JP2004320729A - 高周波スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は広通過帯域を要求される２入力２出力高周波スイッチに関するもので経路の通過損失を低減しインピーダンス整合をしやすい高周波スイッチを提供する。
【解決手段】この目的を達成するために、一辺に２つのアンテナ端子１１，１２の電極を設け、その対辺に送信端子１３、受信端子１４の電極を結んだ四角形とＰＩＮダイオード２１，２２，２３，２４を搭載する電極を結んだ四角形の各辺が平行にならない構成としたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は特に広通過帯域を要求される２入力２出力タイプの高周波スイッチに関するものである。

従来、２入力２出力タイプの高周波スイッチは図５に示すように２つのアンテナ端子１１とアンテナ端子１２を送信端子１３、受信端子１４に分配するために使用される。すなわち状態１（実線の矢印）の時にはアンテナ端子１１と送信端子１３、アンテナ端子１２と受信端子１４が接続され、状態２（破線の矢印）の時にはアンテナ端子１２と送信端子１３、アンテナ端子１１と受信端子１４が接続されている。通常このような高周波スイッチとしてはいわゆる化合物半導体、例えばＧａＡｓを使用したものやＰＩＮダイオードを使用したものが知られている。ＰＩＮダイオードは図６に示すように順方向に電圧を印加し電流を流した場合には導通状態となり、電圧を印加しないまたは逆方向の電圧を印加した場合には非導通状態となることを利用したスイッチとするものである。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平７−７４６７２号公報

図７は従来の高周波スイッチの電子部品の配置図を示している。ＰＩＮダイオード２１，２２，２３，２４及びインダクタ３２，３３，３４、バイパスコンデンサ４１，４２，４３，４４、抵抗５１，５２，５３，５４を回路基板７０の表層に配置している。

そして、ＰＩＮダイオードを用いて高周波スイッチを構成する場合、図８で示すようなＰＩＮダイオードの配置となり平面上において入力側のアンテナ端子１１，１２と出力側の送信端子１３、受信端子１４が図５に示すような一方が入力側、他方が出力側といった端子の配置構成にならず非常に使い勝手の悪い高周波スイッチとなるため、従来、図９に示すようにＰＩＮダイオードを実装する回路基板７０の内層でアンテナ入力端子１１，１２と出力側の送信端子１３、受信端子１４をＰＩＮダイオードの入出力端子と接続するためにパターン配線の引き回しをアンテナ端子１１から電極１１ａ、アンテナ端子１２から電極１２ａ、送信端子１３から電極１３ａ、受信端子１４から電極１４ａと配線することにより端子の入れ替えを行っていた。

しかし、このように端子を入れ替えることにより配線パターンが長くなり、通過損失が大きくなり、インピーダンス整合が難しくなるという欠点があった。

本発明は以上のような従来の課題を解決し通過損失を低減しインピーダンス整合をしやすい高周波スイッチを提供することを目的としている。

本発明の請求項１に記載の発明は、一辺に２つの入力電極を設け、その対辺に２つの出力電極を設けた回路基板と、この回路基板に搭載するＰＩＮダイオードと受動部品からなる高周波スイッチにおいて前記入力電極と出力電極を結んだ四角形と前記ＰＩＮダイオードを搭載する電極を結んだ四角形の各辺が平行にならない構成とした高周波スイッチであり、通過損失を低減しインピーダンス整合をしやすくすることができる。

本発明の請求項２に記載の発明は、回路基板は少なくとも１層以上の誘電体からなる積層体で構成した請求項１に記載の高周波スイッチであり、積層体の内部に容量を持たせることができ高周波スイッチを小型にすることができる。

本発明の請求項３に記載の発明は、誘電体はセラミック基板である請求項２に記載の高周波スイッチであり、積層体の内部に容量を持たせることができ高周波スイッチを小型にすることができる。

本発明の請求項４に記載の発明は、積層体は誘電率が異なるセラミック基板で構成した請求項３に記載の高周波スイッチであり、積層体の内部に容量を持たせることができ高周波スイッチを小型にすることができる。

本発明の請求項５に記載の発明は、ＰＩＮダイオードを搭載する電極を形成する積層体層の下の積層体層はグランド層を形成した請求項２に記載の高周波スイッチであり、線路の電磁シールドをすることができる。

本発明の請求項６に記載の発明は、ＰＩＮダイオードを搭載する電極の直下にはグランド層を形成しない請求項５に記載の高周波スイッチであり、電極周辺に寄生容量を発生させず高周波スイッチの性能を確保することができる。

