JP2010147807A

JP2010147807A - スイッチ回路及び受信装置

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Publication number: JP2010147807A
Application number: JP2008322803A
Authority: JP
Inventors: Masaru Sato; 優佐藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: JP5182063B2

Abstract

【課題】小型で低損失なスイッチ回路及び受信装置を提供することを課題とする。
【解決手段】１個以上の入力ポート（Ｐ１〜Ｐｎ）と、前記１個以上の入力ポートのそれぞれに接続される１個以上の単極単投スイッチ（６０１ａ〜６０１ｎ）と、前記１個以上の単極単投スイッチを介して前記１個以上の入力ポートに接続される１個の出力ポート（Ｐｎ＋１）と、前記出力ポート及び基準電位ノード間に接続され、第１の制御電圧では前記出力ポート及び前記基準電位ノード間を開放状態にし、第２の制御電圧では前記出力ポート及び前記基準電位ノード間を第１の抵抗値での接続状態にするトランジスタ（６０２）とを有することを特徴とするスイッチ回路が提供される。
【選択図】図１３

Description

本発明は、スイッチ回路及び受信装置に関する。

ミリ波受信装置とは、物体又は天体から放射される微小なミリ波信号を検出する回路である。ミリ波受信装置では、微小な信号を処理するため外部や内部で発生する雑音や、温度・時間変動により受信電力の影響をできるだけ抑える必要がある。下記の非特許文献１には、受信器の利得の時間変動、温度変動により検出されるレベルの変動を抑えるディッケ型受信装置が開示されている。また、下記の非特許文献２には、ミリ波受信装置に使用される単極双投（ＳＰＤＴ：Single-Pole-Double-Through）スイッチが開示されている。

Tiuri, M.-E.: ‘Radio astronomy receivers’, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 12, (7), 1964, pp. 930-938 佐藤その他、"94GHz帯イメージセンサ用SPDTスイッチの試作"、通信学会ソサエティ大会、2005年

本発明の目的は、小型で低損失なスイッチ回路及び受信装置を提供することである。

本発明のスイッチ回路は、１個以上の入力ポートと、前記１個以上の入力ポートのそれぞれに接続される１個以上の単極単投スイッチと、前記１個以上の単極単投スイッチを介して前記１個以上の入力ポートに接続される１個の出力ポートと、前記出力ポート及び基準電位ノード間に接続され、第１の制御電圧では前記出力ポート及び前記基準電位ノード間を開放状態にし、第２の制御電圧では前記出力ポート及び前記基準電位ノード間を第１の抵抗値での接続状態にするトランジスタとを有することを特徴とする。

複数の入力ポートを容易に設けることができる。トランジスタは、開放状態及び第１の抵抗値での接続状態を実現することができるので、スイッチ及び抵抗を別々に設ける場合に比べて、小型にすることができる。また、入力ポート及び出力ポート間のスイッチ数が少ないので、低損失のスイッチ回路を実現することができる。

（参考技術）
図１は、ディッケ型受信装置の構成例を示す図である。この受信装置は、ミリ波パッシブイメージセンサ又は電波望遠鏡等に用いられる高感度受信装置として使用することができる。ミリ波パッシブイメージセンサは、物体から放射される微小なミリ波信号を検出する。

アンテナ１０１は、例えば１００ＧＨｚの無線信号を受信するためのアンテナである。スイッチドライバ１０６は、第１の制御信号によりＳＰＤＴ（単極双投：Single-Pole-Double-Through）スイッチ１０３を制御し、第２の制御信号によりＳＰＤＴスイッチ１０５を制御する。ＳＰＤＴスイッチ１０３は、スイッチドライバ１０６の制御に応じて、ミリ波受信器１０４の入力端子をアンテナ１０１又は抵抗１０２に接続する。抵抗１０２は、ＳＰＤＴスイッチ１０３及び基準電位ノード間に接続される。

ミリ波受信器１０４は、低雑音増幅器及び検波器を有し、入力端子がＳＰＤＴスイッチ１０３に接続され、出力端子がＳＰＤＴスイッチ１０５に接続される。低雑音増幅器は、入力信号を増幅する。検波器は、低雑音増幅器により増幅された信号を検波する。具体的には、検波器は、ダイオードを有し、ダイオードに入力された電圧を半波整流電流として出力する。そのダイオードは、電圧及び電流特性が２乗成分を有するので、２乗検波を行うことができる。

ＳＰＤＴスイッチ１０５は、スイッチドライバ１０６の制御に応じて、ミリ波受信器１０４の出力端子を演算器１０７の入力端子又は演算器１０８の入力端子に接続する。演算器１０７は、入力信号に＋１を乗算する乗算器である。演算器１０８は、入力信号に−１を乗算する乗算器である。加算器１０９は、演算器１０７及び１０８により乗算された信号を加算する。ローパスフィルタ（積分器）１１０は、加算器１０９により加算された信号を積分することにより、時間的に平均化し、データ計測部１１１に出力する。

ＳＰＤＴスイッチ１０３がミリ波受信器１０４の入力端子をアンテナ１０１に接続するときには、ＳＰＤＴスイッチ１０５はミリ波受信器１０４の出力端子を乗算器１０７に接続する。演算器１０７は、アンテナ１０１の受信信号に対して＋１を乗算する。

また、ＳＰＤＴスイッチ１０３がミリ波受信器１０４の入力端子を抵抗１０２に接続するときには、ＳＰＤＴスイッチ１０５はミリ波受信器１０４の出力端子を乗算器１０８に接続する。抵抗１０２は、参照（熱雑音）信号を生成する。演算器１０８は、抵抗１０２の参照信号に対して−１を乗算する。

ＳＰＤＴスイッチ１０３及び１０５を制御することにより、ミリ波受信器１０４は、周期の半分の時間はアンテナ１０１が受信する信号を増幅及び検波し、残りの半分の時間は参照信号（抵抗１０２が発生する熱雑音）を増幅及び検波する。加算器１０９は、演算器１０７及び１０８の出力信号を加算する。すなわち、加算器１０９は、アンテナ１０１の受信信号から参照信号を引くことにより、ミリ波受信器１０４内の低雑音増幅器が発生する雑音成分をキャンセルすることができる。

