JP2010505325A - 高周波スイッチ - Google Patents

Abstract

本発明の高周波（ＲＦ）スイッチは、第１乃至第３のポートにそれぞれ接続される第１乃至第３のノードを有するサーキュレーターと、信号の送信又は遮断を実行するように、上記サーキュレーターの上記第３のノードと上記第３のポートとの間の接続ラインに設置されるスロットラインパターン部とを具備し、上記スロットラインパターン部は、外部スイッチング制御信号に従って設置された位置に対応するスロットラインのギャップを保持するか又は短絡させることにより信号の送信又は遮断を実行するように所定の位置に設置されるスイッチング回路を含む。

Description

本発明は、高周波（Radio Frequency：以下、“ＲＦ”と称する）スイッチに関し、特に、時分割複信（Time Division Duplexing：以下、“ＴＤＤ”と称する）システムの信号送受信端における送受信信号のための切替えスイッチとして使用されるのに適したＲＦスイッチに関する。

一般的に、第２及び第３世代（２Ｇ及び３Ｇ）移動通信システムは、周波数分割複信（Frequency Division Duplexing：以下、“ＦＤＤ”と称する）方式を使用する。ＦＤＤ方式において、送信信号及び受信信号は、デュプレクサ（Duplexer）により分離される。しかしながら、最近３．５Ｇ及び４Ｇ移動通信システムは、主にＴＤＤ方式を使用するものと予想される。

ＴＤＤ方式のような時分割送信方式は、時分割により同一の周波数を使用して送信信号と受信信号とを識別するもので、１個のフレームの内部を送信区間と受信区間とに分割することにより１個の周波数で双方向通信を実行する方式である。

図１は、従来のＴＤＤシステムにおける送受信終端部の構成を示すブロック図である。送信信号“Ｔｘ”は、電力増幅器４０により所定の電力で増幅された後に、送受信切替えスイッチ１０及び全帯域フィルター５０を通過し、アンテナ６０を介して放射される。他方、アンテナ６０を介して受信された受信信号“Ｒｘ”は、全帯域フィルター５０及び送受信切替えスイッチ１０を通過した後に、適切な利得を有するように設定された受信信号用電力増幅器（例えば、低雑音増幅器（Low-noise amplifier：ＬＮＡ））２０を介して増幅される。この際に、切替えスイッチ１０は、送信及び受信動作に基づいて制御部（図示せず）により提供されるスイッチング制御信号に従ってスイッチング動作を実行することができる。

上述したように、ＴＤＤシステムは、同一の周波数を使用して所定の時間周期に従って送信と受信とを分離するために、高い送信電力及び高速の送受信切替え用ＲＦスイッチを含まなければならない。

ＲＦスイッチが高速のスイッチング動作を可能にしなければならないために、機械的スイッチ（Mechanical Switch）よりはピンダイオード（PIN diode）又は電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：以下、“ＦＥＴ”と称する）のような半導体素子を用いるスイッチを一般的にＲＦスイッチとして使用する。しかしながら、このような半導体素子を用いるスイッチは、半導体が高い電力に弱いため、大電力（high power）で使用しにくいという問題があった。

言い換えれば、大電力がこのスイッチに印加される場合には、多くの熱が発生するため、十分な放熱が保障されないと、スイッチが破壊されてしまう。このような理由で、大電力に耐えられるＲＦスイッチが開発された。しかしながら、大電力用ＲＦスイッチは、別途の冷却器などを含まなければならないため、そのコストが非常に高くなり、製造が容易でなくなる。そのため、ＲＦスイッチは、軍用目的のみに制限して使用されている。

