JP2010521830A - Rfスイッチ及びrfスイッチを備える装置 - Google Patents

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リュル シン、ドン
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Abstract

本発明は、高周波(RF)スイッチ及びRFスイッチを備える装置に関する。本発明の一形態では、RFスイッチは、一端が入力端子または出力端子に接続され、他端が信号ラインに接続されてRF信号を伝送する伝送線路と、入力端子と伝送線路との間、または出力端子と伝送線路との間に配設されてRF信号の伝送可否を制御するダイオードと、を備える。また、本発明の他の形態では、RFスイッチは、一端が入力端子に接続され、他端が出力端子に接続された伝送線路と、入力端子と伝送線路との間、または出力端子と伝送線路との間に配設されてRF信号の伝送可否を制御するダイオードと、を備える。ここで、伝送線路として右手/左手系複合(CRLH)伝送線を利用する。

Description

本発明は高周波(RF)スイッチ及び前記RFスイッチを備える装置に係り、さらに詳しくは、高出力でも高い線形性と隔離度、短いスイッチング時間を有しながらも、小型化が図れる、二重帯域特性を有するRFスイッチ及び前記RFスイッチを備える装置に関する。
RFスイッチはRF信号のための電気的なオン−オフスイッチであり、「オン」となったときに入力端子に加えられたRF信号が出力端子に正常に伝送できるようにし、「オフ」となったときにはこのようなRF信号が出力端子に伝送されることを妨げる役割を果たす。なお、この種のRFスイッチの「オン」及び「オフ」は、RFスイッチを制御する直流(DC)制御電圧の極性の変化に依存する。
このようなRFスイッチは種々の形態を有し、最も基礎的な形態としては、一つのRF信号入力と一つのRF信号出力を有する単極単投式(SPST:Single Pole Single Throw)構造が挙げられ、一つのRF信号入力に多数のRF信号出力を有する単極多投式(SPMT:Single Pole Multiple Throw)の構造もある。
RFスイッチのこのような電気的なスイッチングは、ダイオード、好ましくは、PINダイオードと知られているRFスイッチングダイオードからなり、PINダイオードはRFスイッチの電気回路において中心となる大切な役割を果たす構成要素である。当業者の周知のように、PINダイオードは2つのターミナルを有する半導体素子であり、他のダイオードと同様に陽極ターミナル(アノード側)から陰極ターミナル(カソード側)へと一方向にのみ電流が流れるようにし、陽電圧がアノードに加えられたときにダイオードが順方向にバイアスされて電流が流れることになる。
電流が流れるようにバイアスされたとき、すなわち、順方向にバイアスされたときにダイオードは極めて少量、或いは、ほとんど0の抵抗を与えて電流が流れるようにする。このような状態を「オン」状態と称する。一方、逆にバイアスされたとき、すなわち、逆方向にバイアスされたときにダイオードは無限大の高い抵抗を与えて開回路(open circuit)を形成し、これにより電流は正常に通過できなくなる。このような状態を「オフ」状態と称する。
ダイオードは、電圧の変化により、ある状態から他の状態に変わるときに所定の時間を必要とし、ダイオードに関するこのような特性を転移時間(transition time)と言い、ダイオードの状態を変えるためには、他の状態にダイオードをバイアスする新たな電圧がダイオードの最小転移時間中に加えられる必要がある。
逆方向にバイアスされた直流制御電圧に付加されたRF電圧のような交流(AC)信号はPINダイオードの状態を変えず、これは、その信号の周波数が十分に大きくて、信号の電圧振幅或いはピークの持続時間がダイオードの「オン」状態から「オフ」状態への転移に求められる最小時間を充足できない限り、PINダイオードの状態を変えない。しかしながら、ダイオードを順方向にバイアスするように直流制御電圧の極性を変えることにより、ダイオードが状態を変えて交流を含む電流が流れるようにできる。
また、順方向にバイアスされたとき、逆方向にバイアスされたときと同様に、順方向にバイアスされた直流制御電圧に付加された交流信号は十分に大きな周波数を有する限り、ダイオードの状態を変えない。一方、交流の電圧が高過ぎると、付加された信号がダイオードの破壊電圧(breakdown voltage)を超えてダイオードを破壊する恐れがあるため、PINダイオードは選択されたダイオードの破壊電圧を付加される交流信号が超えないように選択されなければならない。