以上のように、ミリ波受信装置は、物体又は天体から放射される微小なミリ波信号を検出することができる。受信装置では、微小な信号を処理するため外部や内部で発生する雑音や、温度・時間変動により受信電力の影響をできるだけ抑える必要がある。ディッケ型受信装置は、ミリ波受信器１０４の利得の時間変動、温度変動により検出されるレベルの変動を抑えることができる。

受信装置は、前段のＳＰＤＴスイッチ１０３及び後段のＳＰＤＴスイッチ１０５を有し、それをスイッチドライバ１０６により制御する。１周期のうちの半分の時間はアンテナ１０１で受信したミリ波信号を、残りの半分の期間は抵抗１０２の参照信号をミリ波受信器１０４に入力する。ミリ波受信器１０４の後段にはＳＰＤＴスイッチ１０５が接続されている。このＳＰＤＴスイッチ１０５は、前段のＳＰＤＴスイッチ１０３と同じタイミングで切り替わる。アンテナ１０１の受信信号を入力している期間は＋１倍（増幅しても可）を、抵抗１０２の参照信号を入力している期間は−１倍を乗算する。加算器１０９により演算器１０７及び１０８の出力信号を合成後、ローパスフィルタ１１０は、積分処理して信号をデータ計測部１１１に出力する。時間・温度変動でミリ波受信器１０４の利得が変化した場合には、受信信号区間及び参照信号区間ともに変動をするためこれらの差は一定となる。これにより、ミリ波受信器１０４の利得の時間・温度変動に起因する揺らぎを除去することができる。

ミリ波受信器１０４は、高周波数の入力信号を半波整流により検波するため、低周波数の信号を出力する。ＳＰＤＴスイッチ１０３は、高周波数のミリ波信号が通過するため高性能なスイッチが必要であり、特に低損失及び小型のスイッチが必要である。一方、ＳＰＤＴスイッチ１０５は、ミリ波受信器１０４によりミリ波信号が低周波信号に変換された信号を入力するため、取り扱いが容易であり、安価なスイッチで構成できる。

図１の受信装置は、１個のアンテナ１０１で受信した信号を検出する。受信装置を用いてイメージセンサを構成する場合、画素数分の多数のアンテナ１０１が必要になる。複数のアンテナ１０１で受信する信号を１個のミリ波受信器１０４で信号処理をする場合には、複数のアンテナ１０１の入力をスイッチにより経路を切り換える装置が必要である。以降は、入力を２個として説明を行う。

図２は、２個のアンテナ１０１ａ及び１０１ｂの受信信号をスイッチにより切り替えてミリ波受信器１０４に入力する受信装置の構成例を示す図である。以下、図２が図１と異なる点を説明する。２個のアンテナ１０１ａ及び１０１ｂは、図１のアンテナ１０１に対応する。２個の抵抗１０２ａ及び１０２ｂは、図１の抵抗１０２に対応する。２個のＳＰＤＴスイッチ１０３ａ及び１０３ｂは、図１のＳＰＤＴスイッチ１０３に対応する。ＳＰＤＴスイッチ２０１は、ミリ波受信器１０４の入力端子をＳＰＤＴスイッチ１０３ａ又は１０３ｂに接続する。この場合、抵抗１０２ａ，１０２ｂ及びＳＰＤＴスイッチ１０３ａ，１０３ｂの組みは、アンテナ１０１ａ及び１０１ｂの数だけ必要になる。また、ＳＰＤＴスイッチ２０１の追加が必要になる。スイッチ及び抵抗の面積は、図１の場合に比べて、２〜３倍増加する。また、アンテナ１０１ａ（１０１ｂ）とミリ波受信器１０４の間には、２個のスイッチ１０３ａ（１０３ｂ）及び２０１が接続される。１個のスイッチの挿入損をＬとすると、２個のスイッチ１０３ａ（１０３ｂ）及び２０１を通過することにより、信号レベルが１／Ｌ²に減衰する。

図３は、２個のアンテナ１０１ａ及び１０１ｂの受信信号をスイッチにより切り替えてミリ波受信器１０４に入力する受信装置の他の構成例を示す図である。以下、図３が図１と異なる点を説明する。２個のアンテナ１０１ａ及び１０１ｂは、図１のアンテナ１０１に対応する。ＳＰＤＴスイッチ３０１は、ＳＰＤＴスイッチ１０３の入力端子をアンテナ１０１ａ又は１０１ｂに接続する。この場合、ＳＰＤＴスイッチ３０１の追加が必要になる。また、アンテナ１０１ａ（１０１ｂ）とミリ波受信器１０４の間には、２個のスイッチ３０１及び１０３が接続される。１個のスイッチの挿入損をＬとすると、２個のスイッチ３０１及び１０３を通過することにより、信号レベルが１／Ｌ²に減衰する。

以上のように、図２及び図３の受信装置では、高周波数のミリ波信号を切り換えるスイッチが２個又は３個必要となる。アンテナ１０１ａ（１０１ｂ）からミリ波受信器１０４までの間に２個のスイッチを通過するため、例えばスイッチ１個当たりの挿入損失をＬとすると、信号レベルは１／Ｌ²に減衰してしまう。また、スイッチの占める面積は２〜３倍になってしまうという問題がある。

図４（Ａ）は図２の受信装置のスイッチの状態を示し、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のスイッチ状態におけるシミュレーションによるスイッチの通過及び反射特性を示す図である。ポートＰ１は、アンテナ１０１ａが接続されるポートである。ポートＰ２は、アンテナ１０１ｂが接続されるポートである。ポートＰ３は、ミリ波受信器１０４の入力端子が接続されるポートである。スイッチ１０３ｂ及び２０１により、ポートＰ２及びＰ３が相互に接続された時の通過及び反射特性を示す。

特性４０１は、ポートＰ２からポートＰ３への通過特性を示すＳパラメータＳ（２，３）の特性である。特性４０２は、ポートＰ２の入力信号に対する反射特性を示すＳパラメータＳ（２，２）、及びポートＰ３の入力信号に対する反射特性を示すＳパラメータＳ（３，３）の特性である。

