JP2010517462A - Ｒｆスイッチ - Google Patents

Abstract

本発明は、制御電流が印加されるとスイッチとして動作するダイオードと、制御電流の印加によりダイオードが短絡される場合に端子１から端子２に伝送される一つの信号伝送経路を提供するΦ度位相の第１ＣＲＬＨ伝送線と、第１ＣＲＬＨ伝送線と１８０度の位相差を有し、端子１から端子２に伝送される他の信号伝送経路を提供する（Φ−１８０）度位相の第２ＣＲＬＨ伝送線と、を備えるＲＦスイッチを提供する。本発明は、ＣＲＬＨ伝送線を用いて広帯域特性を有するＲＦスイッチを提供する。さらに詳しくは、広帯域において１８０度の位相差を有するＣＲＬＨ伝送線を用いて、広帯域特性だけではなく、低い周波数帯域において小型化可能なリング状のＲＦスイッチを提供する。

Description

本発明は高出力ＲＦスイッチに係り、特に、右手（ＲＨ：Right-handed）特性と左手（ＬＨ：Left-handed）特性を組み合わせた右手/左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線を用いて広帯域において使用可能な高出力ＲＦスイッチに関する。

ワイブロ或いはＲＦのように送受信周波数が同一の時分割多重化（ＴＤＤ：Time Division Duplexing）通信のうち、特に送受信を１本のアンテナにより行う送受信システムの場合、高出力送信信号により受信部が破壊される現象を防ぐために、送受信部間に高い隔離度を有する回路部の設計が必須である。一般的に、このような回路部はサーキュレータ（ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）或いはＲＦスイッチを用い、このうち、サーキュレータは、高出力であるという長所を有しているが、隔離度が低く、体積が大きく、かつ費用が高いという短所を有する。集積化されたチップ状のＲＦスイッチは帯域幅が広くて体積が小さいという長所を有するが、出力が低く、しかも、隔離度が低いという短所を有する。リング状のＲＦスイッチは、１８０度位相差による減衰を用いて、１）製作し易さ、２）高出力、３）高隔離度、４）低挿入損失という長所を有するものの、狭い帯域幅及び設計周波数の波長に比例するサイズを有するため、低い周波数帯域においては小型化が困難になるという短所を有する。

以下、添付図面に基づき、従来の技術及び従来の技術の問題点を記述する。

図１は、通常のリングスイッチを示す図である。

図１を参照すると、通常のリングスイッチ１０は、３λ／４ＲＨ伝送線（−２７０度）１１と、λ／４伝送線（−９０度）１２、及びＰＩＮダイオード１３から構成される。ＰＩＮダイオード１３は線形性に優れ、歪みが極めて低く、しかも、高速スイッチング可能な素子であり、図２のように等価化される。ここで、Ｌ_p及びＣ_pはパッケージによるインダクタンスとキャパシタンスを、Ｃ_iは真性層キャパシタンス、Ｒ_sは直列抵抗及びＲ_iは制御電流による可変抵抗を示す。

リングスイッチ１０に制御電流が印加されるとき、ＰＩＮダイオード１３は短絡され、端子１を介して印加された信号は３λ／４ＲＨ伝送線１１とλ／４伝送線１２を介して１８０度の位相差を有することにより端子２において減衰される。また、端子２において不整合により反射された信号も同様に端子１において減衰されるため、制御電流が印加されると、スイッチとして動作する。

このようなＲＨ伝送線とＰＩＮダイオードを用いたリングスイッチは、製作及び設計が簡単であるが、狭い帯域幅を有するという問題がある。

前述した問題点を解決するために、最近、誘電率と導電率が負の値を有するメタマテリアル（ＭＭ：metamaterial）についての研究が盛んになされており、これを適用したマイクロ波素子が開発されている。ＭＭ或いは左手系材料（ＬＨＭ：Left-Handed Material）は１９６７年にロシア物理学者であるヴェセラゴ（Veselago）により研究され始め、誘電率と透磁率が負の値を有することにより、位相と群速度が互いに反対方向、負の反射係数のように特異な電磁気的特性を示す。このようなＬＨＭの電磁気的特性は、人為的な構造により実現可能であり、その構造は単位セルを含む。セルは、管内波長の１／４以下の電気的サイズを有する必要があり、これを有効同次性（effective-homogenteity）条件と称する。