本発明の請求項７に記載の発明は、入力電極及び出力電極とＰＩＮダイオードを搭載する電極とを結ぶ信号パターンを形成する積層体はグランドパターンを形成した積層体で挟んだ構成とした請求項１に記載の高周波スイッチであり、信号パターンに飛んでくる高周波ノイズを遮断し高周波スイッチの特性を確保することができる。

以上のように本発明は、一辺に２つの入力電極を設け、その対辺に２つの出力電極を設けた回路基板と、この回路基板に搭載するＰＩＮダイオードと受動部品からなる高周波スイッチにおいて前記入力電極と出力電極を結んだ四角形と前記ＰＩＮダイオードを搭載する電極を結んだ四角形の各辺が平行にならない構成としたことにより経路の通過損失を低減しインピーダンス整合をしやすくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は本発明の高周波スイッチの回路図である。アンテナ端子１１及び１２と送信端子１３、受信端子１４とスイッチとしてＰＩＮダイオード２１，２２，２３，２４とこのＰＩＮダイオードに電流を流す直流電圧を印加するためのインダクタ３１，３２，３３，３４とダイオードに流す電流を制限するためのバイパスコンデンサ４１，４２，４３，４４と抵抗５１，５２，５３，５４とダイオードの流す電流を供給するための電源端子６１，６２，６３，６４で構成している。

次に、この回路動作について説明する。電源端子６１，６３に３Ｖの電圧を印加し、電源端子６２，６４は接地する。抵抗を調整してダイオードに例えば５ｍＡの電流が流れる抵抗値にしておく。この状態においてダイオード２１，２２には順方向電圧がかかり、電流が流れ導通状態となる。一方、ダイオード２３，２４には逆方向電圧となり電流が流れないため非導通状態のままである。

したがってアンテナ端子１１から印加された高周波信号は送信端子１３へと出力され、アンテナ端子１２、受信端子１４へは出力されない。またアンテナ端子１２から印加された高周波信号は受信端子１４へと出力されアンテナ端子１２、送信端子１３へは出力されない。

また、電源端子６２，６４に３Ｖの電圧を印加し、電源端子６１，６３は接地する。抵抗を調整してダイオードに例えば５ｍＡの電流が流れる抵抗値にしておく。この場合はダイオード２３，２４には順方向電圧がかかり、電流が流れ導通状態となる。しかしダイオード２１，２２は逆方向電圧となり電流が流れないため非導通状態のままである。したがってアンテナ端子１１から印加された高周波信号は受信端子１４へと出力され、アンテナ端子１２、送信端子１３へは出力されない。またアンテナ端子１２から印加された高周波信号は送信端子１３へと出力されアンテナ端子１１、受信端子１４へは出力されない。

次に、図２は高周波スイッチを構成した回路基板７０の表面に実装した各電子部品の配置図である。そして、図３（ａ）は回路基板７０の各層の断面図を示している。図３の（ｂ）は２層目のグランドパターン７１を示している。電極１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａはビア７５を介して表層のＰＩＮダイオード２１，２２，２３，２４を実装する電極と接続している。これは、図１に示すようにＰＩＮダイオードを使用したスイッチは周辺回路を構成する部品が多数有り、これらの部品が浮遊容量を形成するので広帯域スイッチに使用した場合には特に高周波域での整合がとりにくく通過損失の増大を招き、性能劣化を起こすという欠点がある。特に、高周波領域を対象としたスイッチの場合は各端子間のアイソレーションを確保するためにグランド層を各所に挿入する必要があるためこの現象が顕著となる。そのため、図３（ｂ）から明らかなように特にＰＩＮダイオード２１，２２，２３，２４を実装する電極の直下にはグランド層を形成しないように構成している。特に使用周波数帯が高い場合には、図３（ｃ）のようにＰＩＮダイオード２１，２２，２３，２４を実装する部分の直下にも、グランドパターン７１を形成しないことが好ましい。もちろんいずれか１つのＰＩＮダイオードの直下に、グランドパターン７１を形成しないだけでも効果はある。この構成とすることで電極周辺に発生する浮遊容量を防止し高周波スイッチの特性を確保している。図３（ｄ）は３層目の配線パターンを示している。入力電極としてのアンテナ端子１１と１２、出力電極としての送信端子１３と受信端子１４からそれぞれＰＩＮダイオードを接続するために電極１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａまで配線するパターンである。図３（ｅ）は４層目のグランドパターン７２を示している。アンテナ端子１１，１２と送信端子１３および受信端子１４を最下層に形成した外部接続電極と接続している（図示せず）。

このように各層に形成したパターンは図３（ａ）に示すビア７５で層間を電気的に接続している。そして図３（ｄ）の配線パターンを上下の層に形成したグランドパターンにより高周波ノイズを遮断し高周波スイッチとしての特性を確保している。