中心周波数が９５ＧＨｚの時、ＳパラメータＳ（２，３）のポートＰ２から入力してポートＰ３へ出力する通過損失特性４０１は、−２．２ｄＢであった。これはスイッチ１個当たりの損失が−１．１ｄＢであり、このスイッチを２個通過するために損失は２倍となり、−２．２ｄＢになる。また、３個のＳＰＤＴスイッチ１０３ａ，１０３ｂ，２０１を用いているため、面積は図１の場合の３倍となる。

図５（Ａ）は図２の受信装置のスイッチの状態を示し、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のスイッチ状態におけるシミュレーションによるスイッチの通過及び反射特性を示す図である。スイッチ１０３ａ及び２０１により、ポートＰ３が抵抗１０２ａに接続された時の通過及び反射特性を示す。すなわち、抵抗１０２ａの参照信号を入力するようにスイッチを切り替えた場合のポートの通過及び反射特性を示す。

特性５０１は、ポートＰ３の入力信号に対する反射特性を示すＳパラメータＳ（３，３）の特性である。特性５０２は、ポートＰ２からポートＰ３への通過特性を示すＳパラメータＳ（２，３）の特性である。反射特性５０１は、−１０〜−２０ｄＢ程度と良好な特性を示している。

以下、上記の問題点を解決するため、小型で低損失なスイッチ回路及び受信装置の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図６は、本発明の第１の実施形態による受信装置内のスイッチ回路６００の構成例を示す回路図である。ＳＰ３Ｔ（単極３投：Single-pole-3-through）スイッチ回路６００は、２個の入力ポートＰ１，Ｐ２と、２個のＳＰＳＴ（単極単投：Single-Pole-Single-Through）スイッチ６０１ａ，６０１ｂと、１個の出力ポートＰ３と、１個のｎチャネル電界効果トランジスタ６０２とを有する。２個のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ及び６０１ｂは、２個の入力ポートＰ１，Ｐ２のそれぞれに接続される。１個の出力ポートＰ３は、２個のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ，６０１ｂを介して２個の入力ポートＰ１，Ｐ２に接続される。トランジスタ６０２は、出力ポートＰ３及び基準電位ノード間に接続され、制御電圧Ｖｃが第１の制御電圧では出力ポートＰ３及び基準電位ノード間を開放状態にし、制御電圧Ｖｃが第２の制御電圧では出力ポートＰ３及び基準電位ノード間を第１の抵抗値での接続状態にする。

スイッチ６０１ａは、入力ポートＰ１及びノードＮ１間に接続される。スイッチ６０１ｂは、入力ポートＰ２及びノードＮ１間に接続される。出力ポートＰ３は、ノードＮ１に接続される。トランジスタ６０２は、ドレインがノードＮ１に接続され、ゲートが制御電圧Ｖｃのノードに接続され、ソースが基準電位ノード（例えばグランド電位ノード）に接続される。

２個のアンテナ１０１ａ及び１０１ｂは、無線信号を受信するためのアンテナである。アンテナ１０１ａは入力ポートＰ１に接続され、アンテナ１０１ｂは入力ポートＰ２に接続される。ミリ波受信器１０４は、出力ポート１０４に接続される。本実施形態の受信装置は、図１の受信装置に対して、アンテナ１０１、スイッチ１０３及び抵抗１０２の代わりにアンテナ１０１ａ，１０１ｂ及びスイッチ回路６００を設けたものである。スイッチ回路６００は、図１のスイッチ１０３及び抵抗１０２に対応する。ミリ波受信器１０４の後段は、図１と同じである。

アンテナ１０１ａ及び１０１ｂは、例えば１００ＧＨｚの無線信号を受信するためのアンテナである。スイッチドライバ１０６は、スイッチ６０１ａ，６０１ｂ，１０５の制御電圧及びトランジスタ６０２の制御電圧Ｖｃを制御する。スイッチ６０１ａは、スイッチドライバ１０６の制御に応じて、入力ポートＰ１を出力ポートＰ３に接続する。スイッチ６０１ｂは、スイッチドライバ１０６の制御に応じて、入力ポートＰ２を出力ポートＰ３に接続する。トランジスタ６０２は、スイッチドライバ１０６の制御に応じて、制御電圧Ｖｃが第１の制御電圧では出力ポートＰ３及び基準電位ノード間を開放状態にし、制御電圧Ｖｃが第２の制御電圧では出力ポートＰ３及び基準電位ノード間を第１の抵抗値での接続状態にする。

図１のスイッチ１０３がアンテナ１０１に接続される状態は、図６ではスイッチ６０１ａ又は６０１ｂがオンし、トランジスタ６０２が開放状態になることに対応する。また、図１のスイッチ１０３が抵抗１０２に接続される状態は、図６ではスイッチ６０１ａ及び６０１ｂがオフし、トランジスタ６０２が第１の抵抗値での接続状態になることに対応する。

アンテナ１０１ａの受信信号を入力する場合には、スイッチ６０１ａをオンし、スイッチ６０１ｂをオフし、トランジスタ６０２を開放状態にする。また、アンテナ１０１ｂの受信信号を入力する場合には、スイッチ６０１ｂをオンし、スイッチ６０１ａをオフし、トランジスタ６０２を開放状態にする。また、トランジスタ６０２の第１の抵抗値の抵抗で生成された参照（熱雑音）信号を入力する場合には、スイッチ６０１ａ及び６０１ｂをオフし、トランジスタ６０２を第１の抵抗値での接続状態にする。

ミリ波受信器１０４は、低雑音増幅器及び検波器を有し、入力端子が出力ポートＰ３に接続され、出力端子がＳＰＤＴスイッチ１０５に接続される。低雑音増幅器は、入力信号を増幅する。検波器は、低雑音増幅器により増幅された信号を検波する。具体的には、検波器は、ダイオードを有し、ダイオードに入力された電圧を半波整流電流として出力する。そのダイオードは、電圧及び電流特性が２乗成分を有するので、２乗検波を行うことができる。

