JP2010074731A - 高周波半導体スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】低挿入損失とするために素子数を増加させず、高アイソレーションを実現することができる高周波半導体スイッチを提供する。
【解決手段】本発明の高周波半導体スイッチは、入力端子と、第1出力端子と、第2出力端子と、入力された高周波を第1・第2出力の何れから出力するかを制御する制御端子を有し、入力端子と第１出力端子間に直列に接続された第1インピーダンス変換線路、第1線路、第2インピーダンス変換線路と、入力端子と第2出力端子間に直列に接続された第3インピーダンス変換線路、第2線路、第4インピーダンス変換線路と、第1線路及び第2インピーダンス変換線路の接続点にカソードが接続され、アノードが接地された第1ダイオードと、第2線路及び第4インピーダンス変換線路の第2接続点にアノードが接続され、カソードが接地された第2ダイオードと、入力及び制御端子の間に介挿されたインダクタとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波半導体スイッチに係わり、特に時分割多重通信方式の無線機のアンテナを切り替える際に用いられる高周波半導体スイッチに関する。

時分割多重方通信方式の無線機のアンテナ切り替え回路には、従来から機械的なリレーを用いた方法が用いられていた。
しかしながら、アンテナの切り替え速度の高速化に対応し、高周波ＦＥＴやピンダイオードなどの半導体素子を使用した無接点の切り替え回路（高周波半導体スイッチ）が現在の主流となっている（例えば、特許文献１参照）。
すなわち、高周波半導体スイッチは、図５に示すように、入力端子Ｔiから入力される高周波信号を、コイルＬを付加した制御端子Ｔcに印加する制御信号により、ピンダイオードＤ１またはＤ２の抵抗値をほぼ「０」、あるいは∞に制御することにより、出力端子Ｔo1あるいは出力端子Ｔo2のいずれかから出力させるかを切り替える。

例えば、制御端子Ｔｃに対し、接地電圧より高い電圧Ｖ＋を印加することにより、ピンダイオードＤ１に逆方向電流が流れ、ピンダイオードＤ２に順方向電流が流れるようにし、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo1との間をオン状態、一方、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo2との間をオフ状態とする。
逆に、制御端子Ｔｃに対し、接地電圧より低い電圧Ｖ−を印加することにより、ピンダイオードＤ１に純方向電流が流れ、ピンダイオードＤ２に逆方向電流が流れるようにし、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo1との間をオフ状態、一方、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo2との間をオン状態とする。

上記半導体素子を使用した高速アンテナ切り替え回路の回路間のアイソレーションは、高速アンテナ切り替え回路に使用する半導体素子の個数にもよるが、Ｌバンド帯（波長が１５６５〜１６２５ｎｍの光通信波長帯）において、１素子で構成した場合に２０ｄＢ程度のアイソレーションが現時点において実現可能な数値となっている。ここで、アイソレーションとは、入力端子Ｔiから入力される高周波信号を、出力端子Ｔo1から出力する場合、オフ状態となっている出力端子Ｔo2から、この高周波信号による電流が漏れる量を示している。
特開平０９−２１９６０２号公報

上述したアンテナ切り替え回路は、使用する素子数と、アイソレーション及び挿入損失との関係において、素子数を増加させると増加した数に比例してアイソレーションが増加するが、同様に増加した数に比例して、高周波信号に対する挿入損失も増加する。
したがって、アンテナ切り替え回路に対しては、高アイソレーションであり、かつ低挿入損失であることが要求されている。
しかしながら、高アイソレーションと低挿入損失とは相反する特性であり、アイソレーションを高くし、かつ低挿入損失とすることは非常に困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、低挿入損失とするために素子数を増加させず、高アイソレーションを実現することができる高周波半導体スイッチを提供することを目的とする。

本発明の高周波半導体スイッチは、入力端子と、第１出力端子と、第２出力端子と、前記入力端子から入力された高周波信号を前記第１出力端子または前記第２出力端子のいずれから出力するかを制御する制御端子とを有する高周波半導体スイッチであり、前記入力端子に一端が接続された第１インピーダンス変換線路と、前記第１インピーダンス変換線路の他端に一端が接続された第１線路と、前記第１線路の他端に一端が接続され、他端が前記第１出力端子に接続された第２インピーダンス変換回路と、前記第１線路及び前記第２インピーダンス変換線路の第１接続点にカソードが接続され、アノードが接地点に接続された第１ダイオードと、前記入力端子に一端が接続された第３インピーダンス変換線路と、前記第３インピーダンス変換線路の他端に一端が接続された第２線路と、前記第２線路の他端に一端が接続され、他端が前記第２出力端子に接続された第４インピーダンス変換回路と、前記第２線路及び前記第４インピーダンス変換線路の第２接続点にアノードが接続され、カソードが接地点に接続された第２ダイオードと、前記入力端子及び前記制御端子の間に介挿されたインダクタとを有する。

