JP2010226559A - High-frequency switch and receiving circuit - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波やミリ波等の高周波信号の切替を行う高周波スイッチ及びこれを用いた受信回路に関するものである。 The present invention relates to a high-frequency switch for switching high-frequency signals such as microwaves and millimeter waves, and a receiving circuit using the same.
無線通信機やレーダ装置では、マイクロ波やミリ波などの高周波の搬送波を通信や探査に用いる信号で変調し、これを無線周波数(RF)信号として送信している。また、このようなRF信号を受信する受信系では、ダイレクトコンバージョン受信方式や、スーパーヘテロダイン方式などの各種方式により、ミキサを用いてRF信号を低い周波数の信号にダウンコンバートして処理している。 In wireless communication devices and radar devices, a high-frequency carrier wave such as a microwave or a millimeter wave is modulated with a signal used for communication or exploration, and this is transmitted as a radio frequency (RF) signal. In a receiving system that receives such an RF signal, the RF signal is down-converted to a low-frequency signal using a mixer by various methods such as a direct conversion receiving method and a superheterodyne method.
RF信号をダウンコンバートするのに用いるミキサには、ダブルバランス型、ギルバートセル型など各種のものが存在するが、これらのミキサではローカル信号の漏洩によるセルフミキシングの問題がある。各ミキサの回路が完全にバランスした理想的な状態ではこのような問題は起きないが、実際には各ミキサの回路を完全にバランスさせることは極めて困難である。そのため、ローカル信号がミキサのRF入力端子から漏洩し、この信号がLNA(低雑音増幅回路)などの回路で反射されて再びミキサに入力される。ミキサに戻った漏洩信号は、ローカル信号と掛け合わされることでセルフミキシングと呼ばれる信号が発生する。 There are various types of mixers, such as a double balance type and a Gilbert cell type, used for down-converting an RF signal. However, these mixers have a problem of self-mixing due to leakage of local signals. In an ideal state where the circuits of each mixer are perfectly balanced, such a problem does not occur, but in reality, it is extremely difficult to perfectly balance the circuits of each mixer. Therefore, a local signal leaks from the RF input terminal of the mixer, and this signal is reflected by a circuit such as an LNA (low noise amplifier circuit) and input again to the mixer. The leaked signal returned to the mixer is multiplied with the local signal to generate a signal called self-mixing.
セルフミキシング信号には、スタティックな成分とダイナミックな成分がある。スタティックな成分は、回路中の各所の反射点に依存して発生する時間的に変動が無い成分である。また、ダイナミックな成分は、アンテナを取り巻く環境の変動に依存して受信アンテナの出力インピーダンスが変動する場合や、構成要素に時分割動作する回路が含まれている場合など、反射点の時間変化に起因して発生する成分である。 The self-mixing signal has a static component and a dynamic component. The static component is a component that does not vary with time and is generated depending on the reflection points at various points in the circuit. In addition, the dynamic component is caused by the time variation of the reflection point, such as when the output impedance of the receiving antenna varies depending on the environment surrounding the antenna, or when the component includes a circuit that operates in a time-sharing manner. It is a component generated due to this.
一例として、図17に示す受信回路900では、ローカル(LO)信号源901で生成されたLO信号906がミキサ902から漏洩し、これが増幅器903を経由して受信アンテナ904に至り、ここで反射された反射波907が再びミキサ902に戻り、ここでLO信号906と掛け合わされてセルフミキシング信号908が発生する。この場合、受信アンテナ904の出力インピーダンスが、周辺に配置されている部品等の影響を受けて変動すると、受信アンテナ904の反射特性が変化して反射波907が時間的に変動する。これにより、セルフミキシング信号908にダイナミック成分が含まれることになる。
As an example, in the
また、図18は、増幅器903とミキサ902との間に高周波スイッチ911が設けられた受信回路910を例示しており、高周波スイッチ911が時分割制御されて開閉を繰り返す構成となっている。この場合には、高周波スイッチ911で反射された反射波912が、ミキサ902でLO信号906と掛け合わされてセルフミキシング信号913が発生する。高周波スイッチ911が時分割変動することから、セルフミキシング信号913にはダイナミック成分が含まれることになる。
FIG. 18 illustrates a
セルフミキシング信号に含まれるスタティックな成分については、DCカット、またはベースバンド信号の帯域が比較的広い場合にはHPF(ハイパスフィルタ)、を設けることで、直流成分も含めてセルフミキシング信号を除去することが可能である。セルフミキシング信号を除去するように構成された受信回路の一例として、特許文献1では、図19に示すように、増幅器922とミキサ923からなる基本回路と同様に構成されたダミー回路を設けており、それぞれで発生したセルフミキシング信号を相殺させるように構成されている。
For static components included in the self-mixing signal, DC cut or HPF (High Pass Filter) when the baseband signal is relatively wide is provided to remove the self-mixing signal including the DC component. It is possible. As an example of a receiving circuit configured to remove a self-mixing signal, in