スイッチ１０１ａ又は１０１ｂがオンし、トランジスタ６０２が開放状態になるときには、ＳＰＤＴスイッチ１０５はミリ波受信器１０４の出力端子を乗算器１０７に接続する。演算器１０７は、アンテナ１０１ａ又は１０１ｂの受信信号に対して＋１を乗算する。

また、スイッチ６０１ａ及び６０１ｂがオフし、トランジスタ６０２が第１の抵抗値での接続状態になるときには、ＳＰＤＴスイッチ１０５はミリ波受信器１０４の出力端子を乗算器１０８に接続する。トランジスタ６０２の第１の抵抗値の抵抗は、図１の抵抗１０２に対応し、参照（熱雑音）信号を生成する。演算器１０８は、トランジスタ６０２の抵抗の参照信号に対して−１を乗算する。

スイッチ６０１ａ，６０１ｂ，１０５及びトランジスタ６０２を制御することにより、ミリ波受信器１０４は、周期の半分の時間はアンテナ１０１ａ又は１０１ｂが受信する信号を増幅及び検波し、残りの半分の時間は参照信号（トランジスタ６０２が発生する熱雑音）を増幅及び検波する。加算器１０９は、演算器１０７及び１０８の出力信号を加算する。すなわち、加算器１０９は、アンテナ１０１ａ又は１０１ｂの受信信号から参照信号を引くことにより、ミリ波受信器１０４内の低雑音増幅器が発生する雑音成分をキャンセルすることができる。演算器１０７，１０８及び加算器１０９は、受信信号と参照信号との差分信号を出力する差分回路を構成する。

以上のように、ミリ波受信装置は、物体又は天体から放射される微小なミリ波信号を検出することができる。受信装置は、ミリ波受信器１０４の利得の時間変動、温度変動により検出されるレベルの変動を抑えることができる。

１周期のうちの半分の時間はアンテナ１０１ａ又は１０１ｂで受信したミリ波信号を、残りの半分の期間はトランジスタ６０２の参照信号をミリ波受信器１０４に入力する。ＳＰＤＴスイッチ１０５は、スイッチ回路６００と同じタイミングで切り替わる。アンテナ１０１ａ又は１０１ｂの受信信号を入力している期間は＋１倍（増幅しても可）を、トランジスタ６０２の参照信号を入力している期間は−１倍を乗算する。加算器１０９により演算器１０７及び１０８の出力信号を合成後、ローパスフィルタ１１０は、積分処理して信号をデータ計測部１１１に出力する。時間・温度変動でミリ波受信器１０４の利得が変化した場合には、受信信号区間及び参照信号区間ともに変動をするためこれらの差は一定となる。これにより、ミリ波受信器１０４の利得の時間・温度変動に起因する揺らぎを除去することができる。

ミリ波受信器１０４は、高周波数の入力信号を半波整流により検波するため、低周波数の信号を出力する。スイッチ回路６００は、高周波数のミリ波信号が通過するため高性能なスイッチが必要であり、特に低損失及び小型のスイッチが必要である。一方、ＳＰＤＴスイッチ１０５は、ミリ波受信器１０４によりミリ波信号が低周波信号に変換された信号を入力するため、取り扱いが容易であり、安価なスイッチで構成できる。

本実施形態によれば、低損失及び小型のスイッチ回路６００を実現できる。図２及び図３では、アンテナ１０１ａ（１０１ｂ）及びミリ波受信器１０４間に２個のスイッチが接続されているため、２個のスイッチ分の高い挿入損が発生し、信号レベルが大きく減衰してしまう。これに対し、図６の本実施形態では、アンテナ１０１ａ（１０１ｂ）及びミリ波受信器１０４間には、１個のスイッチ６０１ａ（６０１ｂ）しか接続されていないので、スイッチの挿入損が低減し、信号レベルの減衰を防止することができる。また、本実施形態は、図２及び図３の回路に比べ、スイッチ数を減らすことができるので、小型化することができる。また、本実施形態は、画素数分の複数のアンテナ１０１ａ，１０１ｂを接続し、イメージセンサを構成することができる。

図７（Ａ）〜（Ｃ）は、図６のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ及び６０１ｂの構成例を示す回路図である。スイッチ６０１ａ及び６０１ｂは、それぞれインダクタ７０１、ｎチャネル電界効果トランジスタ７０２及び１／４波長の伝送線路７０５を有する。入力ポートＰ１（Ｐ２）及び出力ポートＰ３間には、複数のインダクタ７０１が直列接続される。インダクタ７０１は、伝送線路のインダクタ成分であってもよい。複数のｎチャネル電界効果トランジスタ７０２は、並列接続され、それぞれ、ドレイン及びソースが複数のインダクタ７０１の相互接続点及び基準電位ノードに接続され、ゲートが制御電圧Ｖｃ１（Ｖｃ２）のノードに接続される。１／４波長の伝送線路７０５は、インダクタ７０１及び出力ポートＰ３間に直列に接続される。

制御電圧Ｖｃ１が負の電圧（例えばＶｔｈ−１［Ｖ］）であるとき、トランジスタ７０２は、図７（Ｂ）のように容量７０３として機能する。ここで、Ｖｔｈは、トランジスタ７０２の閾値電圧である。この場合、インダクタ７０１及び容量７０３は、Ｌ−Ｃ伝送線路の整合回路として機能し、例えば５０Ωのインピーダンス整合がとれていれば、入力ポートＰ１に入力された信号はスイッチ６０１ａを通過して出力ポートＰ３から出力される。なお、スイッチ６０１ａのＬ−Ｃ伝送線路の特性インピーダンスＺ０は、√（Ｌ／Ｃ）で表される。この特性インピーダンスＺ０が５０Ω付近になるようにインダクタＬ及び容量Ｃの値を選択する。以上のように、制御電圧Ｖｃ１を負の電圧にすると、スイッチ６０１ａはオンの状態になる。

これに対して、制御電圧Ｖｃ１が正の電圧（例えばＶｔｈ＋０．５［Ｖ］）であるとき、トランジスタ７０２は、図７（Ｃ）のように抵抗７０４として機能する。この場合、インピーダンス整合がとれていないので、入力ポートＰ１に入力された信号はスイッチ６０１ａを通過しない。以上のように、制御電圧Ｖｃ１を正の電圧にすると、スイッチ６０１ａはオフの状態になる。

