JP2009159058A - 高周波スイッチ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧回路を使用することなく、高調波信号の発生を削減させることのできる高周波スイッチ回路を提供する。
【解決手段】一端が第１ポートに接続され、他端が接地された第１のスイッチと、一端が第２ポートに接続され、他端が位相回転素子を介して第１ポートに接続された第２のスイッチと、第１ポートに入力される高周波信号を第２ポートから出力する際に、第１のスイッチをＯＦＦ状態に、第２のスイッチをＯＮ状態に制御する制御回路とを備え、制御回路は、第１のスイッチで発生する高周波信号の高調波成分が増加するよう第１のスイッチのＯＦＦ状態を制御し、位相回転素子は、第１のスイッチで発生する高調波成分に対して高調波成分の周波数帯で位相回転を与え、位相回転された第１のスイッチで発生する高調波成分と第２のスイッチで発生する高調波成分とを逆相で相殺させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は携帯電話機等の無線通信装置において周波数帯の切り替えや送信信号と受信信号との切り替え等に使用される高周波スイッチ回路に関する。

携帯電話機等のバッテリ駆動の無線通信装置において、送受信の切り替えや無線機のモードの切り替えの為にＦＥＴで構成される高周波スイッチを用いた高周波スイッチ回路が広く使用されている。
このようなＦＥＴを高周波スイッチとして用いた高周波スイッチ回路では、大電力の送信信号を通過させるときＦＥＴの非線形特性から送信信号に歪みが発生し、送信高周波信号の高調波成分が発生するという問題点がある。

図５は従来の高周波スイッチ回路の構成を示す図である。
送信側端子１０とアンテナ側端子３０との間に高周波スイッチ５０が接続され、受信側端子２０とアンテナ側端子３０との間に高周波スイッチ６０が接続される。
また送信側端子１０に一端が接続され、他端が接地される高周波スイッチ４０と受信側端子２０に一端が接続され他端が接地された高周波スイッチ７０も設けられる。

これらの高周波スイッチ４０，５０，６０，７０のＯＮ・ＯＦＦ制御はこれらのスイッチの制御端子に図示しない制御回路から印加される印加電圧により行われる。
すなわちそれぞれの制御端子に０ボルトが印加されると高周波スイッチはＯＦＦ状態となり２．５〜４．２ボルト程度の電圧が印加されるとＯＮ状態となる。
送信時には高周波スイッチ５０と高周波スイッチ７０とをＯＮ状態とし、高周波スイッチ４０，６０をＯＦＦ状態となるように制御する。

このとき高周波スイッチの高出力時における歪みの発生を低減する方法として図５に示すような昇圧回路８０を利用する方法が知られている。
この場合２．５〜４．２ボルト程度の制御用信号を昇圧回路８０により７〜９ボルト程度に昇圧し、この昇圧された電圧を高周波スイッチ５０及び高周波スイッチ７０の制御端子に印加してＯＦＦ時の高周波スイッチ４０及び６０のゲート・ドレイン／ソース間の電位差を制御用信号電圧２．５〜４．２ボルトよりも高く設定することにより、ＯＦＦ状態にある高周波スイッチ４０及び６０の歪の発生を少なくする。

図６は従来技術による高周波スイッチ回路の基本構成を示す図で、高周波スイッチとしてＳＰＳＴを用いた場合の例を示している。
すなわち、従来のＳＰＳＴによる高周波スイッチ回路では、ＯＦＦ状態にある高周波スイッチ４０で発生する高周波信号の歪みを押さえ、すなわち歪みを良くすることにより送信側端子１０から入力される高周波信号Ａがアンテナ側端子３０に到達した際の二次高調波２ｆ_０及び三次高調波３ｆ_０の発生の少ない高周波信号Ｆを得るようにしている。

図７は従来の高周波スイッチ回路で発生する高調波発生の原理説明図である。
送信側端子１０に印加された高周波信号Ａがアンテナ側端子３０に伝達される際に、ＯＦＦ状態にある高周波スイッチ４０により発生する歪みに起因する高調波の発生は、昇圧回路の出力電圧を７〜９ボルトと高くすることによって図７に示すようにＥ_１の状態からＥ_２の状態へと低減させることができる。

一方、ＯＮ状態にある高周波スイッチ５０を介して伝送される高周波信号Ａによっても高調波は発生し、これがＣの状態として図７に示されている。
このＯＦＦ状態にある高周波スイッチ４０で発生した高調波Ｅ２とＯＮ状態にある高周波スイッチ５０により発生した高調波Ｃとは重ね合わされることによりＦの状態で示されるような高調波を含んだ高周波信号がアンテナ端子３０から出力される。