この図３（ｄ）と図２から明らかなように回路基板７０の外周部に配置したアンテナ端子１１，１２と送信端子１３、受信端子１４を結んだ四角形とＰＩＮダイオードの電極を結んだ四角形の各辺が平行にならない構成となっている。

この構成にすることにより、図７で示すような回路基板７０の外周部に配置したアンテナ端子１１，１２と送信端子１３、受信端子１４を結んだ四角形とＰＩＮダイオードの電極を結んだ四角形の各辺が平行になる構成と比較すると図４の周波数と通過特性のグラフに示すようにａは図３に示す端子１１から端子１４の経路の損失、ｂは図９に示す端子１１から端子１４の経路の損失を示しており比較的低い周波数、４ＧＨｚくらいまでは両者ほとんど差はないが、例えば６ＧＨｚにおける損失ａは１．８ｄＢ、ｂは２．３ｄＢとなり通過損失を０．５ｄＢよくすることができる。

このようにＰＩＮダイオードを配置する構成で配線パターンによる伝送線路の長さが大きく異なりそれにともなう整合のずれによって経路の通過損失が起きていることがわかる。そして本発明のようなＰＩＮダイオードの構成を行うことによって経路の通過損失を低減することが可能となる。

また、図２において実装しているバイパスコンデンサ４１，４２，４３，４４を回路基板７０に内蔵することも可能である。

その際、樹脂基板と比較して誘電率が高いセラミック基板を使用することでコンデンサ４１，４２，４３，４４を回路基板７０の内部に形成したり、誘電率の異なるセラミック基板を用いることで更に高周波特性に応じたバイパスコンデンサを積層体の内部に形成することができることにより部品点数を削減できるのと同時に実装面積を削減することができるので高周波スイッチを更に小型にすることができる。

以上のように本発明は、一辺に２つの入力電極を設け、その対辺に２つの出力電極を設けた回路基板と、この回路基板に搭載するＰＩＮダイオードと受動部品からなる高周波スイッチにおいて前記入力電極と出力電極を結んだ四角形と前記ＰＩＮダイオードを搭載する電極を結んだ四角形の各辺が平行にならない構成としたことにより経路の通過損失を低減しインピーダンス整合をしやすくすることができる。

本発明の高周波スイッチの回路図 本発明の高周波スイッチの電子部品の配置図 （ａ）本発明の高周波スイッチの回路基板の断面図、（ｂ）本発明の高周波スイッチの２層目のグランドパターンを示す図、（ｃ）本発明の高周波スイッチの２層目の、他のグランドパターンを示す図、（ｄ）本発明の高周波スイッチの３層目のグランドパターンを示す図、（ｅ）本発明の高周波スイッチの４層目のグランドパターンを示す図 高周波スイッチの周波数と通過特性の比較グラフ 高周波スイッチの概念図 ＰＩＮダイオードの特性図 従来の高周波スイッチの電子部品の配置図 ＰＩＮダイオードの配置図 従来の高周波スイッチの回路配線図

符号の説明

１１，１２ アンテナ端子
１３ 送信端子
１４ 受信端子
２１，２２，２３，２４ ＰＩＮダイオード
３１，３２，３３，３４ インダクタ
４１，４２，４３，４４ バイパスコンデンサ
５１，５２，５３，５４ 抵抗
６１，６２，６３，６４ 電源端子

Claims (7)

1. 一辺に２つの入力電極を設け、その対辺に２つの出力電極を設けた回路基板と、この回路基板に搭載するＰＩＮダイオードと受動部品からなる高周波スイッチにおいて、前記入力電極と出力電極を結んだ四角形と前記ＰＩＮダイオードを搭載する電極を結んだ四角形の各辺が平行にならない構成とした高周波スイッチ。
2. 回路基板は少なくとも１層以上の誘電体からなる積層体で構成した請求項１に記載の高周波スイッチ。
3. 誘電体はセラミック基板である請求項２に記載の高周波スイッチ。
4. 誘電率が異なるセラミック基板で構成した請求項３に記載の高周波スイッチ。
5. ＰＩＮダイオードを搭載する電極を形成する積層体層の下の積層体層はグランド層を形成した請求項２に記載の高周波スイッチ。
6. ＰＩＮダイオードを搭載する電極の直下にはグランド層を形成しない請求項５に記載の高周波スイッチ。
7. 入力電極及び出力電極とＰＩＮダイオードを搭載する電極とを結ぶ信号パターンを形成する積層体はグランドパターンを形成した積層体で挟んだ構成とした請求項１に記載の高周波スイッチ。

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