このような問題を解決するために、従来のＴＤＤシステムは、ＲＦスイッチの代わりに、図８及び図９に示すようなサーキュレーター１０を用いて送信信号と受信信号とを固定的に分離する方法を採用する。しかしながら、このようなサーキュレーター１０をスイッチとして使用する場合には、受信区間の間に送信信号を遮断するのに十分なアイソレーション（isolation）を確保しにくい。また、送信電力の送信の間にアンテナに問題がある場合には、アンテナは、オープン状態となることもあり、ＶＳＷＲ値が悪くなることもあり、又は、スイッチの動作電源の供給が遮断されることもある。その際に、送信信号が受信器に流入し、これにより、システムに障害を起こし、システム装備に致命的な故障が発生し、その結果、電波の品質が低下する。

したがって、本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、大電力送信信号について、送信端と受信端との間の高いアイソレーションを確保し、システムを保護することができるＴＤＤシステムにおける送受信切り替えに適合したＲＦスイッチを提供することにある。

本発明の他の目的は、アンテナがオープン状態となるか、又は制御動作用ＤＣ電源にエラーが発生しても、大電力送信信号が受信端に流入することを防止し、システムにエラーが発生することを防止することができるＴＤＤシステムにおける送受信切り替えに適合したＲＦスイッチを提供することにある。

本発明のまた他の目的は、十分な放熱条件を確保することにより、大電力についても安定した動作状態を保持することができ、高速スイッチングを介した通話の品質を向上させることができ、容量を増大させることができる、半導体素子を使用するＲＦスイッチを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、マイクロ波集積回路（Microwave Integrated Circuit：ＭＩＣ）形態でも容易に製造することができるＲＦスイッチを提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、移動通信周波数帯域だけでなく数十ＧＨｚ以上の高周波帯域でも使用可能なＲＦスイッチを提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の実施形態の一態様によれば、高周波（ＲＦ）スイッチは、第１乃至第３のポートにそれぞれ接続される第１乃至第３のノードを有するサーキュレーターと、信号の送信又は遮断を実行するように、上記サーキュレーターの上記第３のノードと上記第３のポートとの間の接続ラインに設置されるスロットラインパターン部とを具備し、上記スロットラインパターン部は、外部スイッチング制御信号に従って設置された位置に対応するスロットラインのギャップを保持するか又は短絡させることにより信号の送信又は遮断を実行するように所定の位置に設置されるスイッチング回路を含むことを特徴とする。

本発明によるＴＤＤシステムの送受信切替えスイッチング装置は、送受信経路間のアイソレーションを十分に確保することができる。

また、アンテナがオープン状態となるか、又は制御動作用ＤＣ電源にエラーが発生した場合にも、全反射を介して受信端に流入する送信電力の量を格段に低減させることができ、その結果、受信端のアクティブ素子を保護することができる。

さらに、本発明によれば、送信信号が十分な接地面を有するスロットラインを介して送信されることにより、高速のスイッチング動作を可能にし、大電力に使用されることができる半導体素子を使用してＲＦスイッチを製造することができる。

さらにまた、本発明によるＲＦスイッチがＭＩＣの形態にも容易に適用されることができるので、ＲＦスイッチは、半導体の一般的な工程と同時に製造されることができる。

なお、本発明によるＲＦスイッチが移動通信周波数帯域だけでなく数十ＧＨｚ以上の高周波帯域でも使用されることができ、その結果、ＲＦスイッチは、衛星通信、軍用レーダーなどに容易に適用されることができる。

従来のＴＤＤシステムにおける送受信終端部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるＴＤＤシステムにおける送受信切り替えのためのＲＦスイッチの回路パターンの構成を示す平面図である。 図２のＲＦスイッチの変形例示図である。 図２のＲＦスイッチの変形例示図である。 図２のＲＦスイッチの変形例示図である。 図２のＲＦスイッチの変形例示図である。 図２のＲＦスイッチの変形例示図である。 従来のＲＦスイッチの構成を示す図である。 従来のＲＦスイッチの構成を示す図である。

以下、本発明の好適な一実施形態について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の詳細な構成素子のような多くの特定の事項は、本発明の実施形態の包括的な理解を助けるために提供される。したがって、本発明の範囲及び精神を逸脱することなく様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を有する者には明らかである。