また、RFスイッチを構成するにおいて、シャントRFスイッチ(shunt RF switch)はPINダイオードの電気的特性を利用するのにメリットを有する。PINダイオードをRF伝送線路上に分岐されるように位置させ、制御電圧により逆方向にバイアスすることにより、ダイオードは開回路のように機能し、RF信号が伝送線路に沿って出力端子に伝播される。
しかしながら、ダイオードが順方向にバイアスされて電流が流れると、これはRF信号に対して極めて小さなインピーダンスを有する経路を提供し、RF信号が伝送線路からダイオードを経由するグラウンドへの分路を形成して、出力端子への伝送線路を迂回(bypass)させる。このため、RF信号は伝送線路を通過することができない。図1から図3は、従来の技術におけるRFスイッチを示す一例であり、2つの端子101、102の間に様々な形態のPINダイオード103、104、105、106を備えたRFスイッチが示されている。
一方、RF信号の送受信を1本のアンテナにより行う時分割多重化(TDM:Time Division Multiplexing)方式の送受信システムの場合、送信段と受信段をスイッチング可能な単極双投式(SPDT:Single Pole Double Throw)構造のRFスイッチが必要となり、このようなシステムは、終段及び初段に位置するRFスイッチの場合、1)高出力に対する高い線形性、2)低い挿入損失、3)高い隔離度、及び4)短いスイッチング時間などの特性を必要とする。
しかしながら、従来の技術によるRFスイッチは、ハイブリッドマイクロ波集積回路(H−MIC:Hybrid-Microwave Integrated Circuit)技術を用いたPINダイオードスイッチの形態に製作されて、小型化は可能であるとはいえ、製造工程が複雑であり、中継器などの高出力の使用に制限を有し、かつ任意の二重帯域設計には限界を有するという不都合がある。
図4は、他の従来の技術における、PINダイオードを用いたSPDT構造のRFスイッチを説明するための一例である。RFスイッチ200は、上述の問題点を解決するための表面実装型STDT構造のPINダイオードスイッチであり、2つの端子201、202の間にPINダイオード203、204と−90度の電気的長さを有する伝送線205が存在する。このとき、上述したように、順方向バイアスが印加されると、PINダイオード203は短絡に近い低インピーダンスを有し、伝送線205の電気的長さが−90度に定められることにより、端子201に対する端子202のインピーダンスが無限大に近いため、端子201を介して入力された信号は並列接続されたPINダイオード203を介してグラウンド206に流入し、伝送線205にはほとんど流入しない。すなわち、PINダイオード203は「オフ」状態となる。このようにPINダイオードと管内波長の1/4線路であるRH伝送線205を用いて電力損失を極力抑えることができる。
このようなRFスイッチは、高出力でも高い線形性及び高い隔離度、短いスイッチング時間を有する。しかしながら、−90度の電気的長さを有する伝送線路を利用するため、低周波帯域の設計時に大型化が招かれるという不都合を有し、任意の二重帯域の使用には限界を有するという不都合がある。
本発明は上記の従来の技術の問題点を解決するために、RFスイッチ及び前記RFスイッチを備える装置に関する新規な技術を提案する。
本発明は、PINダイオードを通じて、高出力でも高い線形性及び隔離度を有し、短いスイッチング時間を有しながらも、右手/左手系複合(CRLH)伝送線を伝送線路として利用することによりRFスイッチの小型化が可能であり、二重帯域の特性を有するRFスイッチを設計することを目的とする。
本発明の他の目的は、SPDT構造だけではなく、SPST構造でも高い隔離度を実現し、単一周波数帯域でも小型化可能なRFスイッチを設計することにある。
上記の目的を達成し、且つ、上述した従来の技術の問題点を解決するために、本発明の一実施形態によるRF信号の入出力をスイッチングするRFスイッチは、一端が入力端子または出力端子に接続され、他端が信号ラインに接続されてRF信号を伝送する伝送線路と、入力端子と伝送線路との間、または出力端子と伝送線路との間に配設されてRF信号の伝送可否を制御するダイオードと、を備え、伝送線路としてCRLH伝送線を利用する。
本発明の一側面によれば、CRLH伝送線は、2つの直列インダクターと一つの並列キャパシターを有するRH伝送線及び2つの直列キャパシターと一つの並列インダクターを有するLH伝送線の結合により等価化可能な少なくとも一つのセルを備えている。
本発明の他の側面によれば、RH伝送線は、入力信号に対して、高周波帯域において正の位相遅延を引き起こし、LH伝送線は、入力信号に対して、低周波帯域において不の位相遅延を引き起こす。