以上のように、トランジスタ７０２のゲート電圧Ｖｃ１を負電圧にすると、トランジスタ７０２のドレイン及びソース間は等価的に容量７０３とみなせる。インダクタ（伝送線路）７０１の長さ又はインダクタンスの値を調節すると、Ｌ−Ｃ伝送線路とみなせるため、これをスイッチ６０１ａのオン状態とする。

これに対し、トランジスタ７０２のゲート電圧Ｖｃ１をわずかに正電圧にすると、トランジスタ７０２のドレイン及びソース間は等価的に抵抗７０４とみなすことができる。この抵抗７０４の値はデバイスにより異なるものであるが、数Ω〜１０Ω程度である。トランジスタ７０２は並列に接続されているので、合成抵抗を低くすることができ、等価的に入力ポートＰ１及び出力ポートＰ３間の伝送線路をグランドにショートさせる。例えば、１個の抵抗７０４の値をＲとすると、３個の並列接続の抵抗７０４の合成抵抗は、約Ｒ／３であり、小さい抵抗値となり、ほぼショート状態になる。これがスイッチ６０１ａのオフ状態である。なお、３個の抵抗７０４の合成抵抗を十分小さくするためには、抵抗７０４の値を小さくする必要がある。抵抗７０４の値を小さくするためには、トランジスタ７０２のゲート幅を大きくすることが有効である。

スイッチ６０１ｂもスイッチ６０１ａと同様である。ゲート電圧Ｖｃ２を負電圧にすると、トランジスタ７０２のドレイン及びソース間は等価的に容量７０３とみなせる。インダクタ（伝送線路）７０１の長さ又はインダクタンスの値を調節すると、Ｌ−Ｃ伝送線路とみなせるため、これをスイッチ６０１ｂのオン状態とする。これに対し、ゲート電圧Ｖｃ２をわずかに正電圧にすると、トランジスタ７０２のドレイン及びソース間は等価的に抵抗７０４とみなすことができる。トランジスタ７０２は並列に接続されているので、トランジスタ７０２の合成抵抗を低くすることができ、等価的に入力ポートＰ２及び出力ポートＰ３間の伝送線路をグランドにショートさせる。これがスイッチ６０１ｂのオフ状態である。

１／４波長の伝送線路７０５は、インピーダンス変換素子であり、動作周波数（受信信号の周波数）の１／４波長の線路長を有する。１／４波長の伝送線路７０５及びインダクタ７０１間のノードが短絡状態であるとき、ノードＮ１が開放状態になる。また、１／４波長の伝送線路７０５及びインダクタ７０１間のノードが５０Ωであるとき、ノードＮ１も５０Ωになる。トランジスタ７０２は並列に接続されているため、制御電圧Ｖｃ１又はＶｃ２が正の電圧であると、３個の抵抗７０４の合成抵抗は、約Ｒ／３となり、その抵抗値が十分小さい場合は短絡とみなせる。１／４波長の伝送線路７０５が接続されているため、合流ノードＮ１から入力ポートＰ２を見たインピーダンスは開放状態となる。したがって、入力ポートＰ１から出力ポートＰ３へ接続する経路ができる。

次に、トランジスタ６０２の動作を説明する。トランジスタ６０２の動作は、上記のトランジスタ７０２の動作と同様である。制御電圧Ｖｃ１が負の電圧（例えばＶｔｈ−１［Ｖ］）であるとき、トランジスタ６０２は、出力ポートＰ３及び基準電位ノード間を開放状態にする。また、制御電圧Ｖｃ１が正の電圧（例えばＶｔｈ＋０．５［Ｖ］）であるとき、トランジスタ６０２は、出力ポートＰ３及び基準電位ノード間を第１の抵抗値での接続状態にする。第１の抵抗値は、例えば５０Ωである。トランジスタ６０２は、トランジスタ７０２に対して、ゲート幅を短くすることにより、第１の抵抗値を大きくすることができる。第１の抵抗値のトランジスタ６０２は、参照信号を生成するための抵抗１０２（図１）に対応する。

以上のように、スイッチ６０１ａ及び６０１ｂの合流ノードＮ１と基準電位ノード間にトランジスタ６０２のドレイン及びソースを接続する。トランジスタ６０２のゲートには、制御電圧Ｖｃを供給する。トランジスタ６０２のサイズは、そのドレイン抵抗とソース抵抗の和が５０Ω程度となるようなゲート幅を選択する。ドレイン抵抗及びソース抵抗は、ゲート幅に反比例する。通常は、これらの抵抗値を小さくするためにゲート幅の大きなトランジスタが用いられる。例えば、トランジスタは、ゲート幅が１．５ｍｍのとき、ドレイン抵抗とソース抵抗の和が０．７７Ωである。抵抗の和を５０Ωにするためには、ゲート幅を３８μｍに設定する。

入力ポートＰ１から出力ポートＰ３へ、又は入力ポートＰ２から出力ポートＰ３へ経路を切り換える場合には、スイッチ６０１ａ又は６０１ｂをオンにする。さらに、トランジスタ６０２のゲート電圧Ｖｃを、閾値電圧Ｖｔｈよりも低い電圧（例えばＶｔｈ−１［Ｖ］）にする。このとき、トランジスタ６０２は、通常用いるトランジスタのゲート幅よりも小さく、容量とゲート幅は比例関係であるので、小さな容量値となり、ほぼ開放状態とみなせる。

一方、参照信号を出力させる場合には、スイッチ６０１ａ及び６０１ｂをオフする。さらに、トランジスタ６０２のゲート電圧Ｖｃを、閾値電圧Ｖｃよりも高い電圧（例えばＶｔｈ＋０．５［Ｖ］）にする。このとき、トランジスタ６０２のドレイン−ソース間はほぼ５０Ωとなり、これが参照信号を発生させる。参照信号は、抵抗が放出する熱雑音である。