図２は、本発明による時分割複信（Time Division Duplexing：以下、“ＴＤＤ”と称する）システムにおける送受信切り替えのための高周波（Radio Frequency：以下、“ＲＦ”と称する）スイッチの印刷回路基板上の回路パターンの構成を示す代表的な図であって、各構成要素のサイズ及び形状は、説明の便宜のために誇張されるか又は単純化される。本発明によるＲＦスイッチは、第１乃至第３のポートにそれぞれ接続された第１乃至第３のノードを有するサーキュレーター１１と、信号送信又は遮断を実行するためにサーキュレーター１１の第３のポートと第３のノードとの間の接続ラインに設置されるスロットラインパターン部３００とを含む。この際に、スロットラインパターン部３００は、外部スイッチング制御信号に従って設置された位置に対応するスロットラインのギャップを保持するか又は短絡させることにより信号の送信又は遮断のために所定の位置に設置されるスイッチング回路を含む。

スロットラインパターン部３００は、１つの印刷回路基板の上下部に所定のパターンで形成されるマイクロストリップライン及びスロットラインを含む。すなわち、図２において、スロットラインパターン部３００は、所定の誘電率を有する誘電体基板を含み、この際、誘電体基板の上部には、所定のパターンを有するマイクロストリップライン１１１、１１２、１１３、及び１１４が形成され、誘電体基板の下部には、所定のパターンを有するスロットライン２１２及び２１３が形成される。このようなマイクロストリップライン及びスロットラインは、所定の位置でマイクロストリップ-スロットラインカップリングによりこれら間での信号転移がなされる構成を有する。

図２を参照して、スロットラインパターン部３００の構成についてより詳細に説明する。まず、ＲＦスイッチの第１乃至第３のポートの各々が第１乃至第３のマイクロストリップライン１１１、１１２、及び１１３として形成される場合に、スロットラインパターン部３００は、その一端に開放型スロット２１１が形成されることにより、サーキュレーター１１の第３のノードに接続される第４のマイクロストリップライン１１４と第１のスロットライン２１２との間で信号転移がなされる。第１のスロットライン２１２は、その他端にループ型スロットラインパターン部２１３が形成されることにより、ループ型スロットラインパターン部２１３が第１のスロットライン２１２と接続される位置に対向する反対側位置で第３のマイクロストリップライン１１３と信号転移がなされるように構成される。

この際に、第４のマイクロストリップライン１１４の終端に、基板を間に置いて交差される位置に設置される第１のスロットライン２１２と第４のマイクロストリップライン１１４間で効率的な信号転移がなされることができるように、開放終端回路又は短絡終端回路が形成される。図２は、第４のマイクロストリップライン１１４の終端が短絡終端回路として形成される例を示す。第４のマイクロストリップライン１１４の終端が短絡終端回路として形成される場合には、この短絡終端回路は、その終端には基板を貫通する円形のホールを形成し、その内部を適切な伝導性金属でコーティングすることにより、下面のスロットラインパターンが形成された接地面に接続されることができる。また、図２は、開放終端回路として形成される第３のマイクロストリップライン１１３を示し、これは、ループ型スロットラインパターン部２１３との間の交点から長さλ／８だけ延長した開放端を有し、これにより、この交点で信号転移のための磁界（magnetic field）が最大となる。

また、スロットラインパターン部３００は、外部スイッチング制御信号に従って設置された位置に対応するスロットラインのギャップを短絡させることにより信号送信を遮断するように、ループ型スロットラインパターン部２１３の所定の位置に設置されるスイッチング素子（例えば、第１のダイオードＤ１及び第１のキャパシターＣ１）を含む。この際、各スイッチング素子は、対応する位置でスロットラインのギャップを短絡させるように、ループ型スロットラインパターン部２１３と第１のスロットライン２１２との接続位置でループ型スロットラインパターン部２１３の両端間に設置される。