このように、従来技術による低歪み化方法ではＯＦＦ状態にある高周波スイッチ４０から発生する高調波は低減されるものの、ＯＮ状態にある高周波スイッチ５０で発生する歪みがかなり大きく、これによる高調波を加えると結果的にはさほどの低歪み化の効果が発揮できないという問題点があった。
このような高周波スイッチによる歪みに起因する高調波の発生を低減する方法として特許文献１に記載されている方法が知られている。
特開２００５−０５７３７５

特許文献１に記載されている発明ではアンテナ側端子と送信側端子との間に位相調整用線路とローパスフィルタとを挿入し、高周波スイッチにおいて発生する高調波の進行波とこの進行波がローパスフィルタで反射して発生する反射波との合成波の電力が小さくなるように進行波と反射波との位相差を調整するようにしている。

このように高周波スイッチの歪みに起因する高調波の発生を押さえる方法は種々提案されているが、前述した昇圧回路を用いる方法では昇圧電圧が高いほど昇圧回路での消費電力が増加するという問題がある。
また仮に昇圧回路を設けたとしても、前述したようにそれほどの高調波発生の低減には繋がらないという問題がある。また特許文献１に記載された方法ではローパスフィルタや位相調整用線路等の素子が必要となり、携帯電話機等の端末機を低コスト化し或いは小型化することが困難となる。

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもので昇圧回路を用いることなく簡単な回路素子を付加するだけで高調波成分を低減することのできる高周波スイッチ回路を提供することを目的とする。

本発明の高周波スイッチ回路は、一端が第１ポートに接続され、他端が接地された第１のスイッチと、一端が第２ポートに接続され、他端が位相回転素子を介して前記第１ポートに接続された第２のスイッチと、前記第１ポートに入力される高周波信号を前記第２ポートから出力する際に、前記第１のスイッチをＯＦＦ状態に、前記第２のスイッチをＯＮ状態に制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記第１のスイッチで発生する前記高周波信号の高調波成分が増加するよう前記第１のスイッチのＯＦＦ状態を制御し、前記位相回転素子は、前記第１のスイッチで発生する前記高調波成分に対して前記高調波成分の周波数帯で１８０°以内の位相回転を与え、前記位相回転された前記第１のスイッチで発生する前記高調波成分と前記第２のスイッチで発生する高調波成分とを逆相で相殺させることを特徴としている。

これにより、第１のスイッチで発生する高調波成分は位相回転を受け第２のスイッチで発生する高調波成分と逆相で相殺されることになる。前記位相回転は１８０°以内とすることができる。
これにより、残存する高調波は極めて少なくなる。
また本発明は前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとを電界効果トランジスタで構成し、前記第１のスイッチのＯＦＦ状態の制御は前記電界効果トランジスタのゲート・ドレイン／ソース間電位差を小さくして前記高周波信号の歪みを大きくすることを特徴としている。
このように構成することにより、従来必要としていた昇圧回路を必要とせず回路構成が簡素化できる。

また、本発明の位相回転素子は基板上に形成された伝送線路とすることができる。
さらに伝送線路としてはマイクロストリップライン又はストリップラインで構成できる。
さらに位相回転素子をインダクタで構成することも可能となる。
このように構成することにより、位相回転素子を簡単な回路構成により基板上に形成することができる。

また本発明では前記制御回路は、第１のスイッチによる前記高周波信号の歪み量と前記第２のスイッチによる前記高周波信号の歪み量とがほぼ同量となるような制御電圧を前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとに供給するようにしている。
このように構成することにより、第１のスイッチによる高周波信号の歪み量と第２のスイッチによる高周波信号の歪み量とが同量のため発生する高調波が互いに逆相で相殺される。
したがって残存する高調波成分を極めて小さくすることができる。

本発明では、昇圧回路を用いることなく簡単な回路素子を付加するだけで高調波成分を低減することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る高周波スイッチ回路の実施の形態について説明する。
なお、以下の図面において従来の構成と同一部分には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。

図１は本発明に係る高周波スイッチ回路の基本構成を示す図である。
本発明の高周波スイッチ回路は図１に示すように一端が送信側端子１に接続され、他端が接地された高周波スイッチ３と一端がアンテナ側端子２に接続され、他端が位相回転素子５を介して送信側端子１に接続された高周波スイッチ４とで構成され、さらに、この高周波スイッチ３および４を制御するための図示しない制御回路とが備えられている。
そして送信側端子１に入力される高周波信号をアンテナ側端子２に出力する際には高周波スイッチ３をＯＦＦ状態に、高周波スイッチ４をＯＮ状態に制御する。