ＬＨＭのマイクロ波素子の応用は、通常の伝送線を損失なし伝送線モデルに等価化する場合、直列キャパシタンスと並列インダクタンスとの組み合わせにより実現される。しかしながら、理想的なＬＨＭの伝送線の実現は、電磁波の伝播による電流及び電圧の誘起により存在することができないため、ＲＨ特性が組み合わせられた右手/左手系複合（ＣＲＬＨ）伝送線路に等価化することができる。このようなＣＲＬＨ伝送線をマイクロ波素子に応用する場合、広帯域、小型化、二重帯域の設計に適用することができる。

前述した問題点を解決するために、本発明は、ＣＲＬＨ伝送線を用いて広帯域特性を有するＲＦスイッチを提供することを目的とする。

さらに詳しくは、本発明は、広帯域において１８０度の位相差を有するＣＲＬＨ伝送線を用いて、広帯域特性だけではなく、低い周波数帯域において小型化可能なリング状のＲＦスイッチを提供することを目的とする。

さらに詳しくは、本発明は、リング共振器の−９０度及び−２７０度の位相を有するＲＨ伝送線に代えて、設計者が任意のΦ度及び（Φ−１８０）度の位相を有するように、すなわち、１８０度の位相差を広帯域として有するように設計されたＣＲＬＨ伝送線を用いたリング状のＲＦスイッチを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、本発明は、制御電流が印加されるとスイッチとして動作するダイオードと、制御電流の印加によりダイオードが短絡される場合、端子１から端子２に伝送されるある信号伝送経路を提供するΦ度位相の第１ＣＲＬＨ伝送線と、第１ＣＲＬＨ伝送線と１８０度の位相差を有し、端子１から端子２に伝送される他の信号伝送経路を提供する（Φ−１８０）度位相の第２ＣＲＬＨ伝送線と、を備えるＲＦスイッチを提供する。

好ましくは、第１ＣＲＬＨ伝送線は、伝送線に含まれているキャパシタンス及びインダクタンス値を調節してΦ度を調節することができる。

また、第１ＣＲＬＨ伝送線及び第２ＣＲＬＨ伝送線は、ＣＲＬＨ伝送線特性を有する同じ電磁気的特性のＮ個のセルから構成されてもよい。

より好ましくは、各セルは、設計された中心周波数波長の１／４よりも小さな電気的長さｐを有していてもよい。

さらに、Ｎ個のセルを含む第１ＣＲＬＨ伝送線及び第２ＣＲＬＨ伝送線は、

を満たすことができる。

一方、ダイオードは、線形性に優れ、歪みが極めて小さく、しかも、高速スイッチング可能なＰＩＮダイオードであってもよい。

また、第１ＣＲＬＨ伝送線及び第２ＣＲＬＨ伝送線は、所定の位相差を満たすために、

を満たすことができる。

さらに、本発明は、前記ＲＦスイッチを備える無線端末装置を提供する。

本発明は、ＣＲＬＨ伝送線を用いて広帯域特性を有するＲＦスイッチを提供する。さらに詳しくは、広帯域において１８０度の位相差を有するＣＲＬＨ伝送線を用いて、広帯域特性だけではなく、低い周波数帯域において小型化可能なリング状のＲＦスイッチを提供する。

さらに詳しくは、本発明は、リング共振器の−９０度及び−２７０度の位相を有するＲＨ伝送線に代えて、設計者が任意のΦ度及び（Φ−１８０）度の位相を有するように、すなわち、１８０度の位相差を広帯域として有するように設計されたＣＲＬＨ伝送線を用いたリング状のＲＦスイッチを提供する。

通常のリングスイッチを示す図である。 ＰＩＮダイオードを等価化した図である。 本発明のＬＨ伝送線を示す図である。 本発明のＣＲＬＨ伝送線の単位セルを示す図である。 本発明の一実施形態によるリングスイッチを示す図である。 本発明のＲＨ伝送線とＬＨ伝送線の設計によって変化する周波数による位相の変化を示す図である。 本発明のＮ個のセルを含むＣＲＬＨ伝送線を示す図である。

本発明と本発明の動作上の利点及び本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには、本発明の好適な実施形態を例示する添付図面及び添付図面に記載の内容を参照しなければならない。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態を説明することにより、本発明を詳述する。各図に示す同じ参照符号は同じ要素を示す。