第１のダイオードＤ１が“オン”状態にある場合に、第１のスロットライン２１２からループ型スロットラインパターン部２１３に印加された信号は、第３のマイクロストリップライン１１３に転移される。他方、第１のダイオードＤ１が“オフ”状態にある場合に、第１のスロットライン２１２からループ型スロットラインパターン部２１３に印加された信号は、ループ型スロットラインパターン部２１３が第１のスロットライン２１２と接続される接続位置でそれらの間に１８０°の位相差を有する２つの信号に分けられ、この分けられた信号は、半円形のスロットラインに沿ってそれぞれ送信される。その後、この分けられた信号が合せられる位置、すなわち、ループ型スロットラインパターン部２１３と第３のマイクロストリップライン１１３との転移位置で１８０°の位相差によりオフセットされる。

一方、このスイッチング素子に印加されるスイッチング制御信号は、スイッチング素子に個別的に又は適切に電気的に分離された接地基板を介してバイアス電圧（例えば、＋５Ｖ／−５Ｖ）を印加することによりスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する。

本発明による上述したＲＦスイッチは、第１乃至第３のマイクロストリップライン１１１、１１２、及び１１３の第１乃至第３のポートをそれぞれ送信端“Ｔｘ”、アンテナ端“Ａｎｔ”、及び受信端“Ｒｘ”と接続することにより、ＴＤＤシステムのための送受信切替えスイッチング装置として使用されることができる。以下、ＲＦスイッチがＴＤＤシステムのための送受信切替えスイッチング装置として使用される場合に、図２に示すような構成を有するＲＦスイッチの動作について説明する。

まず、送信モードにおいて、第１のダイオードＤ１が“オフ”状態に保持され、送信信号が第１のマイクロストリップライン１１１を介してサーキュレーター１１の第１のノードに入力される間に、ＲＦ送信信号が送信端“Ｔｘ”を介して第１のポートに印加されると、この送信信号は、第１のマイクロストリップライン１１１を介してサーキュレーター１１の第１のノードに入力され、サーキュレーター１１の第２のノードを介して出力され、第２のポートである第２のマイクロストリップライン１１２を介してアンテナ端“Ａｎｔ”に出力される。

この際、サーキュレーター１１の第３のノードを介して出力され、第４のマイクロストリップライン１１４に流入する可能性がある信号は、第１のスロットライン２１２及びループ型スロットラインパターン部２１３に流入する。この信号は、ループ型スロットラインパターン部２１３で第１のダイオードＤ１及び第１のキャパシターＣ１の設置位置に対応するスロットラインにより分岐され、この分岐された信号は、送信される。この後に、この分岐された信号が合せられる位置、すなわち、第３のマイクロストリップライン１１３とループ型スロットラインパターン部２１３との転移位置でそれらの間に１８０°の位相差によってオフセットされることにより、信号の遮断がなされ、その結果、高いアイソレーション特性が得られる。

受信モードにおいて、第１のダイオードＤ１が“オン”状態であり、ＲＦ受信信号がアンテナ端“Ａｎｔ”を介して第２のポートに印加される場合に、この受信信号は、第２のマイクロストリップライン１１２を介してサーキュレーター１１の第２のノードに入力され、サーキュレーター１１の第３のノードを介して出力され、本発明によるスロットラインパターン部３００を通過し、第３のポートである第３のマイクロストリップライン１１３を介して受信端“Ｒｘ”に出力される。この際、ループ型スロットラインパターン部２１３での第１のダイオードＤ１が“オン”状態にあるので、第１のダイオードＤ１の下のスロットラインは、スロットラインに沿う信号フローを遮断するために導通状態を保持し、この信号フローは、第１のキャパシターＣ１の設置位置に対応する下面のスロットラインを介してつながる。この後に、この受信信号は、λ／８の長さを有する第３のストリップライン１１３により転移され、送信される。