一方、セルフミキシング信号のダイナミック成分は、時間的に変化する周波数成分を有する信号となるため、これに相当する遮断特性を持ったHPFが必要となる。しかし、HPFを通過させたときにベースバンド信号から必要な情報量を喪失してしまうおそれがあるため、そのような場合にはHPFを用いることができない。このような問題を解決する従来技術として、例えば非特許文献1に記載のものが知られている。
On the other hand, since the dynamic component of the self-mixing signal is a signal having a frequency component that changes with time, an HPF having a cutoff characteristic corresponding to this is required. However, since the necessary amount of information may be lost from the baseband signal when the HPF is passed, the HPF cannot be used in such a case. As a prior art for solving such a problem, for example, the one described in Non-Patent
非特許文献1では、ローカル信号の漏れ信号が反射点に到達する前に低減させることを目的に、図20に示すように、ミキサ931から漏れたリーク信号の反射点となるLNA932の前方(ミキサ931側)にバッファアンプ933を設けている。LNA932の前方にバッファアンプ933を追加することで、リーク信号が反射点のLNA932に到達する前にバッファアンプ933で低減されるようにしている。また、特許文献1のダミー回路を設ける方法でも、適用する部位によってはダイナミック成分を相殺させることが可能となる。
In
高周波スイッチが設けられた回路の一例として、図18に示した受信回路910を対象に、非特許文献1のように高周波スイッチの前方にバッファアンプを設ける場合(以下では従来事例1とする)、及び特許文献1のようなダミー回路(高周波スイッチを含む)を設ける場合(以下では従来事例2とする)について、セルフミキシング信号がどのように低減されるかを、図21を用いて説明する。図21は、セルフミキシング信号がそれぞれの手段で低減されることを模式的に示した説明図である。
As an example of a circuit provided with a high frequency switch, when a buffer amplifier is provided in front of the high frequency switch as in
図21(a)は、LO信号源901で生成されるLO信号の一例を示している。ここでは、スイッチ911がオン(閉)の時間長とオフ(開)の時間長とを等しくして周期Tでオン/オフするものとする。スイッチ911がオンのときにこれを通過した希望信号の波形を図21(b)の左図に、またこれをLO信号でダウンコンバートしたベースバンド信号のスペクトラムを図21(b)の右図にそれぞれ示す。希望信号とは別に、LO信号がミキサ902からリークしてスイッチ911で反射され、再びミキサ902に戻る反射波の波形を図21(c)の左図に、またこれをLO信号でダウンコンバートしたセルフミキシング信号のスペクトラムを図21(c)の右図に示す。図21(b)、(c)の右図に示すスペクトラムは、左図に示す信号波形の包絡線で形成される信号のスペクトラムとなっている。
FIG. 21A shows an example of the LO signal generated by the
スイッチ911の反射特性は、スイッチ911がオフのときに大きく、オンのときは小さくなることから、ミキサ902からのリーク信号は、図21(c)の左図に示すように、スイッチ911がオフのときに大きく反射され、スイッチ911がオンのときにはほとんど反射されずに通過してしまう。また、スイッチ911が同じ時間長でオンとオフを繰り返していることから、スイッチ911で反射された反射波から発生するセルフミキシング信号のスペクトラム(図21(c)の右図)は、図21(b)の右図に示す希望信号のスペクトラムにほぼ等しくなっている。このように、希望信号のスペクトラムとセルフミキシング信号のスペクトラムが同じような周波数成分を持つ場合には、周波数軸上で両者を区別することはできない。そのため、フィルタを用いてセルフミキシング信号を除去することができない。
Since the reflection characteristic of the
これに対し、スイッチ911とミキサ902との間にバッファアンプを設ける従来事例1の場合には、該バッファアンプでスイッチ911に達するリーク信号が低減されるため、図21(d)の左図に示すように、ミキサ902に戻ってくる反射波の電力が大幅に低減される。また、図21(d)の右図に示すセルフミキシング信号のスペクトルにおいても、各周波数成分が大幅に低減されている。
On the other hand, in the case of the
スイッチ911を含むダミー回路を設ける従来事例2の場合には、図21(e)の左図に示すように、基本回路側で発生するセルフミキシング信号がダミー回路側で発生する逆位相のダミー信号でキャンセルされ、これによりセルフミキシング信号の電力が大幅に低減される。また、図21(e)の右図に示すセルフミキシング信号のスペクトルにおいても、各周波数成分が大幅に低減されている。
In the case of the
しかしながら、バッファアンプを追加する従来事例1の場合は、セルフミキシング信号の低減に効果があるものの、バッファアンプを追加することで部品点数が増加し、寸法の増大や消費電力の増加等の問題がある。特に、 RF信号周波数が、準ミリ波、ミリ波などの高周波帯の信号を用いる無線機やレーダ装置では、部品コスト、バッファ性能、電力効率等の観点からバッファアンプを追加するのは好ましくない。 However, in the case of the conventional example 1 in which a buffer amplifier is added, although there is an effect in reducing the self-mixing signal, the addition of the buffer amplifier increases the number of parts, and there are problems such as an increase in size and an increase in power consumption. is there. In particular, it is not preferable to add a buffer amplifier from the viewpoints of component cost, buffer performance, power efficiency, and the like in radio equipment and radar devices that use high frequency band signals such as quasi-millimeter waves and millimeter waves.
ダミー回路を設ける従来事例2の場合でも、従来事例1と同様に部品点数、回路規模、消費電力等の問題がある。また、この方法では、ダイナミックなセルフミキシング信号の発生箇所がミキサから離れるほどダミー回路の構成要素が増えることになり、適用することがさらに難しくなるといった問題もある。
Even in the case of the
そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、簡単な構成でセルフミキシング信号の発生を低減する高周波スイッチ及びこれを用いた受信回路を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a high-frequency switch that reduces the generation of a self-mixing signal with a simple configuration and a receiving circuit using the same.