図３は、本発明のＬＨ伝送線を示す図である。

図３を参照すると、有効同次性の条件下において、損失がない場合、ＭＭ伝送線の単位セルは、図３に示すように、直列Ｃと並列Ｌに等価モデル化される。ＬＨ伝送線は、自然系において容易に得られない電磁気的特性（位相と群速度の方向が異なり、負の反射係数を有する）を有し、任意の電磁気的構造によってのみ実現可能である。ＬＨ伝送線の伝播定数、特性インピーダンス、位相定数及び群速度は、下記の数式１から数式４の通りである。

ＬＨ伝送線を実現する場合、電磁波の伝播により誘起される電圧と電流によりＲＨ特性が存在することになる。このため、純水なＬＨ伝送線とは存在できず、ＲＨとＬＨとの組み合わせであるＣＲＬＨ伝送線路に等価化することができる。ＣＲＬＨ伝送線はＮ個のセルからなり、各セルは設計された周波数よりも小さな電気的長さを有する必要がある。これを有効同次性条件といい、この条件下でのＣＲＬＨ伝送線の単位セルの等価回路は図４に示す通りである。損失がない理想的なＣＲＬＨ伝送線の伝搬定数は、ブロック（Bloch）により下記の数式５のように表わされる。

ここで、β_CRLH、β_RH、β_LHはＣＲＬＨ伝送線とＲＨ伝送線、そしてＬＨ伝送線の伝搬定数を示す。ＣＲＬＨ伝送線の単位セルは、電気的長さが極めて短いため（ｄ＜λ_g／４）、数式５は下記の数式６のように近似化可能である。

数式６から、ＣＲＬＨ伝送線は低い周波数帯域或いは極めて短い長さ（ｄ《１）を有する場合、ＬＨ伝送線の特性が重要になり、伝送線が高い周波数帯域或いは大きな長さを有する場合にＲＨ特性が重要になることが分かる。数式６において、ＲＨ伝送線とＬＨ伝送線が整合されている場合、つまり

の場合、数式６は下記の数式７のように簡略化可能である。

数式７から、ＣＲＬＨ伝送線の単位セルにおける位相変化は、下記の数式８に示すように、ＲＨ伝送線とＬＨ伝送線の和で表わされる。

図５は、本発明の一実施形態によるリングスイッチを示す図である。

図５を参照すると、本発明のリングスイッチ１００は、Φ度位相のＣＲＬＨ伝送線１１０と、（Φ−１８０）度位相のＣＲＬＨ伝送線１２０及びＰＩＮダイオード１３０を備える。ＰＩＮダイオード１３０は、線形性に優れ、歪みが極めて小さく、しかも、高速スイッチング可能な素子であり、制御電流が印加されるとスイッチとして動作する。

リングスイッチ１００に制御電流が印加されるとき、ＰＩＮダイオード１３０は短絡され、端子１を介して印加された信号はΦ度位相のＣＲＬＨ伝送線１１０と（Φ−１８０）度位相のＣＲＬＨ伝送線１２０を通じて１８０度の位相差を有するため、端子２において減衰される。なお、端子２において不整合により反射された信号も同様に端子１において減衰されるため、制御電流が印加されるとスイッチとして動作する。

通常のリングスイッチの場合、特定の周波数において１８０度の位相差を利用する。しかしながら、ＭＭを用いたＣＲＬＨ伝送線を用いる場合、任意の位相及び周波数による位相変化の勾配を調節することにより、小型化及び広帯域の伝送線を実現することができる。

さらに詳しくは、本発明は、リング共振器の−９０度及び−２７０度の位相を有するＲＨ伝送線に代えて、設計者が任意のΦ度及び（Φ−１８０）度の位相を有するように、すなわち、１８０度の位相差を広帯域として有するように設計されたＣＲＬＨ伝送線１１０、１２０を用いてリング状のＲＦスイッチを提供することができる。

広帯域の所定の位相を得られ、且つ、小型化可能な伝送線は、通常のＲＨ伝送線の実現によっては得られず、ＬＨ伝送線とＲＨ伝送線との組み合わせであるＣＲＬＨ伝送線により実現することができ、図６に示すように、ＲＨ伝送線とＬＨ伝送線の設計によって周波数による位相の変化する勾配を調節することにより実現することができる。所定の位相差を有するためのＣＲＬＨを用いた２本の伝送線１１０、１２０の設計式は、下記の数式９の通りである。