上記の通りに、本発明の実施形態によるＲＦスイッチの構成及び動作について説明した。本発明では、具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲から逸脱しない限り、形状及び詳細において様々な変形が可能である。このようなＲＦスイッチの変形例については、図３乃至図７を参照して詳細に説明する。

まず、図３に示すＲＦスイッチは、スロットラインパターン部３００のループ型スロットラインパターン部２１３に設置されたスイッチング素子を除いては、図２に示したＲＦスイッチと同一の構成を有する。図３のスイッチング素子は、図２に示した第１のキャパシターＣ１の代わりに第２のダイオードＤ２を含むことを理解することができる。この場合に、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２は、送信モードにおいて、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２が“オフ”状態となるように設定され、受信モードにおいて、このダイオードの中の１つが“オン”状態となり、他の１つが“オフ”状態となるように設定される。

図４に示すＲＦスイッチは、スロットラインパターン部３００の第４のマイクロストリップライン１１４の終端部を除いては、図３に示したＲＦスイッチと同一の構成を有する。すなわち、図４における第４のマイクロストリップライン１１４の終端部に、第４のマイクロストリップライン１１４と第１のスロットライン２１２との間の交点から長さλ／４だけ延長した開放端を有する開放終端回路が形成される。

図５に示すＲＦスイッチは、図２に示したＲＦスイッチと同一の構成を有する。図４のＲＦスイッチと類似して、図５におけるスロットラインパターン部３００の第４のマイクロストリップライン１１４の終端部に、第４のマイクロストリップライン１１４と第１のスロットライン２１２との間の交点から長さλ／４だけ延長した開放端を有する開放終端回路が形成される。

図６に示すＲＦスイッチは、第３のマイクロストリップライン１１３の終端部に短絡終端回路が形成される点を除いては、図４に示したＲＦスイッチと同一の構成を有する。同様に、図７に示すＲＦスイッチは、第３のマイクロストリップライン１１３の終端部に、短絡終端回路が形成される点を除いては、図５に示したＲＦスイッチと同一の構成を有する。

図３乃至図７を参照して説明したように、形状及び詳細において本発明の様々な変形例が可能である。また、上述したマイクロストリップラインは、ストリップライン、同軸ケーブル（coaxial cable）、及び平面内導波路（Coplanar Waveguide：ＣＰＷ）などと置き換えられてもよい。また、本発明は、このスロットラインの代りにコプレーナストリップ（Coplanar Strip：ＣＰＳ）を用いて実現されることもできる。さらに、本発明の実施形態では、スイッチング素子としてダイオードを使用した場合について説明したが、本発明は、スイッチング機能を有する他の半導体素子（例えば、ＦＥＴ）を使用して実現されることもできる。

以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲の記載によって特定された本発明の範囲及び趣旨を逸脱することなく、形状や詳細において様々な変更が可能であるということは、当業者には明らかであり、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で定められるべきである。

１１・・・サーキュレーター
１１１・・・第１のマイクロストリップライン
１１２・・・第２のマイクロストリップライン
１１３・・・第３のマイクロストリップライン
１１４・・・第４のマイクロストリップライン
２１１・・・開放型スロット
２１２・・・第１のスロットライン
２１３・・・ループ型スロットラインパターン部
３００・・・スロットラインパターン部

Claims (10)