本発明の高周波スイッチの第1の態様は、入力端子から入力した高周波信号を出力端子に導通させる導通状態と遮断する遮断状態とを切り替える高周波スイッチであって、前記導通状態における反射特性と前記遮断状態における反射特性とが略等しいことを特徴とする。 A first aspect of the high-frequency switch according to the present invention is a high-frequency switch that switches between a conductive state in which a high-frequency signal input from an input terminal is conducted to an output terminal and a cut-off state in which the high-frequency signal is cut off. The reflection characteristic in the state is substantially equal.
本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記入力端子側と前記出力端子側の少なくともいずれか一方に、前記反射特性を調整するための整合回路が設けられていることを特徴とする。 Another aspect of the high-frequency switch according to the present invention is characterized in that a matching circuit for adjusting the reflection characteristic is provided on at least one of the input terminal side and the output terminal side.
本発明の高周波スイッチの他の態様は、アノード側が前記入力端子に接続された第1のPINダイオードと、アノード側が前記出力端子に接続され、カソード側が前記第1のPINダイオードのカソード側に接続された第2のPINダイオードと、アノード側が前記第1のPINダイオードのカソード側と前記第2のPINダイオードのカソード側との間に接続され、カソード側が接地された1以上の第3のPINダイオードと、を備えることを特徴とする。 In another aspect of the high frequency switch of the present invention, the anode side is connected to the input terminal, the anode side is connected to the output terminal, and the cathode side is connected to the cathode side of the first PIN diode. A second PIN diode, and one or more third PIN diodes whose anode side is connected between the cathode side of the first PIN diode and the cathode side of the second PIN diode, and whose cathode side is grounded It is characterized by providing.
本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記整合回路は、前記第1のPINダイオードと前記第2のPINダイオードの少なくともいずれか一方のアノード側とカソード側に接続されていることを特徴とする。 Another aspect of the high frequency switch of the present invention is characterized in that the matching circuit is connected to an anode side and a cathode side of at least one of the first PIN diode and the second PIN diode. .
本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記整合回路は、直列に接続されたコンデンサと抵抗とを備え、前記第1のPINダイオードまたは前記第2のPINダイオードのアノード側及びカソード側が、それぞれ前記コンデンサ及び前記抵抗に接続されていることを特徴とする。 In another aspect of the high-frequency switch of the present invention, the matching circuit includes a capacitor and a resistor connected in series, and the anode side and the cathode side of the first PIN diode or the second PIN diode are respectively connected to the first and second PIN diodes. The capacitor is connected to the resistor.
本発明の高周波スイッチの他の態様は、ゲート端子が前記入力端子側に接続され、ドレイン端子が前記出力端子側に接続され、ソースが接地された電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタのゲート端子側に接続されるゲートバイアス電圧調整手段とドレイン端子側に接続されるドレインバイアス電圧調整手段の少なくともいずれか一方を備えることを特徴とする。 Another aspect of the high frequency switch of the present invention is a field effect transistor having a gate terminal connected to the input terminal side, a drain terminal connected to the output terminal side, and a source grounded, and a gate terminal of the field effect transistor At least one of gate bias voltage adjusting means connected to the drain terminal and drain bias voltage adjusting means connected to the drain terminal side.
本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記整合回路は、前記ゲート端子と前記入力端子との間及び前記ドレイン端子と前記出力端子との間の少なくともいずれか一方に接続されていることを特徴とする。 In another aspect of the high frequency switch of the present invention, the matching circuit is connected to at least one of the gate terminal and the input terminal and the drain terminal and the output terminal. And
本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記整合回路は、入力側と出力側の間に直列に接続されたインダクタと、一端が前記インダクタと出力側の間に並列に接続され他端が接地されたコンデンサと、を備えることを特徴とする。 In another aspect of the high frequency switch of the present invention, the matching circuit includes an inductor connected in series between the input side and the output side, one end connected in parallel between the inductor and the output side, and the other end grounded And a capacitor.
本発明の受信回路の第1の態様は、受信アンテナで受信された高周波信号を入力し、これを所定のベースバンド信号に変換する受信回路であって、前記高周波信号を入力する第1乃至第8の態様のいずれか1つに記載の高周波スイッチと、前記高周波スイッチの出力端子側に高周波信号入力端が接続されたミキサと、前記ミキサの低周波信号出力端側に接続された直流遮断手段と、前記ミキサのローカル信号入力端側に接続された局部発振器と、を備え、前記高周波スイッチによる前記高周波信号の導通と遮断との切り替えを行う制御周波数が、前記ベースバンド信号の周波数の少なくとも一部と一致していることを特徴とする。
According to a first aspect of the receiving circuit of the present invention, there is provided a receiving circuit for inputting a high frequency signal received by a receiving antenna and converting the high frequency signal into a predetermined baseband signal. 8. The high frequency switch according to any one of
本発明によれば、該高周波スイッチの開閉動作に伴う反射特性の変化を抑制することで、簡単な構成でセルフミキシング信号の発生を低減する高周波スイッチ及びこれを用いた受信回路を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a high-frequency switch that reduces the generation of self-mixing signals with a simple configuration and a receiving circuit using the same by suppressing a change in reflection characteristics accompanying the opening and closing operation of the high-frequency switch. it can.