その際、制御回路は高周波スイッチ３で発生する高周波信号の高調波成分が増加するように高周波スイッチ３のＯＦＦ状態を制御する。
すなわち、高周波スイッチ３を構成するＦＥＴのゲート・ドレイン／ソース間の電位差を小さくしてこのＦＥＴスイッチが発生する歪みを大きくする、すなわち、歪みを悪くすることにより高調波成分を増加させる。
このようにスイッチに供給するコントロール電圧を低くすることで歪みを大きくすることができるので従来のように昇圧回路を必要としない。

図２は本発明による高周波スイッチ回路において高調波成分を低減できることの原理説明図である。
すなわち図１及び図２に示すように送信側端子１からＤで示されるような状態の高周波信号を入力した場合、アンテナ側端子２からＢで示されるような状態の信号が得られるようにする。
すなわちＤで示される状態では第２高調波２ｆ_０、三次高調波３ｆ_０は殆ど見られない。

図２に示すように送信側端子１からＡで示すような状態の高周波信号を入力した場合、高周波スイッチ３の歪みが大きいため発生する高調波成分は増加する。
この大きな高調波成分を有する高周波信号は位相回転素子を通過することにより反転されてＢに示されるような状態でアンテナ側端子２に出力される。
一方、ＯＮ状態にある高周波スイッチ４を通過した高周波信号はＣで示されるような状態で高調波成分を含んでアンテナ側端子２に出力される。

このときＢの状態にある高調波成分とＣの状態にある高調波成分とは大きさがほぼ等しく位相が逆相となるようにしておけば、結局アンテナ側端子２からはＢの状態にある信号とＣの状態にある信号とが足し合わされて高調波成分は相殺され、Ｄの状態で出力されることになる。
なおこのように高調波成分を逆相で相殺させるためには、高周波スイッチ３で発生する高調波成分に対して、この高調波成分の周波数帯で１８０°以内の位相回転を与えるように位相回転素子５を設定する必要がある。

これを実現するためには高周波スイッチ３と４とを電界効果トランジスタで構成し、高周波スイッチ３のＯＦＦ状態の制御はこの電界効果トランジスタのゲート・ドレイン／ソース間の電位差を小さくして高周波信号の歪みを大きくする必要がある。
なお本発明で用いられる位相回転素子は基板上に形成された伝送線路とすることができ、この伝送線路としてはマイクロストリップライン又はストリップラインをＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板上で構成することにより実現できる。
また位相回転素子はインダクタで構成することもできる。

このように、従来のような昇圧回路を使用することなく低電圧かつ線形性の高い高周波スイッチ回路が実現できるため、消費電力を低減させることができる。
また挿入損失に関しては、入力される高周波信号の位相変化が起きても位相回転素子５により調整ができるため影響はない。
なお、図１及び図２に示す回路では説明の便宜上ＳＰＳＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ， Ｓｉｎｇｌｅ Ｔｈｒｏｗ）で説明したが、ＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ， Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）やＳＰ３Ｔ、さらにはＤＰＤＴ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｐｏｌｅ， Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）などのＭＰＭＴ（Ｍｕｌｔｉ Ｐｏｌｅ， Ｍｕｌｔｉ Ｔｈｒｏｗ）といったマルチポートの高周波スイッチを使用した場合でも本発明の高周波スイッチ回路が実現できることに変わりはない。

図３は送信側端子２に入力される高周波信号の周波数ｆ_０を１．９ギガヘルツとした場合の位相変化量と高調波発生量との関係を示す図である。
図３（ａ）は第２高調波の場合を（ｂ）は第３高調波の場合をそれぞれ示している。
特性曲線イはスイッチに供給されるコントロール電圧が５．５ボルトの場合を、ロは５．０ボルトの場合を、ハは４．５ボルトの場合をそれぞれ示している。

図から明らかなようにコントロール電圧が小さくなるほど歪み量が大きくなり位相変化に対する高調波の信号レベルの変化が大きくなるが、特定の位相例えば第２高調波の場合には１３０°近辺で高調波の信号のレベルはピークとなる。
また第３高調波の場合には１８０°近辺でピークとなる。

図４は本発明の高周波スイッチ回路の実施例を示す図である。
送信側端子１と接地との間にはＦＥＴスイッチ３ａが短絡用キャパシタ６を介して直列に接続されている。
また送信側端子１とアンテナ側端子２との間にはマイクロストリップライン５ａを介してＦＥＴスイッチ４ａが接続されている。

送信側端子（ポート１）とアンテナ側端子２（ポート２）とを接続状態にするには、ＦＥＴスイッチ３ａのゲートに印加する制御電圧を０ボルトに、ＦＥＴスイッチ４ａのゲートに印加する制御電圧を正の電圧とすれば、それぞれのＦＥＴスイッチはＯＦＦ状態及びＯＮ状態となりポート１とポート２とが接続状態となる。この時の制御電圧である正の電圧は図５に示す従来の回路で使用するよりも小さく携帯端末で使用されるバッテリの出力電圧程度で十分である。