1. 高周波（ＲＦ）スイッチであって、
   第１乃至第３のポートにそれぞれ接続される第１乃至第３のノードを有するサーキュレーターと、
   信号の送信又は遮断を実行するように、前記サーキュレーターの前記第３のノードと前記第３のポートとの間の接続ラインに設置されるスロットラインパターン部とを具備し、
   前記スロットラインパターン部は、外部スイッチング制御信号に従って設置された位置に対応するスロットラインのギャップを保持するか又は短絡させることにより信号の送信又は遮断を実行するように所定の位置に設置されるスイッチング回路を含むことを特徴とする高周波スイッチ。
2. 前記スロットラインパターン部は、
   前記サーキュレーターの前記第３のノードに接続される送信ラインとの信号転移がなされるように第１の端に開放型スロットが形成される第１のスロットラインと、
   前記第１のスロットラインに接続される位置に対向する反対側位置で前記第３のポートを形成する送信ラインとの信号転移がなされるように前記第１のスロットラインの第２の端に接続されるループ型スロットラインパターン部とを具備し、
   前記スイッチング回路は、対応する位置でスロットラインのギャップを短絡させるために、前記ループ型スロットラインパターン部と前記第１のスロットラインとの間の接続位置で、前記ループ型スロットラインパターン部の両端間にそれぞれ設置される第１及び第２のスイッチング素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の高周波スイッチ。
3. 前記第１及び前記第２のスイッチング素子の中の一方は、ダイオードを含み、他方のスイッチング素子は、他のダイオード又はキャパシターを含むことを特徴とする請求項２に記載の高周波スイッチ。
4. 前記送信ラインの各終端部に、開放終端回路又は短絡終端回路が形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれか１つに記載の高周波スイッチ。
5. 前記送信ラインの各々は、マイクロストリップライン、ストリップライン、同軸線路、及び平面内導波路（ＣＰＷ）の中のいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれか１つに記載の高周波スイッチ。
6. 時分割複信／多重化システムにおける送受信切り替え用高周波（ＲＦ）スイッチであって、
   送信端、アンテナ端、及び受信端にそれぞれ接続される第１、第２、及び第３のポートに接続される第１、第２、及び第３のノードを有し、前記送信端から前記第１のノードを介して入力される送信信号を前記第２のノードを介して前記アンテナ端に出力し、前記アンテナ端から前記第２のノードを介して入力される受信信号を前記第３のノードを介して前記受信端に出力するサーキュレーターと、
   信号の送信又は遮断を実行するように、前記サーキュレーターの前記第３のノードと前記第３のポートとの間の接続ラインに設置されるスロットラインパターン部とを具備し、
   前記スロットラインパターン部は、外部スイッチング制御信号に従って設置された位置に対応するスロットラインのギャップを保持するか又は短絡させることにより信号の送信又は遮断を実行するように所定の位置に設置されるスイッチング回路を含むことを特徴とする高周波スイッチ。
7. 前記スロットラインパターン部は、
   前記サーキュレーターの前記第３のノードに接続される送信ラインとの信号転移がなされるように第１の端に開放型スロットが形成される第１のスロットラインと、
   前記第１のスロットラインに接続される位置に対向する反対側位置で前記第３のポートを形成する送信ラインとの信号転移がなされるように前記第１のスロットラインの第２の端に接続されるループ型スロットラインパターン部とを具備し、
   前記スイッチング回路は、対応する位置でスロットラインのギャップを短絡させるために、前記ループ型スロットラインパターン部と前記第１のスロットラインとの間の接続位置で、前記ループ型スロットラインパターン部の両端間にそれぞれ設置される第１及び第２のスイッチング素子を含むことを特徴とする請求項６に記載の高周波スイッチ。
8. 前記第１及び前記第２のスイッチング素子の中の一方は、ダイオードを含み、他方のスイッチング素子は、他のダイオード又はキャパシターを含むことを特徴とする請求項７に記載の高周波スイッチ。
9. 前記送信ラインの各終端部は、開放終端回路又は短絡終端回路として形成されることを特徴とする請求項６乃至請求項８のうちのいずれか１つに記載の高周波スイッチ。
10. 前記送信ラインの各々は、マイクロストリップライン、ストリップライン、同軸線路、及び平面内導波路（ＣＰＷ）の中のいずれか１つを含むことを特徴とする請求項６乃至請求項８のうちのいずれか１つに記載の高周波スイッチ。

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