本発明のさらに他の側面によれば、ダイオードは、ダイオードの一端が入力端子または出力端子に接続され、ダイオードの他端がグラウンドに接続されていてもよい。これは、入力端子または出力端子に対する並列接続のためであり、並列接続だけではなく、直列接続を併用する方法も利用可能である。このとき、入力端子または出力端子に直列接続されるダイオードは、ダイオードの一端が入力端子または出力端子に接続され、ダイオードの他端が伝送線路に接続されていてもよい。
本発明によれば、PINダイオードを通じて、高出力でも高い線形性及び隔離度を有し、短いスイッチング時間を有しながらも、右手/左手系複合(CRLH)伝送線を伝送線路として利用することにより小型化可能であり、二重帯域の特性を有するRFスイッチを設計することができる。
本発明によれば、SPDT構造だけではなく、SPST構造でも高い隔離度を実現し、単一周波数帯域でも小型化可能なRFスイッチを設計することができる。
従来の技術におけるRFスイッチを示す一例である。 従来の技術におけるRFスイッチを示す一例である。 従来の技術におけるRFスイッチを示す一例である。 他の従来の技術における、PINダイオードを用いたSPDT構造のRFスイッチを説明するための一例である。 本発明の一実施形態における、CRLH伝送線を用いて構成されたRFスイッチの構造を説明するための図である。 本発明の一実施形態における、CRLH伝送線を構成するセルの内部構成を説明するための図である。 CRLH伝送線の周波数による位相変化を示す図である。 本発明の他の実施形態における、CRLH伝送線を用いて構成されたRFスイッチの構造を説明するための図である。
以下、添付図面に基づき、本発明による種々の実施形態を詳述する。本発明は、PINダイオード及びCRLH伝送線を用いたRFスイッチ及び前記RFスイッチを備える装置である。この明細書において、「装置」とは、RF信号を送受信する装置を言い、無線送信機、無線受信機及び無線送受信機をいずれも含む。また、前記PINダイオードを動作させるためのバイアスなどに関する内容は既に従来の技術において説明されており、当業者にとって周知であるため、本発明の一実施形態を説明するに当たっては省略されている。
図5は、本発明の一実施形態における、CRLH伝送線を用いて構成されたRFスイッチの構造を説明するための図である。図5に示すように、RF信号の入出力をスイッチングするRFスイッチ300は、一端が入力端子301に接続され、他端がアンテナ302の信号ライン303に接続されてRF信号を伝送する第1伝送線路304と、一端が出力端子305に接続され、他端が信号ライン303に接続されてRF信号を伝送する第2伝送線路306と、入力端子301と第1伝送線路304との間に配設されてRF信号の伝送可否を制御する第1PINダイオード307及び出力端子305と第2伝送線路306との間に配設されてRF信号の伝送可否を制御する第2PINダイオード308を備える。このとき、第1伝送線路304及び第2伝送線路306としてCRLH伝送線を利用することができる。
このようなCRLH伝送線は、2つの直列インダクターと一つの並列キャパシターを有するRH伝送線及び2つの直列キャパシターと一つの並列インダクターを有するLH伝送線の結合により等価化可能な少なくとも一つのセルを備えていてもよい。ここで、RH伝送線は、入力信号に対して高周波帯域において正の位相遅延を引き起こし、LH伝送線は、入力信号に対して低周波帯域において負の位相遅延を引き起こす。すなわち、CRLH伝送線が有するセルの数を変更することにより、所望の位相遅延を引き起こすことができ、これにより、RFスイッチが二重帯域特性を有するように設計することができる。
また、第1PINダイオード307及び第2PINダイオード308は、入力端子301及び出力端子305にそれぞれ並列接続可能である。例えば、図5のように、第1PINダイオード307は一端が入力端子301に、他端がグラウンド309にそれぞれ接続されている。さらに、上述したように、且つ、図3に示すように、RFスイッチ300のPINダイオード307、308は、並列ダイオードと直列ダイオードを併用することも可能である。
すなわち、図5の一実施形態は本発明の好適な一例を示すものであり、種々の変形が可能であることはいうまでもない。例えば、図5の一実施形態においては、SPDT構造のRFスイッチについて説明しているが、このようにPINダイオード及びCRLH伝送線を利用する構造はSPST構造にも適用可能であり、PINダイオードを多重に接続することにより、さらに高い隔離度を実現することもできる。なお、二重帯域だけではなく、単一周波数帯域の設計時にも小型化可能であるというメリットを有する。
図6に基づき、CRLH伝送線について詳述する。