本発明の好ましい実施の形態における高周波スイッチ及びこれを用いた受信回路について、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。本発明は、開閉状態によらず反射特性が略一定となるように構成された高周波スイッチ、及び該高周波スイッチを用いた受信回路に関するものである。このような受信回路は、無線通信機やレーダ装置の受信回路に適用するのに好適である。 A high-frequency switch and a receiving circuit using the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each component having the same function is denoted by the same reference numeral for simplification of illustration and description. The present invention relates to a high-frequency switch configured so that reflection characteristics are substantially constant regardless of an open / closed state, and a receiving circuit using the high-frequency switch. Such a receiving circuit is suitable for application to a receiving circuit of a radio communication device or a radar device.
本発明の実施の形態に係る高周波スイッチを、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態の高周波スイッチ100の構成を示すブロック図である。本実施形態の高周波スイッチ100は、入力端101と出力端102との間で直列に接続されたPINダイオード103、104と、PINダイオード103と104との間に並列に接続された3つのPINダイオード111〜113と、コンデンサ121及び抵抗122で構成された第1の整合回路120と、コンデンサ131及び抵抗132で構成された第2の整合回路130とを備えている。なお、並列に接続されたPINダイオードは、必要な高周波特性によって数量を適宜変更すればよく、3つに限定されるものではない。
A high-frequency switch according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the high-
高周波スイッチ100をオン(導通状態)にするときは、PINダイオード103、104をオンにする一方、PINダイオード111〜113をすべてオフにする。また、高周波スイッチ100をオフ(遮断状態)にするときは、PINダイオード103、104をオフにする一方、PINダイオード111〜113をすべてオンにする。本実施形態の高周波スイッチ100では、整合回路120及び130を適切に調整することで、導通時/遮断時にかかわらず、入力端101から入力された高周波信号が高周波スイッチ100で反射されないようにすることができ、吸収型のスイッチに構成されている。
When the high-
本実施形態の高周波スイッチ100との比較のために、従来の反射型の高周波スイッチの構成を図2に示す。同図に示す従来の高周波スイッチ940は、入力端941と出力端942との間に3つのPINダイオード945〜947が並列に接続されている。高周波スイッチ940がオンのときは、PINダイオード945〜947がオフにされ、高周波スイッチ940がオフのときは、PINダイオード945〜947がオンにされてショートされた状態となる。PINダイオード945〜947がショートされた状態では、入力端941側、出力端942側のいずれから入力される信号も全反射される。なお、並列に接続されたPINダイオードは、必要な高周波特性によって数量を適宜変更すればよく、3つに限定されるものではない。
For comparison with the
本実施形態の高周波スイッチ100及び従来の高周波スイッチ940について、それぞれの反射特性を図3に示す。図3(a)は、高周波スイッチ100の反射特性を示すスミスチャートであり、図3(b)は、高周波スイッチ940の反射特性を示すスミスチャートである。図3(a)に示す高周波スイッチ100の反射特性では、高周波スイッチ100のオン/オフにかかわらず、インピーダンスが特性インピーダンスに整合されており、ともに反射がないことを示している。このように、本実施形態の高周波スイッチ100では、反射特性が、オン/オフにかかわらず一定となるように構成されている。
The reflection characteristics of the high-
高周波スイッチ100がオンのときもオフのときも、反射特性を常に一定にするために、第1の整合回路120及び第2の整合回路130が備えられている。第1の整合回路120及び第2の整合回路130を構成しているコンデンサ121、131の容量、及び抵抗122、132の抵抗値を調整することで、導通時のインピーダンス及び遮断時のインピーダンスを、ともに特性インピーダンスに整合させることができる。なお、本実施形態の第1の整合回路120及び第2の整合回路130は、ともにコンデンサと抵抗を組みわせて構成されているが、これに限定されるものではない。
A
これに対し、図3(b)に示す従来の高周波スイッチ940の反射特性では、高周波スイッチ940がオンのときはインピーダンスが特性インピーダンスに一致して反射が生じないのに対し、オフのときには全反射されることが示されている。すなわち、従来の高周波スイッチ940では、オンのときとオフのときとでインピーダンスが変化しており、それに伴って高周波スイッチ940で反射される反射波には、高周波スイッチ940の制御周波数に相当するダイナミック成分が含まれることになる。
On the other hand, in the reflection characteristics of the conventional
上記説明のように、本実施形態の高周波スイッチ100では、オン/オフにかかわらず反射特性を十分小さくすることができる。また、反射がある場合でもオンとオフとで反射特性が一定となるように調整することができ、高周波スイッチ100で反射された反射波でセルフミキシング信号が生成されても、該ミキシング信号にダイナミック成分が含まれないようにすることができる。
As described above, in the high-