本発明の高周波半導体スイッチは、前記第１インピーダンス変換線路が、前記入力端子の入力特性インピーダンスを前記第１線路の第１特性インピーダンスに変換する第１変換特性インピーダンスに設定され、前記第２インピーダンス変換線路が、前記第１特性インピーダンスを第１出力端子の第１出力特性インピーダンスに変換する第２変換特性インピーダンスに設定され、前記第３インピーダンス変換線路が、前記入力端子の入力特性インピーダンスを前記第２線路の第２特性インピーダンスに変換する第３変換特性インピーダンスに設定され、前記第４インピーダンス変換線路が、前記第２特性インピーダンスを第２出力端子の第２出力特性インピーダンスに変換する第４変換特性インピーダンスに設定されていることを特徴とする。

本発明の高周波半導体スイッチは、前記第１から第４インピーダンス変換線路が、送信信号の中心周波数の１／４波長の電気長を有することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、線路を挟んでインピーダンス変換線路を用い、必要なアイソレーションに対応するインピーダンス値に線路を調整した後、この線路の特性インピーダンス値を入力端子及び出力端子との特性インピーダンス値に対応させるように、線路（第１線路、第２線路）を挟んで形成される上記インピーダンス変換線路（第１及び第２インピーダンス変換線路の組、あるいは第３及び第４インピーダンス変換線路の組）を用いてインピーダンス変換を行うため、ピンダイオードの数を従来のピンダイオードを使用した高周波半導体スイッチの数を増加させず、すなわち、端子間の高周波信号が通過する際の挿入損失を増加させることなく、入力端子とオフ状態にある出力端子との間のアイソレーションを増加させることができる。

以下、本発明の一実施形態による高周波半導体スイッチを図面を参照して説明する。図１は同実施形態による高周波半導体スイッチの構成例を示すブロック図である。
この図において、高周波半導体スイッチ１は、入力端子Ｔi、出力端子Ｔo1、出力端子Ｔo2及び制御端子Ｔcを有している。上記入力端子Ｔiは、インダクタＬの一端に接続されている。インダクタＬは、他端が制御端子Ｔcに接続されている。
第１インピータンス変換線路ＳＨ１は一端が入力端子Ｔiに接続されている。第１線路Ｓ１は一端が上記第１インピーダンス変換線路ＳＨ１の他端に接続されている。第２インピーダンス変換線路ＳＨ２は、一端が上記第１線路Ｓ１の他端に接続され、他端が出力端子Ｔo1に接続されている。すなわち、第１インピーダンス変換線路ＳＨ１、第１線路Ｓ１及び第２インピーダンス変換線路ＳＨ２は、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo1との間に直列に接続されている。
また、第１線路Ｓ１の他端、すなわち第１線路Ｓ１と第２インピーダンス変換線路ＳＨ２との接続点にはピンダイオードＤ１のカソードが接続されている。このピンダイオードＤ１のアノードは接地されている。

第３インピータンス変換線路ＳＨ３は一端が入力端子Ｔiに接続されている。第２線路Ｓ２は一端が上記第３インピーダンス変換線路ＳＨ３の他端に接続されている。第４インピーダンス変換線路ＳＨ４は、一端が上記第２線路Ｓ２の他端に接続され、他端が出力端子Ｔo2に接続されている。すなわち、第３インピーダンス変換線路ＳＨ３、第２線路Ｓ２及び第４インピーダンス変換線路ＳＨ４は、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo2との間に直列に接続されている。
また、第２線路Ｓ２の他端、すなわち第２線路Ｓ２と第４インピーダンス変換線路ＳＨ４との接続点にはピンダイオードＤ２のアノードが接続されている。このピンダイオードＤ２のカソードは接地されている。
上述した第１線路Ｓ１、第２線路Ｓ２、第１インピーダンス変換線路ＳＨ１、第２インピーダンス変換線路ＳＨ２、インピーダンス変換線路ＳＨ３及びインピーダンス変換線路ＳＨ４各々は、スイッチング対象とする高周波信号の周波数の（１／４）λの電気長の線路を用いている。