ここで、この正の電圧値によるＦＥＴスイッチ３ａとＦＥＴスイッチ４ａの歪みの発生について説明する。
この正のコントロール電圧を７ボルト程度の高い電圧にした場合、このＦＥＴスイッチ４ａはＯＮ状態となり、そのダイオード特性によりゲート・ドレイン間電圧（Ｖｇｓ２）は０．６ボルト程度になるので、ドレイン／ソースの電位は６．４ボルトになる。

一方、ＦＥＴスイッチ３ａのドレイン／ソースの電位はＦＥＴスイッチ４ａと同じ６．４ボルトとなるのでこのＦＥＴのゲート・ドレイン／ソース間の電圧Ｖｇｓ１は−６．４ボルトとなり、ＯＦＦ状態となる。
同様に、この正の電圧を４．５ボルト程度に低くした場合、ＦＥＴスイッチ４ａのゲート・ドレイン／ソース間電圧Ｖｇｓ２は０．６ボルト、ＦＥＴスイッチ３ａのゲート・ドレイン／ソース間の電圧差Ｖｇｓ１は−３．９ボルトとなる。
このようにコントロール電圧である正の電圧値を小さくすると、ＦＥＴスイッチ４ａのゲート・ドレイン／ソース間電圧だけが変化する。

一般に、ＯＦＦ状態のＦＥＴスイッチではゲート・ドレイン／ソース間の電圧差の絶対値が大きいほど歪みの発生は小さい。
また７ボルト程度の高い電圧ではＯＦＦ状態のＦＥＴスイッチ３ａの歪み量はＯＮ状態のＦＥＴスイッチ４ａの歪み量と比べて小さい。
このような場合、マイクロストリップライン５ａを用いて逆相で相殺させる効果は少ない。

一方、正の電圧値を低くした場合、前述したようにＦＥＴスイッチ３ａのみ歪み量が大きくなり、ＦＥＴスイッチ４ａと同量の歪みとなる正の電圧が存在する。
このときが一番マイクロストリップライン５ａを用いて逆相で相殺させる効果が大きくなる。
また挿入損失に関してはマイクロストリップライン５ａで調整ができるため入力される高周波信号の位相変化が起きても影響はない。

本発明による高周波スイッチ回路の基本構成を示す図。 本発明の高周波スイッチ回路により高調波成分に改善が見られることを説明するための原理説明図。 位相回転量とＳＰＳＴの高調波成分の関係を示す図。 本発明の一実施例を示す高調波スイッチ回路の構成図。 従来の高調波スイッチ回路の構成図。 従来の高周波スイッチ回路の基本構成図。 従来の回路による高調波発生の原理説明図。

符号の説明

１ 送信側端子
２ アンテナ側端子
３ ＯＦＦ状態にある高周波スイッチ
４ ＯＮ状態にある高周波スイッチ
５ 位相回転素子

Claims (7)

1. 一端が第１ポートに接続され、他端が接地された第１のスイッチと、
   一端が第２ポートに接続され、他端が位相回転素子を介して前記第１ポートに接続された第２のスイッチと、
   前記第１ポートに入力される高周波信号を前記第２ポートから出力する際に、前記第１のスイッチをＯＦＦ状態に、前記第２のスイッチをＯＮ状態に制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記第１のスイッチで発生する前記高周波信号の高調波成分が増加するよう前記第１のスイッチのＯＦＦ状態を制御し、
   前記位相回転素子は、前記第１のスイッチで発生する前記高調波成分に対して前記高調波成分の周波数帯で位相回転を与え、前記位相回転された前記第１のスイッチで発生する前記高調波成分と前記第２のスイッチで発生する高調波成分とを逆相で相殺させることを特徴とする高周波スイッチ回路。
2. 前記位相回転が１８０°以内であることを特徴とする請求項１に記載の高周波スイッチ回路。
3. 前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとを電界効果トランジスタで構成し、前記第１のスイッチのＯＦＦ状態の制御は、前記電界効果トランジスタのゲート・ドレイン／ソース間の電位差を小さくして、前記高周波信号の歪みを大きくすることを特徴とする請求項１に記載の高周波スイッチ回路。
4. 前記位相回転素子が、基板上に形成された伝送線路であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波スイッチ回路。
5. 前記伝送線路が、マイクロストリップライン又はストリップラインであることを特徴とする請求項４に記載の高周波スイッチ回路。
6. 前記位相回転素子が、インダクタであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波スイッチ回路。
7. 前記制御回路は、
   前記第１のスイッチによる前記高周波信号の歪み量と前記第２のスイッチによる前記高周波信号の歪み量とがほぼ同量となるような制御電圧を前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとに供給することを特徴とする請求項３に記載の高周波スイッチ回路。

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