本発明の実施の形態に係る受信回路を、図4を用いて説明する。図4は、本実施形態の高周波スイッチ100を用いた受信回路10を示すブロック図である。受信回路10は、高周波スイッチ100に加えてミキサ11と、局部発振器12と、増幅器13と、コンデンサ14とを備えており、受信アンテナ20に接続されている。
A receiving circuit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram showing a receiving
受信回路10は、受信アンテナ20で受信した受信信号を増幅器13で増幅し、高周波スイッチ100を経由してミキサ11に入力される。ミキサ11に入力された受信信号は、局部発振器12から入力されるLO信号と掛け合わされてベースバンド信号にダウンコンバートされる。コンデンサ14は、ミキサ11から出力される信号のうち直流成分を遮断させて出力する。このようにして復調されたベースバンド信号は、所定の信号処理部で処理されてデータが取り出される。
The receiving
高周波スイッチ100は、ベースバンド信号の周波数帯の少なくとも一部と重複する周波数で制御される。本実施形態の高周波スイッチ100は、オンとオフとで反射特性が一定となるように構成されていることから、ミキサ11からLO信号が漏洩して高周波スイッチ100に達しても、高周波スイッチ100で反射された反射波にはダイナミック成分が含まれていない。特に、本実施形態では高周波スイッチ100が吸収型のスイッチに構成されていることから、高周波スイッチ100で反射される反射波が十分に低減されている。
The
上記のように、時分割動作する高周波スイッチ100の反射特性が一定となっていることから、ミキサ11から漏洩したLO信号が高周波スイッチ100で反射されたとしても、反射波にはダイナミック成分がほとんど含まれていない。また、直流成分については、直流遮断手段であるコンデンサ15で遮断することができる。
As described above, since the reflection characteristics of the high-
高周波スイッチ100で反射されてミキサ11に戻る反射波の波形、及びこの反射波がミキサ11でLO信号と掛け合わされて発生するセルフミキシング信号のスペクトルの一例を図5に示す。図5(a)は、高周波スイッチ100で反射された反射波の波形を模式的に示す図であり、図5(b)は、高周波スイッチ100で反射された反射波をミキサ11でダウンコンバートしたセルフミキシング信号のスペクトルである。反射特性が一定となっている本実施形態の高周波スイッチ100を用いることでダイナミック成分が低減され、コンデンサ16で直流成分も低減される。その結果、図5に示すように、ミキサ11に戻るリーク信号は十分低減されており、セルフミキシング信号のスペクトルにも希望信号と同じ高周波成分がほとんど含まれていない。
FIG. 5 shows an example of a waveform of a reflected wave reflected by the high-
本実施形態の高周波スイッチ100では、スイッチオフ時の反射量をROFF、スイッチオン時の反射量をRONとしたとき、|RON/ROFF|が略1となるように整合回路120、130が調整されている。
In the high-
本実施形態の高周波スイッチ100を備えた受信回路10と、従来の反射型のスイッチを備えた受信回路について、それぞれのスイッチのオン/オフに伴う反射特性及びセルフミキシング信号強度の変化を、模式的に図6に示す。従来のスイッチを備えた受信回路として、図7(a)に示すようなセルフミキシング信号を低減させる手段を持たない構成の受信回路950(比較例1とする)と、図7(b)に示すようなバッファアンプを備えた受信回路960(比較例2とする)を対象に、本実施形態の受信回路10と比較する。
For the receiving
以下では、一例としてローカル信号がミキサ11のRF入力端子から漏洩するレベルを0dBm、ミキサ11の変換損失を0dBとする。また、従来の反射型のスイッチ951の反射特性を、導通時に−20dB、遮断時に0dBとする。バッファアンプ961のアイソレーション性能(バッファ量)は、20dBとする。さらに、本実施形態の高周波スイッチ100の反射特性を、オン時/オフ時とも−20dBとする。
In the following, it is assumed that the level at which a local signal leaks from the RF input terminal of the
図6(a)は、比較例1の受信回路950におけるスイッチ951の反射特性(上段)、及びセルフミキシング信号強度(下段)、のそれぞれの変化を示している。ここでは、スイッチ951の反射特性がオフのときに0dB(完全反射)、オンのときに−20dBとしており、これによりセルフミキシング信号の強度がオフのときに0dBm(完全反射)、オンのときに−20dBmに変化するとしている。
FIG. 6A shows changes in the reflection characteristics (upper stage) and the self-mixing signal strength (lower stage) of the
比較例2の受信回路960では、上記の反射特性を有するスイッチ951の手前にバッファアンプ961が設けられており、図6(b)は、スイッチ951をオン/オフしたときのスイッチ951の反射特性(上段)、及びセルフミキシング信号強度(下段)、のそれぞれの変化を示している。スイッチ951の反射特性の変化は図6(a)に示したものと同じであるが、セルフミキシング信号の強度は、図6(b)に示したものに比べて−20dBm低減されており、スイッチ951がオフのときに−20dBm、オンのときに−40dBmに変化している。
In the receiving
これに対し、本実施形態の高周波スイッチ100を備えた受信回路10では、図6(c)の上段に示すように、高周波スイッチ100がオフのときにも反射特性が−20dBとなり、オン/オフにかかわらず反射特性が一定となっている。その結果、セルフミキシング信号の強度は、図6(c)の下段に示すように、高周波スイッチ100のオン/オフにかかわらず常に一定となっている。
On the other hand, in the receiving
上記では、本実施形態の高周波スイッチ100が、オン/オフによらず反射特性が常に一定であるとしていたが、温度変動や製造上のばらつき等によって反射特性の変化を十分に低減できない場合も考えられる。そこで、高周波スイッチ100がオン時とオフ時とで反射特性に差が生じる場合について、以下に説明する。高周波スイッチ100の反射特性がオン/オフで差が生じるときの反射特性及びセルフミキシング信号強度のそれぞれの変化を図8に示す。ここでは、高周波スイッチ100のオン/オフで生じる反射特性の差をXdBで表している。図8は、反射特性がオン/オフでXdB変化するのに伴って、セルフミキシング信号の強度もXdB変化することを示している。