上述した高周波半導体スイッチ１において、制御端子Ｔcに入力される制御信号により、入力端子Ｔiから入力される高周波信号を、出力端子Ｔo1または出力端子Ｔo2のいずれかから出力するかを制御する。
すなわち、高周波半導体スイッチ１は、制御信号が接地電圧に対して＋の極性である電圧Ｖ＋が入力された場合、図２に示すように、入力端子Ｔi及び出力端子Ｔo1間を導通状態、入力端子Ｔi及び出力端子Ｔo2間を非導通状態とする。
このとき、ピンダイオードＤ２には順方向電流が流れてインピーダンスがほぼ「０」となり、第２線路Ｓ２のピンダイオードＤ２のアノードが接続されていない一端側のインピーダンスが∞（無限大）となる。一方、ピンダイオードＤ１には逆方向電流が流れてインピーダンスが数キロΩ（理想的には∞）となり、入力端子Ｔiから入力される高周波信号が出力端子Ｔ01から出力される（すなわち、高周波信号の電圧に対応した高周波電流ｉが流れる）。

一方、制御信号が接地電圧に対して−の極性である電圧Ｖ−が入力された場合、図２に示すように、入力端子Ｔi及び出力端子Ｔo2間を導通状態（オン状態）、入力端子Ｔi及び出力端子Ｔ01間を非導通状態（オフ状態）とする。
このとき、ピンダイオードＤ１には順方向電流が流れてインピーダンスがほぼ「０」となり、第１線路Ｓ１のピンダイオードＤ１のカソードが接続されていない一端側のインピーダンスが∞（無限大）となる。一方、ピンダイオードＤ２には逆方向電流が流れてインピーダンスが数キロΩ（理想的には∞）となり、入力端子Ｔiから入力される高周波信号が出力端子Ｔo2から出力される（すなわち、高周波信号の電圧に対応した高周波電流ｉが流れる）。

また、本実施形態においては、入力端子Ｔi、出力端子Ｔo1及び出力端子Ｔo2との特性インピーダンスＺが５０Ωであり、例えば、第１線路Ｓ１及び第２線路Ｓ２の特性インピーダンスＺ0が２００Ωであるとする。
さらに、ピンダイオードＤ１及びＤ２が順方向に対しては寄生インピーダンスを有さない理想的な抵抗素子とみなし、上記制御端子Ｔcに対して順方向電流が流れる制御信号を印加した際のアノード端子及びカソード端子間の抵抗（Ｒi）を１Ωとする。
入力端子Ｔiと出力端子Ｔo1との間、あるいは入力端子Ｔiと出力端子Ｔo2との間のアイソレーションαは、「α（ｄＢ）＝２０×log（１＋Ｒi／Ｚ0）」で求めることができる。

ここで、インピーダンス変換線路を用いずに、従来のように第１線路Ｓ１及び第２線路Ｓ２を入力端子Ｔi、出力端子Ｔo1及び出力端子Ｔo2の特性インピーダンスＺの５０Ωに合わせた場合、アイソレーションαは２８．３ｄＢとなる。
しかしながら、本実施形態のように、第１線路Ｓ１及び第２線路Ｓ２それぞれの特性インピーダンスＺ0を２００Ωとすることにより、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo1との間、あるいは入力端子Ｔiと出力端子Ｔo2との間のアイソレーションαを４０．１ｄＢと増加させることができ、従来の構成に対して約１２ｄＢ改善できることがわかる。

上述した構成において、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo1との間、あるいは入力端子Ｔiと出力端子Ｔo2との間のアイソレーションαを、従来に比較して向上させるため、第１線路Ｓ１及び第２線路Ｓ２の特性インピーダンスを、入力端子Ｔi、出力端子Ｔo1及びＴo1の特性インピーダンスＺと異なる値とする必要がある。
しかしながら、入力端子Ｔi、出力端子Ｔo1及びＴo2の各端子の特性インピーダンスＺが５０Ωの値にて固定されることにより制約を受ける場合、第１線路Ｓ１及び第２線路Ｓ２の特性インピーダンスＺ0を２００Ωとすると、入力端子Ｔiと第１線路Ｓ１との間、あるいは入力端子Ｔiと第２線路Ｓ２との間においてインピーダンスのミスマッチが発生し、挿入損失が増加してしまう。