数式９は、２本の伝送線が１８０度の位相差を有し、設計される中心周波数において勾配が等しく整合されていることを示す。設計されるセルの単位長さであるｄは、λ／４以下の条件下において、ＣＲＬＨ伝送線はＮ個の単位セルを含むとしたとき、第１伝送線１１０に対する設計式は、数式８から下記の数式１０のように誘導される。

ＣＲＬＨ伝送線路の構成は、図７に示すように、ＣＲＬＨ伝送線の特性を有するＮ個のセルからなり、各セルは同じ電磁気的特性を有し、各セルは設計された中心周波数波長１／４よりも小さな電気的長さｐを有する。ＣＲＬＨ伝送線の各セルは図４に示すように構成され、これを用いたＣＲＬＨ伝送線はＮ＊ｐの位相になるように設計される。

数式１０において、設計者がマイクロストリップの１セルのサイズと所望の位相、セル数及びインピーダンスを代入すると、下記の数式１１の通りである。これを用いて、第１ＣＲＬＨ伝送線１１０を構成する各セルのＬＨ伝送線等価回路を求めることができる。

リングスイッチは、１８０度の位相差による減衰を利用するものであり、ＣＲＬＨ伝送線を用いる場合に数式９を下記の数式１２のように簡略化することができる。

数式８及び数式１２から、下記の誘導過程を通じて第２ＣＲＬＨ伝送線１２０に対する式を表わすことができる。

ここで、ＬＨのインダクタンスをキャパシタンスに簡略化すると、下記の数式１４のようになる。

数式１４に数式１１を代入すると、下記の数式１５のようになる。

これを通じてある伝送線が設計されれば、他の伝送線のＲＨ伝送線の電気的長さが決定される。これを用いて、第２ＣＲＬＨ伝送線１２０のＬＨ伝送線は下記のように求めることができる。

数式１６を用いると、ＬＨ伝送線のキャパシタンスとインダクタンスは、下記の数式１７の通りである。

広帯域において１８０度の位相差を有するＣＲＬＨ伝送線を用いて、広帯域特性だけではなく、低い周波数帯域において小型化可能なリング状のＲＦスイッチを提供することができる。

本発明は、図示の一実施形態を参考として説明されているが、これは例示的なものに過ぎず、この技術分野における通常の知識を持った者であれば、これから種々の変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。よって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求範囲の技術的思想により定まるべきである。

Claims (8)

1. 制御電流が印加されるとスイッチとして動作するダイオードと、
   前記制御電流の印加により前記ダイオードが短絡される場合に端子１から端子２に伝送される一つの信号伝送経路を提供するΦ度位相の第１ＣＲＬＨ伝送線と、
   前記第１ＣＲＬＨ伝送線と１８０度の位相差を有し、前記端子１から前記端子２に伝送される他の信号伝送経路を提供する（Φ−１８０）度位相の第２ＣＲＬＨ伝送線と、
   を備えるＲＦスイッチ。
2. 前記第１ＣＲＬＨ伝送線は、伝送線に含まれているキャパシタンス及びインダクタンス値を調節して前記Φ度を調節することができる請求項１に記載のＲＦスイッチ。
3. 前記第１ＣＲＬＨ伝送線及び第２ＣＲＬＨ伝送線は、ＣＲＬＨ伝送線特性を有し、かつ同じ電磁気的特性を有するＮ個のセルを含む請求項１に記載のＲＦスイッチ。
4. 前記各セルは、設計された中心周波数波長の１／４よりも小さな電気的長さｐを有する請求項３に記載のＲＦスイッチ。
5. 前記Ｎ個のセルを含む第１ＣＲＬＨ伝送線及び第２ＣＲＬＨ伝送線は、
   

   

   を満たす請求項３に記載のＲＦスイッチ。
6. 前記ダイオードは線形性に優れ、歪みが極めて小さく、高速スイッチング可能なＰＩＮダイオードである請求項１に記載のＲＦスイッチ。
7. 前記第１ＣＲＬＨ伝送線及び前記第２ＣＲＬＨ伝送線は、所定の位相差を満たすために、
   

   

   を満たす請求項１に記載のＲＦスイッチ。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のＲＦスイッチを備える無線端末装置。

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