dass Drain und Source annähernd
entlang der gesamten Länge
in Längsrichtung
der Blindleitungselektrode 15 über die Halbleiteraktivierlage 19 kurzgeschlossen sind.
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Darüber hinaus
wird, wie oben beschrieben, der Einschaltwiderstand Ron des FET-Abschnitts
pro Längeninkrement
der Blindleitungselektrode 15 für den Fall der Vorwärtsvorspannung
des Gates bezogen auf Drain und Source umso kleiner, je näher der Gatespannungs-Eingangsanschluss
liegt, so dass sich bei dem Hochfrequenzschalter 10', je näher man einem
Ende der Blindleitungselektrode 15 rückt, ein umso besserer Kurzschlusszustand
erzielen lässt. Demgemäß lässt sich
bei dem Hochfrequenzschalter 10' ein besserer Aus-Zustand realisieren
als bei dem Hochfrequenzschalter 10. Es ist zu bemerken,
dass im Ein-Zustand dieses Schalters die Gateelektrode bezogen auf
Drain und Source in inverser Richtung vorgespannt ist, so dass es
dabei keinen Unterschied in den Eigenschaften der Hochfrequenzschalter 10 und 10' gibt.
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Somit
erlaubt der Einsatz der Struktur des Hochfrequenzschalters 10' die Verbesserung
der Reststromeigenschaften beim Abschalten. Diese Struktur verbessert
den kurzgeschlossenen Zustand an dem einen Ende der Blindleitungselektrode
und kann demzufolge in derselben Weise eingesetzt werden, wie der
Hochfrequenzschalter in 8 und erzielt dieselben Vorteile
wie sie der in 8 gezeigte Hochfrequenzschalter 30 hat.
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Außerdem ermöglicht es
diese Art der Herausführung
der Gateelektroden die Reststromeigenschaften pro Blindleitungselektrode
zu verbessern, so dass diese Eigenschaften bei Schaltern, die eine Vielzahl
von Blindleitungselektroden verwenden, noch verbessert sind. D.h.,
dass sich mit der Herausführung
der Gateelektroden des Hochfrequenzschalters 10' wie bei dem
in 14 gezeigten Hochfrequenzschalter 60,
dieselben Isolationseigenschaften mit einer geringeren Anzahl von
Blindleitungselektroden erreichen lassen. Durch die Verringerung
der Anzahl der Blindleitungselektroden wird die Fläche des Hochfrequenzschalters
reduziert. Außerdem
bedeutet die Verringerung der Anzahl der Blindleitungselektroden,
dass die Einfügedämpfung beim
Einschalten reduziert werden kann. Dieser Vorteil ist nicht auf SPST-Schalter
beschränkt,
wie die Hochfrequenzschalter 10 und 60, sondern
stattdessen lassen sich dieselben Vorteile bei SPxT-Schaltern einschließlich SPDT-Schaltern,
wie bei dem in 17 gezeigten Hochfrequenzschalter 80 erreichen.
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Schließlich zeigt 20 ein
Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen elektronischen
Vorrichtung veranschaulicht. In 20 ist
die elektronische Vorrichtung 90 eine Radarvorrichtung,
die eine Sende/Empfangs-Schaltung 91, den erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalter 92 und
vier Antennen 93, 94, 95 und 96 aufweist.
Von diesen ist der Hochfrequenzschalter 92 ein Einzeleingangs-Vierausgangs-Hochfrequenzschalter
mit vier eingebauten Hochfrequenzschaltern, die so gestaltet sind,
dass die eingebauten Schalter aufeinanderfolgend in dieser Reihenfolge
eingeschaltet werden und eine der Antennen mit der Sende/Empfangs-Schaltung 91 über den
im Ein-Zustand befindlichen
eingebauten Hochfrequenzschalter verbinden, wodurch Signale gesendet
und empfangen werden. Die Ausrichtung der vier Antennen 93, 94, 95 und 96 ist
jeweils unterschiedlich, und deshalb kann die Radarvorrichtung durch
Umschalten der in dem Hochfrequenzschalter 92 eingebauten
Schalter in vier Richtungen arbeiten.
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Deshalb
kann mit der oben beschriebenen elektronischen Vorrichtung unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters 92 ein
Signalverlust durch die geringe Einfügungsdämpfung beim Einschalten verringert
und dadurch der elektrische Leistungsverbrauch reduziert werden.
Außerdem
verhindern die ausgezeichneten Reststromeigenschaften im ausgeschalteten
Zustand Fehlfunktionen, wie z.B. das Aussenden von Radarwellen in der
falschen Richtung oder das Erfassen von Objekten aus der falschen
Richtung.
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Während 20 eine
Radarvorrichtung als Beispiel der elektronischen Vorrichtung zeigt,
ist die Erfindung in keiner Weise auf Radarvorrichtungen beschränkt, sondern
stattdessen kann die Erfindung bei jeder Art elektronischer Vorrichtung
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Hochfrequenzschalters angewendet
werden.