このため、第１インピーダンス変換線路ＳＨ１は、入力端子Ｔiの特性インピーダンスＺ（５０Ω）に対し、第１線路Ｓ１の一端を特性インピーダンスＺ0（２００Ω）にインピーダンス変換し、入力端子Ｔiと第１線路Ｓ１の一端とのインピーダンス整合を行う。これにより、入力端子Ｔiと第１線路Ｓ１との間のインピーダンスミスマッチを生じさせないようにしている。すなわち、第１インピーダンス変換線路ＳＨ１は、入力端子Ｔiと第１線路Ｓ１との間のインピーダンス整合を行う。これにより、オン状態における入力端子Ｔiから見た出力端子Ｔo1までの特性インピーダンスは特性インピーダンスＺ（５０Ω）となる。
そして、第２インピーダンス変換線路ＳＨ２は、第１線路Ｓ１の一端の特性インピーダンスＺ0（２００Ω）に対し、第１線路Ｓ１の他端を特性インピーダンスＺ（５０Ω）にインピーダンス変換し、第１線路Ｓ１の他端と出力端子Ｔo1とのインピーダンス整合を行う。これにより、第１線路Ｓ１と出力端子Ｔo1との間のインピーダンスミスマッチを生じさせないようにしている。すなわち、第２インピーダンス変換線路ＳＨ２は、第１線路Ｓ１と出力端子Ｔo1との間のインピーダンス整合を行う。これにより、オン状態における出力端子Ｔo1から見た入力端子Ｔiまでの特性インピーダンスは特性インピーダンスＺ（５０Ω）となる。

同様に、第３インピーダンス変換線路ＳＨ３は、入力端子Ｔiの特性インピーダンスＺ（５０Ω）に対し、第２線路Ｓ２の一端を特性インピーダンスＺ0（２００Ω）にインピーダンス変換し、入力端子Ｔiと第２線路Ｓ２の一端とのインピーダンス整合を行う。これにより、入力端子Ｔiと第２線路Ｓ２との間のインピーダンスミスマッチを生じさせないようにしている。すなわち、第３インピーダンス変換線路ＳＨ３は、入力端子Ｔiと第２線路Ｓ２との間のインピーダンス整合を行う。これにより、オン状態における入力端子Ｔiから見た出力端子Ｔo2までの特性インピーダンスは特性インピーダンスＺ（５０Ω）となる。
そして、第４インピーダンス変換線路ＳＨ４は、第２線路Ｓ２の一端の特性インピーダンスＺ0（２００Ω）に対し、第２線路Ｓ２の他端を特性インピーダンスＺ（５０Ω）にインピーダンス変換し、第２線路Ｓ２の他端と出力端子Ｔo2とのインピーダンス整合を行う。これにより、第２線路Ｓ２と出力端子Ｔo2との間のインピーダンスミスマッチを生じさせないようにしている。すなわち、第４インピーダンス変換線路ＳＨ４は、第２線路Ｓ２と出力端子Ｔo2との間のインピーダンス整合を行う。これにより、オン状態における出力端子Ｔo2から見た入力端子Ｔiまでの特性インピーダンスは特性インピーダンスＺ（５０Ω）となる。

上述したように、第１線路Ｓ１及び第２線路Ｓ２の特性インピーダンスＺ0の数値を、第１インピーダンス変換線路ＳＨ１、第２インピーダンス変換線路ＳＨ２、第３インピーダンス変換線路ＳＨ３及び第４インピーダンス変換線路ＳＨ４により、入力端子Ｔi、出力端子Ｔo1及びＴo2の特性インピーダンスの数値に変換することにより、高周波半導体スイッチ１における第１線路Ｓ１及び第２線路Ｓ２の特性インピーダンスを、アイソレーションαの値に応じ、任意に設定することができる。
ここで、線路の特性インピーダンスＺ0を、ＺiからＺoに変換する場合、「Ｚｘ＝（Ｚi×Ｚo）^１／２」の式からインピーダンス変換線路の変換特定インピーダンスＺｘを算出することができる。

例えば、入力端子Ｔiの特性インピーダンスＺを５０Ωとし、第１線路Ｓ１の特定インピーダンスＺ0を２００Ωとした場合、第１インピーダンス変換線路ＳＨ１または第２インピーダンス変換線路ＳＨ２の変換特性インピーダンスＺｘは、Ｚｘ＝（５０×２００）１／２＝１００と求められる。
したがって、入力端子Ｔiと第１線路Ｓ１との間の特性インピーダンスを、５０Ωから２００Ωにインピーダンス変換してインピーダンス整合する第１インピーダンス変換線路ＳＨ１の変換特性インピーダンスＺｘは１００Ωとして設定され、第１線路Ｓ１と出力端子Ｔo1との間の特性インピーダンスを、２００Ωから５０Ωにインピーダンス変換してインピーダンス整合する第２インピーダンス変換線路ＳＨ２の変換特性インピーダンスＺｘは１００Ωとして設定されている。
同様に、入力端子Ｔiと第２線路Ｓ２との間の特性インピーダンスを、５０Ωから２００Ωにインピーダンス変換してインピーダンス整合する第３インピーダンス変換線路ＳＨ３の変換特性インピーダンスＺｘは１００Ωとして設定され、第２線路Ｓ２と出力端子Ｔo2との間の特性インピーダンスを、２００Ωから５０Ωにインピーダンス変換してインピーダンス整合する第４インピーダンス変換線路ＳＨ４の変換特性インピーダンスＺｘは１００Ωとして設定されている。