図6は、本発明の一実施形態における、二重帯域−CRLH伝送線を構成するセルの内部構成を説明するための図である。セル400は、大きく、2つの直列キャパシターと一つの並列インダクターを有するLH伝送線401と、2つの直列インダクターと一つの並列キャパシターを有するRH伝送線402との結合により構成される。このとき、RH伝送線402は、マイクロストリップ等分散定数素子である伝送線路を用いて実現可能であり、LH伝送線401は、LC集中定数素子を用いて実現可能である。優れた性能実現のために、セル400のサイズは管内波長の1/4以下となることが好ましい。
図6に示すように、セル400は、RH伝送線とLH伝送線の伝播定数に対する和であり、近似的に下記の数式1のように表わされる伝播定数(βCRLH)を有することができる。
Figure 2010521830
ここで、ωは角周波数を意味し、LRHはRH伝送線のインダクタンスを、CRHはRH伝送線のキャパシタンスをそれぞれ意味する。また、CLHはLH伝送線のインダクタンスを、CLHはLH伝送線のキャパシタンスをそれぞれ意味する。
上記の数式1から明らかなように、周波数が低い場合、LLH及びCLHが優勢な影響を与え、周波数が高い場合にはLRH及びCRHが優勢な影響を与える。このため、低い周波数においてはLH伝送線による負の位相遅延(−90度)を主として利用し、高い周波数においてはRH伝送線による正の位相遅延(90度)を主として利用して2つの帯域の両方において必要とされる位相遅延を達成することができる。特に、低周波帯域においてはLH伝送線により位相前進を実現することにより、伝送線路の長さが従来とは異なって波長とは無関係に定められ、低周波信号の波長の1/4以下になりうる。これに対し、高周波に対しては、主としてRH伝送線により位相遅延を実現するため、その長さが高周波信号波長の1/4になりうる。しかしながら、低周波信号の波長の方がさらに長いため、依然としてLH伝送線の利用により回路の小型化が達成される。但し、このような説明は極めて単純化されたものであり、実質的にLH線路とRH線路は複合的に作用し、これについては後述する。
図7は、CRLH伝送線の周波数による位相変化を示す図である。
グラフ500から明らかなように、CRLH伝送線の周波数に対する位相501はLH伝送線の位相502とRH伝送線の位相503との和で表わされる。このような特性を用いて、RFスイッチにおいて+90度及び−90度の位相を有するように設計することができる。数式1から、2つの使用周波数において位相遅延(ΦCRLH)を90度(π/2)または−90度(−π/2)にするためのRH伝送線とLH伝送線のインダクタンス及びキャパシタンス、そしてCRLH伝送線の長さ、及びCRLH伝送線を構成するセルの数Nに基づいて決定することができる。このような位相遅延による位相変化は、下記の数式2のように表わされる。
Figure 2010521830
このようなCRLH伝送線のセル400に関する解釈は、CRLH伝送線の解釈と同様であり、セルの数Nを通じて、通常のRH伝送線路により実現できなかった任意の二重帯域の設計が可能になる。すなわち、CRLH伝送線を用いた二重帯域伝送線は、RH伝送線とLH伝送線の位相の和により周波数による位相変化が表わされ、これを用いて異なるf1及びf2周波数において実質的に同じ動作特性を有する位相値を有するように設計可能である。このようなCRLH伝送線の特性は、下記の数式3のように表わされる。
Figure 2010521830
すなわち、このようなCRLH伝送線の特徴を用いた本発明によるRFスイッチは、設計周波数f1において+90度、f2において−90度を有するように設計可能であり、このために、数式3から、LH伝送線のインダクタンスLLHとキャパシタンスCLHは下記の数式4及び数式5のようにそれぞれ表わされる。
Figure 2010521830
Figure 2010521830
ここで、f1<f2である。
また、数式4及び数式5を数式3に代入することにより、RH伝送線の位相を求めることができる。このような設計周波数f1及びf2は、例えば、GSM帯域である880MHz帯域とPCS帯域である1.8MHz帯域を有するように設計することができる。
図8は、本発明の他の実施形態における、CRLH伝送線を用いて構成されたRFスイッチの構造を説明するための図である。RFスイッチ600は、SPST構造のスイッチであり、入力端子601と出力端子602との間へのRF信号の伝送を認可するために利用される。このようなRFスイッチ600は、一端が入力端子601に接続され、他端が出力端子602に接続された伝送線路603、入力端子601と伝送線路603との間に配設されてRF信号の伝送可否を制御する第1PINダイオード604及び出力端子602と伝送線路603との間に配設されてRF信号の伝送可否を制御する第2PINダイオード605を備える。このとき、伝送線路603は、上述したように、SPDT構造のRFスイッチと同様にCRLH伝送線を利用する。