以上、動作原理を説明したが、トランジスタ６０２に加えるゲート電圧Ｖｃがスイッチ６０１ａ又は６０１ｂとは反対であることが分かる。つまり参照信号を出力する場合には、トランジスタ６０２のゲート電圧Ｖｃを閾値電圧Ｖｔｈよりも高い電圧にし、トランジスタ７０２のゲート電圧Ｖｃ１又はＶｃ２を閾値電圧Ｖｔｈより低い電圧にする。参照信号を遮断する時には、トランジスタ６０２のゲート電圧Ｖｃを閾値電圧Ｖｔｈよりも低い電圧にし、トランジスタ７０２のゲート電圧Ｖｃ１又はＶｃ２を閾値電圧Ｖｔｈより高い電圧にする。

図８は、図６の受信装置のシミュレーションによるスイッチの通過及び反射特性を示す図であり、図４（Ｂ）に対応する。スイッチ６０１ａがオフ、スイッチ６０１ｂがオン、トランジスタ６０２が開放状態であるときの通過及び反射特性を示す。すなわち、入力ポートＰ２及び出力ポートＰ３を接続するようにスイッチを切り換えた時の通過及び反射特性を示す。特性８０１は、ポートＰ２からポートＰ３への通過特性を示すＳパラメータＳ（２，３）の特性である。特性８０２は、ポートＰ３の入力信号に対する反射特性を示すＳパラメータＳ（３，３）の特性である。特性８０３は、ポートＰ２の入力信号に対する反射特性を示すＳパラメータＳ（２，２）の特性である。周波数９５ＧＨｚにおいて、特性８０１は、−１．３ｄＢとなり、図４（Ｂ）に比べて約半分の損失である。本実施形態は、図４（Ｂ）に比べて、低損失のスイッチ回路６００及び受信装置を実現することができる。

図９は、図６の受信装置のシミュレーションによるスイッチの通過及び反射特性を示す図であり、図５（Ｂ）に対応する。スイッチ６０１ａ及び６０１ｂをオフし、トランジスタ６０２を第１の抵抗値での接続状態にしたときの通過及び反射特性を示す。すなわち、トランジスタ６０２の第１の抵抗値の参照信号を入力するようにスイッチを切り換えた場合のポートの通過及び反射特性を示す。すなわち、出力ポートＰ３を終端させたときの通過及び反射特性を示す。特性９０１は、ポートＰ３の入力信号に対する反射特性を示すＳパラメータＳ（３，３）の特性である。特性９０２は、ポートＰ２からポートＰ３への通過特性を示すＳパラメータＳ（２，３）の特性である。反射特性９０１は、−１０ｄＢ以下となり、良好な特性を示している。

本実施形態は、図２のスイッチに比べて、通過損失を半分にすることができるスイッチ回路６００を実現できる。

次に、図６のスイッチ回路と図２のスイッチ回路の面積を比較する。図２のスイッチ回路の占める面積は、１．０×１．５［ｍｍ²］である。これに対して、図６のスイッチ回路６００の占める面積は、０．６×０．７［ｍｍ²］であり、ほとんどの部分がＳＰＳＴスイッチ６０１ａ及び６０１ｂの面積であり、参照信号を生成する回路の占める面積がほとんどない。したがって、本実施形態は、小面積化を果たせる。

以上のように、本実施形態の受信装置は、無線信号を受信するための２個のアンテナ１０１ａ，１０１ｂと、２個のアンテナ１０１ａ，１０１ｂに接続されるスイッチ回路６００と、スイッチ回路６００を介して２個のアンテナ１０１ａ，１０１ｂに接続される差分回路１０７〜１０９とを有する。

スイッチ回路６００は、２個のアンテナ１０１ａ，１０１ｂにそれぞれ接続される２個の入力ポートＰ１，Ｐ２と、２個の入力ポートＰ１，Ｐ２のそれぞれに接続される２個のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ，６０１ｂと、２個のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ，６０１ｂを介して２個の入力ポートＰ１，Ｐ２に接続される１個の出力ポートＰ３とを有する。トランジスタ６０２は、出力ポートＰ３及び基準電位ノード間に接続され、制御電圧Ｖｃが第１の制御電圧では出力ポートＰ３及び基準電位ノード間を開放状態にし、制御電圧Ｖｃが第２の制御電圧では出力ポートＰ３及び基準電位ノード間を第１の抵抗値での接続状態にする。

差分回路１０７〜１０９は、２個のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ，６０１ｂのうちのいずれか１個がオンでありかつトランジスタ６０２に第１の制御電圧が入力されるときのスイッチ回路６００の出力ポートＰ３の第１の出力信号を入力し、２個のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ，６０１ｂのすべてがオフでありかつトランジスタ６０２に第２の制御電圧が入力されるときのスイッチ回路６００の出力ポートＰ３の第２の出力信号を入力し、第１の出力信号と第２の出力信号との差分信号を出力する。

（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態による受信装置内のスイッチ回路６００の構成例を示す回路図である。本実施形態（図１０）のスイッチ回路６００は、第１の実施形態（図６）のスイッチ回路６００に対して、１／２波長の整数倍の伝送線路１００１を追加したものである。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。１／２波長の整数倍の伝送線路１００１は、トランジスタ６０２のドレイン及び出力ポートＰ３間に接続される。１／２波長の整数倍の伝送線路１００１は、例えば１／２波長の伝送線路であり、動作周波数（受信信号の周波数）の１／２波長の整数倍の線路長を有する。信号が１／２波長の整数倍の伝送線路１００１を通過するとインピーダンスは同じであるため、第１の実施形態と同様のスイッチ特性を得ることができる。

（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態による受信装置内のスイッチ回路６００の構成例を示す回路図である。本実施形態（図１１）のスイッチ回路６００は、第２の実施形態（図１０）のスイッチ回路６００に対して、伝送線路１００１の代わりにインダクタＬ及び容量Ｃを設けたものである。以下、本実施形態が第２の実施形態と異なる点を説明する。インダクタＬは、トランジスタ６０２のドレイン及び出力ポートＰ３間に接続される。２個の容量Ｃは、それぞれインダクタＬの両端と基準電位ノード間に接続される。インダクタＬ及び容量Ｃは、図１０の１／２波長の整数倍の伝送線路１００１と同じ機能を有する。インダクタＬはＺ０／（２×ｆ）のインダクタンスを有し、容量Ｃは１／（４×ｆ×Ｚ０）の容量値を有する。ここで、Ｚ０は線路の特性インピーダンスであり、ｆは動作周波数である。本実施形態は、第２の実施形態と同様の効果を有する。