線路（第１線路Ｓ１または第２線路Ｓ２）の特性インピーダンスＺ0と、アイソレーションαとの対応を示すグラフを図４に示す。この図４において、横軸が上記線路の特性インピーダンス（線路特性インピーダンス）Ｚ0の数値を示し、縦軸がアイソレーションαの数値を示している。
また、それぞれの曲線は、順方向電流が流れた際におけるピンダイオード（Ｄ１あるいはＤ２）の抵抗値Ｒiを０．５Ω、１Ω、２Ωとして計算した場合を示している。
図４のグラフから分かるように、線路（第１線路Ｓ１、第２線路Ｓ２）の特性インピーダンスＺ0が増加するに従い、アイソレーションαの数値も増加することが分かる。

本発明の一実施形態による高周波半導体スイッチ１の構成例を示すブロック図である。 高周波半導体スイッチ１において、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo1との間がオン状態となり、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo1との間がオフ状態となる動作を説明する図である。 高周波半導体スイッチ１において、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo2との間がオフ状態となり、入力端子Ｔiと出力端子Ｔo2との間がオン状態となる動作を説明する図である。 第１線路Ｓ１または第２線路Ｓ２の特性インピーダンスＺ0と、入力端子及び出力端子間のアイソレーションαとの関係を示すグラフである。 従来のピンダイーオードを用いた高周波半導体スイッチの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…高周波半導体スイッチ
Ｄ１，Ｄ２…ピンダイオード
Ｌ…インダクタ
Ｓ１…第１線路
Ｓ２…第２線路
ＳＨ１…第１インピーダンス変換線路
ＳＨ２…第２インピーダンス変換線路
ＳＨ３…第３インピーダンス変換線路
ＳＨ４…第４インピーダンス変換線路
Ｔc…制御端子
Ｔi…入力端子
Ｔo1、Ｔo2…出力端子

Claims (3)

1. 入力端子と、第１出力端子と、第２出力端子と、前記入力端子から入力された高周波信号を前記第１出力端子または前記第２出力端子のいずれから出力するかを制御する制御端子とを有する高周波半導体スイッチであり、
   前記入力端子に一端が接続された第１インピーダンス変換線路と、
   前記第１インピーダンス変換線路の他端に一端が接続された第１線路と、
   前記第１線路の他端に一端が接続され、他端が前記第１出力端子に接続された第２インピーダンス変換回路と、
   前記第１線路及び前記第２インピーダンス変換線路の第１接続点にカソードが接続され、アノードが接地点に接続された第１ダイオードと、
   前記入力端子に一端が接続された第３インピーダンス変換線路と、
   前記第３インピーダンス変換線路の他端に一端が接続された第２線路と、
   前記第２線路の他端に一端が接続され、他端が前記第２出力端子に接続された第４インピーダンス変換回路と、
   前記第２線路及び前記第４インピーダンス変換線路の第２接続点にアノードが接続され、カソードが接地点に接続された第２ダイオードと、
   前記入力端子及び前記制御端子の間に介挿されたインダクタと
   を有する高周波半導体スイッチ。
2. 前記第１インピーダンス変換線路が、前記入力端子の入力特性インピーダンスを前記第１線路の第１特性インピーダンスに変換する第１変換特性インピーダンスに設定され、
   前記第２インピーダンス変換線路が、前記第１特性インピーダンスを第１出力端子の第１出力特性インピーダンスに変換する第２変換特性インピーダンスに設定され、
   前記第３インピーダンス変換線路が、前記入力端子の入力特性インピーダンスを前記第２線路の第２特性インピーダンスに変換する第３変換特性インピーダンスに設定され、
   前記第４インピーダンス変換線路が、前記第２特性インピーダンスを第２出力端子の第２出力特性インピーダンスに変換する第４変換特性インピーダンスに設定され
   ていることを特徴とする請求項１に記載の高周波半導体スイッチ。
3. 前記第１から第４インピーダンス変換線路が、送信信号の中心周波数の１／４波長の電気長を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高周波半導体スイッチ。

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