In the above description, the high-
高周波スイッチ100のオン/オフによる反射特性の変化Xをパラメータとしたときの、セルフミキシング信号強度の変化を図9に示す。図9において、例えば高周波スイッチ100の反射特性がオン時とオフ時で5dB(X=5dB)変化する場合には、セルフミキシング信号が10mV程度生じることがわかる。しかし、バッファアンプを1台設ける場合には20mVのセルフミキシング信号が生じることから、バッファアンプを1台設ける場合よりもさらにセルフミキシング信号を抑制することができる。このように、本実施形態の高周波スイッチ100は、反射特性がオン時とオフ時で完全に一致していない場合でも、上記のようにセルフミキシング信号を低減する効果が得られる。
FIG. 9 shows the change in the self-mixing signal intensity when the change X in the reflection characteristics due to the on / off of the high-
本発明の高周波スイッチは、電界効果トランジスタを用いて簡単な構成で提供することができる。以下では、電界効果トランジスタを用いて構成した本発明の高周波スイッチの別の実施形態を、図10を用いて説明する。図10は、電界効果トランジスタ210を用いて構成した別の実施形態の高周波スイッチ200のブロック図である。高周波スイッチ200は、電界効果トランジスタ210を増幅器として動作させ、トランジスタの増幅率を制御することにより、信号の導通/遮断を切り替え可能にしている。
The high-frequency switch of the present invention can be provided with a simple configuration using a field effect transistor. In the following, another embodiment of the high-frequency switch of the present invention configured using field effect transistors will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a block diagram of a high-
電界効果トランジスタ210は、ゲート端子211が入力整合回路220を介して入力端子201に接続され、ドレイン端子212が出力整合回路230を介して出力端子202に接続されている。トランジスタの増幅率の制御は、ゲートバイアス電圧、ドレインバイアス電圧の少なくとも一つを調整することによって行われるため、電界効果トランジスタ210のゲート端子211に接続されたゲートバイアス電圧調整手段240、及び電界効果トランジスタ210のドレイン端子212に接続されたドレインバイアス電圧調整手段250を備えている。ゲートバイアス電圧調整手段240及びドレインバイアス電圧調整手段250のうち、いずれか一方のみを備えるようにしてもよい。
The
本実施形態の高周波スイッチ200では、電界効果トランジスタ210の導通状態における反射係数をΓon、遮断状態における反射係数をΓoffとしたとき、入力整合回路220、出力整合回路230のSパラメータの少なくとも一方が、
出力整合回路230の一例を図11に示す。同図に示す出力整合回路230は、直列に接続されたインダクタ231と並列に接続されたコンデンサ232との2素子で構成されている。電界効果トランジスタ210の反射係数Γon及びΓoffは、その値が事前に決まっていることから、整合回路230のパラメータであるインダクタ231のインダクタンス、及びコンデンサ232の容量を調整することで、式(1)を満たすようにする。なお、ここでは出力整合回路230の構成について説明したが、入力整合回路220についても同様に構成することができる。
An example of the
本実施形態の高周波スイッチ200の反射特性と、従来の電界効果トランジスタを用いた高周波スイッチの反射特性との比較を以下に説明する。ここでは、電界効果トランジスタとして高周波用GaAs電界効果トランジスタを用い、20GHz帯のスイッチとして動作させる場合を例に説明する。高周波スイッチ200は、第1の実施形態の高周波スイッチ100と同様に、受信アンテナ20とミキサ11との間に配置されることから、セルフミキシング信号の強度に影響する電界効果トランジスタ210の出力端側の反射特性を対象に説明する。
A comparison between the reflection characteristic of the high-
図12は、整合回路220,230を備えない電界効果トランジスタを用いた従来のスイッチ(従来型スイッチ1とする)の反射特性を示しており、(a)はデシベル表記、(b)はインピーダンス表記で示したものである。いずれからも、従来型スイッチ1では、オフ時の反射特性が大きく、オン時の反射特性との間で大きな差がみられる。周波数20GHzでは、オン時の反射特性が略−12.9dBであるのに対し、オフ時の反射特性は略−1.20dBとなり、両者に10dB以上の差がみられる。
FIG. 12 shows the reflection characteristics of a conventional switch (conventional switch 1) using a field effect transistor without the matching
また、従来の電界効果トランジスタを用いて導通時の利得が整合するように調整したスイッチ(従来型スイッチ2とする)の反射特性を図13に示す。ここでも、(a)にデシベル表記、(b)にインピーダンス表記の反射特性を示している。従来型スイッチ2の場合には、導通時の反射が十分に抑制されて利得が大きくなるように調整されているものの、遮断時の反射は従来型スイッチ1と同様に大きい。周波数20GHzでは、導通時の反射特性が略−54.8dBと十分小さいのに対し、遮断時の反射特性は略−0.93dBとなり、導通時の反射特性と大きな差がある。
In addition, FIG. 13 shows the reflection characteristics of a switch (conventional switch 2) adjusted using a conventional field-effect transistor so that the gain during conduction is matched. Also here, (a) shows the reflection characteristic in decibel notation, and (b) shows the reflection characteristic in impedance notation. In the case of the