（第４の実施形態）
図１２は、本発明の第４の実施形態による受信装置内のスイッチ回路６００の構成例を示す回路図である。本実施形態（図１２）のスイッチ回路６００は、第１の実施形態（図６）のスイッチ回路６００に対して、チョークコイル（インダクタ）１２０１、容量１２０２及び１／２波長の整数倍の伝送線路１２０３を追加したものである。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。容量１２０２及び伝送線路１２０３は、トランジスタ６０２のドレイン及び出力ポートＰ３間に直列に接続される。１／２波長の整数倍の伝送線路１２０３は、図１０の１／２波長の整数倍の伝送線路１００１と同様に、あってもなくても同様の効果を有する。したがって、伝送線路１２０３は削除することができ、容量１２０２のみをトランジスタ６０２のドレイン及び出力ポートＰ３間に接続してもよい。チョークコイル１２０１は、トランジスタ６０２のドレイン及び容量１２０２の相互接続点と直流電圧Ｖｃ３のノードとの間に接続される。

以上のように、本実施形態は、伝送線路１２０３とトランジスタ６０２との間に直流阻止用の容量１２０２と、チョークコイル１２０１を介して直流電圧Ｖｃ３を印可するノードを有する。第１〜第３の実施形態では、参照信号を出力する際のトランジスタ６０２の抵抗から発する白色雑音について説明したが、トランジスタ６０２の抵抗には直流電流は流していない。この雑音電圧は、Ｖｎ＝√（４×ｋ×Ｔ×Ｂ×Ｒ）である。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｂは周波数帯域、Ｒはトランジスタ６０２の第１の抵抗値（例えば５０Ω）であって一定である。直流電圧Ｖｃ３によりトランジスタ６０２の抵抗に電流を流す機構を作ることにより、トランジスタ６０２の抵抗に電流が流れ、生成する雑音電圧を変化させることができる。具体的には、電流が流れることで温度が上昇し、雑音電圧が上昇する。これにより、さまざまな参照信号を作り出すことができる。図１の受信装置は、参照信号を生成し、ミリ波受信器１０４内の低雑音増幅器で発生する雑音をキャンセルするものである。その低雑音増幅器の雑音をキャンセルするために、直流電圧Ｖｃ３を調整することにより参照信号の大きさを制御することができる。

なお、チョークコイル１２０１を設けることにより、高周波数の受信信号にとって、直流電圧Ｖｃ３のノードを見えなくすることができる。また、直流阻止用容量１２０２を設けることにより、直流電圧Ｖｃ３がノードＮ１に供給されることを阻止できる。

（第５の実施形態）
図１３は、本発明の第５の実施形態による受信装置内のスイッチ回路６００の構成例を示す回路図である。スイッチ回路６００は、ＳＰｎＴ（単極ｎ投：Single-pole-n-through）スイッチ回路である。本実施形態（図１３）のスイッチ回路６００は、第１の実施形態（図６）のスイッチ回路６００に対して、ｎ個の入力ポートＰ１〜Ｐｎ及びｎ個のスイッチ６０１ａ〜６０１ｎを有する点が異なる。以下、本実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。第１の実施形態では、２個の入力ポートＰ１，Ｐ２を有する場合を説明した。本実施形態では、３個以上の入力ポートＰ１〜Ｐｎを設けることができる。出力ポートＰｎ＋１は、図６の出力ポート３に対応する。ｎ個の入力ポートＰ１〜Ｐｎの外部には、ｎ個のアンテナ１０１ａ〜１０１ｎが接続される。ｎ個のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ〜６０１ｎは、それぞれｎ個の入力ポートＰ１〜Ｐｎ及び出力ポートＰｎ＋１間に接続される。トランジスタ６０２が開放状態であるときには、ｎ個のスイッチ６０１ａ〜６０１ｎのうちのいずれか１個のスイッチのみがオンし、そのオンしたスイッチに接続されたアンテナの受信信号を入力することができる。また、トランジスタ６０２が第１の抵抗値での接続状態であるときには、ｎ個のスイッチ６０１ａ〜６０１ｎのすべてがオフになり、参照信号を入力することができる。入力ポートＰ１〜Ｐｎの数が増えても、トランジスタ６０２は１個だけでよい。アンテナ１０１ａ〜１０１ｎの数を増やすことにより、多画素のイメージセンサを構成することができる。アンテナ１０１ａ〜１０１ｎの数を増やしても、スイッチ回路６００の面積を比較的小さくすることができる。

例えば、スイッチ６０１ａをオンし、スイッチ６０１ｂ〜６０１ｎをオフし、トランジスタ６０２を開放状態にし、アンテナ１０１ａの受信信号を入力する。その後、スイッチ６０１ａ〜６０１ｎをオフし、トランジスタ６０２を第１の抵抗値での接続状態にし、参照信号を入力する。その後、加算器１０９は、アンテナ１０１ａの受信信号と参照信号との差分信号をアンテナ１０１ａの画素信号として出力する。

次に、スイッチ６０１ｂをオンし、スイッチ６０１ａ，６０１ｃ〜６０１ｎをオフし、トランジスタ６０２を開放状態にし、アンテナ１０１ｂの受信信号を入力する。その後、スイッチ６０１ａ〜６０１ｎをオフし、トランジスタ６０２を第１の抵抗値での接続状態にし、参照信号を入力する。その後、加算器１０９は、アンテナ１０１ｂの受信信号と参照信号との差分信号をアンテナ１０１ｂの画素信号として出力する。以後、同様に、アンテナ１０１ｎの画素信号までを順次出力する。これにより、複数の画素の信号を生成することができる。

以上のように、第１〜第５の実施形態の受信装置は、無線信号を受信するための１個以上のアンテナ１０１ａ〜１０１ｎと、１個以上のアンテナ１０１ａ〜１０１ｎに接続されるスイッチ回路６００と、スイッチ回路６００を介して１個以上のアンテナ１０１ａ〜１０１ｎに接続される差分回路１０７〜１０９とを有する。