CRLH伝送線は、2つの直列インダクターと一つの並列キャパシターを有するRH伝送線及び2つの直列キャパシターと一つの並列インダクターを有するLH伝送線の結合により等価化可能な少なくとも一つのセルを備えることができる。また、RH伝送線は、入力信号に対して高周波帯域において正の位相遅延を引き起こし、LH伝送線は、入力信号に対して低周波帯域において負の位相遅延を引き起こす。すなわち、数式1から明らかなように、SPST構造においても、SPDT構造と同様に、高周波に対しては主としてRH伝送線により位相遅延を実現するため、その長さが高周波信号波長の1/4になるものの、低周波信号の波長の方がさらに長いため、LH伝送線の利用を通じて回路の小型化が達成され、所望の位相遅延を設計して任意の二重帯域において同様に動作する回路を設計することが可能になる。
第1PINダイオード604及び第2PINダイオード605もまた、SPDT構造と同様に、並列接続を使用することもでき、並列接続と直列接続を併用することも可能である。図8に示すように、並列接続を利用する場合、例えば、第1PINダイオード604は一端が入力端子601に接続され、他端がグラウンド606に接続されて入力端子601と出力端子602との間への前記RF信号の伝送を認可または拒否することができる。これらの第1PINダイオード604及び第2PINダイオード605において、RF信号の伝送可否を決定する方法についての説明は既に詳述されているため、ここではその詳細な説明を省略する。
このように、PINダイオードを通じて、高出力でも高い線形性及び隔離度を有し、短いスイッチング時間を有しながらも、右手/左手系複合(CRLH)伝送線を伝送線路として利用することにより小型化が可能であり、二重帯域の特性を有するRFスイッチを設計することができる。また、SPDT構造だけではなく、SPST構造においても高い隔離度を実現し、単一周波数帯域においても小型化可能なRFスイッチを設計することができる。
以上、述べたように、本発明においては、具体的な構成要素などの特定の事項と限定された実施形態及び図面により説明されたが、これは本発明のより全般的な理解への一助となるために提供されたものに過ぎず、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する分野において通常の知識を持った者であれば、このような記載から種々の修正及び変形が可能である。
よって、本発明の思想は説明された実施形態に制限されて定められてはならず、特許請求の範囲だけではなく、この特許請求の範囲と均等であるか、あるいは、等価的変形があるあらゆるものは本発明の思想の範疇に属すると言える。

Claims (8)

  1. 高周波(RF)信号の入出力をスイッチングするRFスイッチにおいて、
    一端が入力端子または出力端子に接続され、他端が信号ラインに接続されて前記RF信号を伝送する伝送線路と、
    前記入力端子と前記伝送線路との間、または前記出力端子と前記伝送線路との間に配設されて前記RF信号の伝送可否を制御するダイオードと、
    を備え、
    前記伝送線路として右手/左手系複合(CRLH)伝送線を利用するRFスイッチ。
  2. 入力端子と出力端子との間へのRF信号の伝送を認可するRFスイッチにおいて、
    一端が前記入力端子に接続され、他端が前記出力端子に接続された伝送線路と、
    前記入力端子と前記伝送線路との間、または前記出力端子と前記伝送線路との間に配設されて前記RF信号の伝送可否を制御するダイオードと、
    を備え、
    前記伝送線路として右手/左手系複合(CRLH)伝送線を利用するRFスイッチ。
  3. 前記CRLH伝送線は、2つの直列インダクターと一つの並列キャパシターを有するRH伝送線及び2つの直列キャパシターと一つの並列インダクターを有するLH伝送線の結合により等価化可能な少なくとも一つのセルを備える請求項1または2に記載のRFスイッチ。
  4. 前記RH伝送線は、入力信号に対して高周波帯域において正の位相遅延を引き起こし、前記LH伝送線は、前記入力信号に対して低周波帯域において負の位相遅延を引き起こす請求項3に記載のRFスイッチ。
  5. 前記CRLH伝送線は、2以上の周波数に対して位相遅延の絶対値が90度である請求項1または2に記載のRFスイッチ。
  6. 前記ダイオードは、前記ダイオードの一端がが前記伝送線路に接続され、前記ダイオードの他端がグラウンドに接続される請求項1または2に記載のRFスイッチ。
  7. 前記ダイオードは、前記ダイオードの一端が前記入力端子または前記出力端子に接続され、前記ダイオードの他端が前記伝送線路に接続される請求項1または2に記載のRFスイッチ。
  8. 請求項1または2に記載のRFスイッチを備える装置。
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