これに対し、本実施形態の高周波スイッチ200は、図14に示すような反射特性を有している。図14は、高周波スイッチ200の反射特性を示しており、(a)はデシベル表記であり、(b)はインピーダンス表記である。本実施形態の高周波スイッチ200では、整合回路220、230を用いて導通時の反射特性と遮断時の反射特性が略等しくなるように調整されている。図14(a)より、周波数20GHzにおける反射特性は、導通時に略−4.1dB、遮断時も略−4.1dBとなっており、高周波スイッチ200のオン/オフによって反射特性が変化しないようにしている。これにより、セルフミキシング信号にダイナミック成分が含まれないようにしている。
On the other hand, the
つぎに、本実施形態の高周波スイッチ200の反射特性の変化がセルフミキシング信号の強度に与える影響を以下に説明する。ここでも、ローカル信号がミキサのRF入力端子から漏洩するレベルを0dBm、ミキサの変換損失を0dB、バッファアンプのアイソレーション性能を20dBとする。高周波スイッチ200の反射特性の変化量をパラメータとしたときのセルフミキシング信号強度の変化を図15に示す。図15(a)では、比較対象として従来型スイッチ1の手前に20dBのバッファアンプを配置したときのセルフミキシング信号の強度を示しており、図15(b)では、比較対象として従来型スイッチ2の手前に20dBのバッファアンプを配置したときのセルフミキシング信号の強度を示している。
Next, the influence of the change in the reflection characteristics of the high-
高周波スイッチ200を用いた場合には、反射特性の変化量に略比例してセルフミキシング信号強度が増加している。図15(a)では、本実施形態の高周波スイッチ200の反射特性の変化量が、従来型スイッチ1に20dBのバッファアンプを配置した場合のセルフミキシング信号強度と一致する反射特性の変化量(略0.9dB)以下であれば、高周波スイッチ200の方が従来技術による対策に比べ、セルミキシング信号を低減できることを示している。同様に図15(b)では、本実施形態の高周波スイッチ200の反射特性の変化量が、従来型スイッチ2に20dBのバッファアンプを配置した場合のセルフミキシング信号強度と一致する反射特性の変化量(略1.3dB)以下であれば、高周波スイッチ200の方が従来技術による対策に比べ、セルフミキシング信号を低減できることを示している。
When the high-
よって、電界効果トランジスタ210あるいは整合回路220、230等が、温度変動や製造上のばらつき等によって反射特性が変化したとしても、その変化量が0.9dBまたは1.3dB程度以下であれば、本実施形態の高周波スイッチ200の方がセルフミキシング信号を低減できることがわかる。高周波スイッチ200を用いて受信回路を構成するときは、その前方にバッファアンプを設ける必要がないことから、簡単な構成の受信回路を提供することができる。
Therefore, even if the reflection characteristics of the field-
従来型スイッチ1及び従来型スイッチ2の手前に配置するバッファアンプは、周波数が高くなるにつれて、順方向の利得が低減するとともに逆方向のアイソレーションが劣化することが知られており、バッファ効果が低減してしまう。図16に、導通時の利得整合を行った電界効果トランジスタスイッチ(従来型スイッチ2)を適用した従来の受信回路に、さらにバッファアンプを適用し、バッファアンプのバッファ量をパラメータとしたときのセルフミキシング信号の強度と、高周波スイッチ200を適用した受信回路でのセルフミキシング信号強度とを比較して示す。
The buffer amplifiers arranged in front of the
図16では、比較例として、バッファアンプのバッファ効果を15dB、20dB、25dB、30dBとしたときの従来型スイッチ2を用いた受信回路でのセルフミキシング信号強度を示している。バッファアンプのバッファ効果は高周波ほど得られなくなることから、低周波から高周波に変化するのに伴ってバッファ効果が30dBから15dBに低下するものとしている。これより、本実施形態の高周波スイッチ200に許容される反射特性変化量、すなわち高周波スイッチ200を用いた方がセルフミキシング信号を低減できる反射特性変化量は、高周波になるほど大きくなる。よって、受信信号が高周波(例えばミリ波帯、準ミリ波帯)になるほど、高周波スイッチ200によるセルフミキシング信号の低減効果が顕著になり、電界効果トランジスタや整合回路等に対して許容される温度変動、製造上のばらつき等をより大きくできる。
In FIG. 16, as a comparative example, the self-mixing signal strength in the receiving circuit using the
上記説明のように、セルフミキシング信号を低減させるためには、従来のスイッチ及び受信回路では例えばバッファアンプとしてのトランジスタや、ダミー回路としてのミキサなどを追加する必要があるのに対し、本発明の高周波スイッチ及び受信回路では、整合回路のみで対応できるため簡単な構成とすることができ、低コスト化を図ることができる。整合回路を構成する素子には、チップ部品等の集中定数部品、及びマイクロストリップ線路を用いたスタブ等の分布定数部品のいずれを用いることもできる。 As described above, in order to reduce the self-mixing signal, in the conventional switch and receiving circuit, for example, it is necessary to add a transistor as a buffer amplifier, a mixer as a dummy circuit, and the like. Since the high-frequency switch and the receiving circuit can be handled only by the matching circuit, the configuration can be simplified and the cost can be reduced. As the element constituting the matching circuit, either a lumped constant component such as a chip component or a distributed constant component such as a stub using a microstrip line can be used.