スイッチ回路６００は、１個以上のアンテナ１０１ａ〜１０１ｎにそれぞれ接続される１個以上の入力ポートＰ１〜Ｐｎと、１個以上の入力ポートＰ１〜Ｐｎのそれぞれに接続される１個以上のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ〜６０１ｎと、１個以上のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ〜６０１ｎを介して１個以上の入力ポートＰ１〜Ｐｎに接続される１個の出力ポートＰｎ＋１とを有する。トランジスタ６０２は、出力ポートＰｎ＋１及び基準電位ノード間に接続され、制御電圧Ｖｃが第１の制御電圧では出力ポートＰｎ＋１及び基準電位ノード間を開放状態にし、制御電圧Ｖｃが第２の制御電圧では出力ポートＰｎ＋１及び基準電位ノード間を第１の抵抗値での接続状態にする。

差分回路１０７〜１０９は、１個以上のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ〜６０１ｎのうちのいずれか１個がオンでありかつトランジスタ６０２に第１の制御電圧が入力されるときのスイッチ回路６００の出力ポートＰｎ＋１の第１の出力信号を入力し、１個以上のＳＰＳＴスイッチ６０１ａ〜６０１ｎのすべてがオフでありかつトランジスタ６０２に第２の制御電圧が入力されるときのスイッチ回路６００の出力ポートＰｎ＋１の第２の出力信号を入力し、第１の出力信号と第２の出力信号との差分信号を出力する。

第１〜第５の実施形態によれば、複数の入力ポートＰ１〜Ｐｎを容易に設けることができる。トランジスタ６０２は、開放状態及び第１の抵抗値での接続状態を実現することができるので、スイッチ及び抵抗を別々に設ける場合に比べて、小型にすることができる。また、入力ポートＰ１〜Ｐｎ及び出力ポートＰｎ＋１間のスイッチ数が少ないので、低損失のスイッチ回路を実現することができる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

ディッケ型受信装置の構成例を示す図である。２個のアンテナの受信信号をスイッチにより切り替えてミリ波受信器に入力する受信装置の構成例を示す図である。２個のアンテナの受信信号をスイッチにより切り替えてミリ波受信器に入力する受信装置の他の構成例を示す図である。図４（Ａ）は図２の受信装置のスイッチの状態を示し、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のスイッチ状態におけるシミュレーションによるスイッチの通過及び反射特性を示す図である。図５（Ａ）は図２の受信装置のスイッチの状態を示し、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のスイッチ状態におけるシミュレーションによるスイッチの通過及び反射特性を示す図である。本発明の第１の実施形態による受信装置内のスイッチ回路の構成例を示す回路図である。図７（Ａ）〜（Ｃ）は図６のＳＰＳＴスイッチの構成例を示す回路図である。図６の受信装置のシミュレーションによるスイッチの通過及び反射特性を示す図である。図６の受信装置のシミュレーションによるスイッチの通過及び反射特性を示す図である。本発明の第２の実施形態による受信装置内のスイッチ回路の構成例を示す回路図である。本発明の第３の実施形態による受信装置内のスイッチ回路の構成例を示す回路図である。本発明の第４の実施形態による受信装置内のスイッチ回路の構成例を示す回路図である。本発明の第５の実施形態による受信装置内のスイッチ回路の構成例を示す回路図である。

符号の説明

１０１，１０１ａ〜１０１ｎアンテナ
１０２抵抗
１０３，１０５スイッチ
１０４ミリ波受信器
１０６スイッチドライバ
１０７，１０８演算器
１０９加算器
１１０ローパスフィルタ
１１１データ計測部
６００スイッチ回路
６０１ａ〜６０１ｎスイッチ
６０２トランジスタ

Claims

１個以上の入力ポートと、
前記１個以上の入力ポートのそれぞれに接続される１個以上の単極単投スイッチと、
前記１個以上の単極単投スイッチを介して前記１個以上の入力ポートに接続される１個の出力ポートと、
前記出力ポート及び基準電位ノード間に接続され、第１の制御電圧では前記出力ポート及び前記基準電位ノード間を開放状態にし、第２の制御電圧では前記出力ポート及び前記基準電位ノード間を第１の抵抗値での接続状態にするトランジスタと
を有することを特徴とするスイッチ回路。
さらに、前記トランジスタ及び前記出力ノード間に接続される１／２波長の整数倍の線路長をもつ伝送線路を有することを特徴とする請求項１記載のスイッチ回路。
さらに、前記トランジスタ及び前記出力ノード間に接続されるインダクタ及び容量を有することを特徴とする請求項１記載のスイッチ回路。
さらに、前記トランジスタ及び前記出力ノード間に接続される容量と、
前記トランジスタ及び前記容量の相互接続点と直流電圧ノードとの間に接続されるチョークコイルとを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスイッチ回路。
無線信号を受信するための１個以上のアンテナと、
前記１個以上のアンテナに接続されるスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を介して前記１個以上のアンテナに接続される差分回路とを有し、
前記スイッチ回路は、
前記１個以上のアンテナにそれぞれ接続される１個以上の入力ポートと、
前記１個以上の入力ポートのそれぞれに接続される１個以上の単極単投スイッチと、
前記１個以上の単極単投スイッチを介して前記１個以上の入力ポートに接続される１個の出力ポートと、
前記出力ポート及び基準電位ノード間に接続され、第１の制御電圧では前記出力ポート及び前記基準電位ノード間を開放状態にし、第２の制御電圧では前記出力ポート及び前記基準電位ノード間を第１の抵抗値での接続状態にするトランジスタとを有し、
前記差分回路は、前記１個以上の単極単投スイッチのうちのいずれか１個がオンでありかつ前記トランジスタに前記第１の制御電圧が入力されるときの前記スイッチ回路の出力ポートの第１の出力信号を入力し、前記１個以上の単極単投スイッチのすべてがオフでありかつ前記トランジスタに前記第２の制御電圧が入力されるときの前記スイッチ回路の出力ポートの第２の出力信号を入力し、前記第１の出力信号と前記第２の出力信号との差分信号を出力することを特徴とする受信装置。