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る高周波スイッチ及び受信回路の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における高周波スイッチ等の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 Note that the description in the present embodiment shows an example of the high-frequency switch and the receiving circuit according to the present invention, and the present invention is not limited to this. The detailed configuration and detailed operation of the high-frequency switch and the like in this embodiment can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
10 受信回路
11 ミキサ
12 局部発振器
13 増幅器
20 受信アンテナ
100、200 高周波スイッチ
101、201 入力端
102、202 出力端
103、104、111〜113 PINダイオード
14、121、131、232 コンデンサ
120 第1の整合回路
122、132 抵抗
130 第2の整合回路
210 電界効果トランジスタ
211 ゲート端子
212 ドレイン端子
220 入力整合回路
230 出力整合回路
231 インダクタ
240 ゲートバイアス電圧調整手段
250 ドレインバイアス電圧調整手段
10 receiving
Claims (9)
前記導通状態における反射特性と前記遮断状態における反射特性とが略等しい
ことを特徴とする高周波スイッチ。 A high-frequency switch that switches between a conducting state for conducting a high-frequency signal input from an input terminal to an output terminal and a blocking state for shutting off,
The high-frequency switch according to claim 1, wherein the reflection characteristic in the conductive state and the reflection characteristic in the cutoff state are substantially equal.
ことを特徴とする請求項1に記載の高周波スイッチ。 The high-frequency switch according to claim 1, wherein a matching circuit for adjusting the reflection characteristic is provided on at least one of the input terminal side and the output terminal side.
アノード側が前記出力端子に接続され、カソード側が前記第1のPINダイオードのカソード側に接続された第2のPINダイオードと、
アノード側が前記第1のPINダイオードのカソード側と前記第2のPINダイオードのカソード側との間に接続され、カソード側が接地された1以上の第3のPINダイオードと、を備える
ことを特徴とする請求項1または2に記載の高周波スイッチ。 A first PIN diode having an anode connected to the input terminal;
A second PIN diode having an anode side connected to the output terminal and a cathode side connected to the cathode side of the first PIN diode;
One or more third PIN diodes having an anode side connected between a cathode side of the first PIN diode and a cathode side of the second PIN diode, and having a cathode side grounded, The high frequency switch according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項3に記載の高周波スイッチ。 The high-frequency switch according to claim 3, wherein the matching circuit is connected to an anode side and a cathode side of at least one of the first PIN diode and the second PIN diode.
前記第1のPINダイオードまたは前記第2のPINダイオードのアノード側及びカソード側が、それぞれ前記コンデンサ及び前記抵抗に接続されている
ことを特徴とする請求項4に記載の高周波スイッチ。 The matching circuit includes a capacitor and a resistor connected in series,
5. The high-frequency switch according to claim 4, wherein an anode side and a cathode side of the first PIN diode or the second PIN diode are connected to the capacitor and the resistor, respectively.
前記電界効果トランジスタのゲート端子側に接続されるゲートバイアス電圧調整手段とドレイン端子側に接続されるドレインバイアス電圧調整手段の少なくともいずれか一方を備える
ことを特徴とする請求項1または2に記載の高周波スイッチ。 A field effect transistor having a gate terminal connected to the input terminal, a drain terminal connected to the output terminal, and a source grounded;
3. The device according to claim 1, further comprising at least one of a gate bias voltage adjusting unit connected to a gate terminal side of the field effect transistor and a drain bias voltage adjusting unit connected to a drain terminal side. High frequency switch.
ことを特徴とする請求項6に記載の高周波スイッチ。 The high-frequency switch according to claim 6, wherein the matching circuit is connected to at least one of the gate terminal and the input terminal and the drain terminal and the output terminal.
ことを特徴とする請求項7に記載の高周波スイッチ。 The matching circuit includes an inductor connected in series between an input side and an output side, and a capacitor having one end connected in parallel between the inductor and the output side and the other end grounded. The high frequency switch according to claim 7.
前記高周波信号を入力する請求項1乃至8のいずれか1項に記載の高周波スイッチと、
前記高周波スイッチの出力端子側に高周波信号入力端が接続されたミキサと、
前記ミキサの低周波信号出力端側に接続された直流遮断手段と、
前記ミキサのローカル信号入力端側に接続された局部発振器と、を備え、
前記高周波スイッチによる前記高周波信号の導通と遮断との切り替えを行う制御周波数が、前記ベースバンド信号の周波数の少なくとも一部と一致している
ことを特徴とする受信回路。
A receiving circuit that inputs a high-frequency signal received by a receiving antenna and converts the high-frequency signal into a predetermined baseband signal,
The high-frequency switch according to any one of claims 1 to 8, wherein the high-frequency signal is input;
A mixer having a high-frequency signal input terminal connected to the output terminal side of the high-frequency switch;
DC blocking means connected to the low frequency signal output end side of the mixer;
A local oscillator connected to the local signal input end side of the mixer, and
A receiving circuit, wherein a control frequency for switching between conduction and interruption of the high-frequency signal by the high-frequency switch coincides with at least a part of the frequency of the baseband signal.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN109860155A (en) * | 2018-12-12 | 2019-06-07 | 江苏博普电子科技有限责任公司 | A kind of GaN microwave power device comprising π type matching network |
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