JP2011087003A

JP2011087003A - スイッチ回路およびそれを用いた送受信システムおよび測定装置

Info

Publication number: JP2011087003A
Application number: JP2009236445A
Authority: JP
Inventors: Junji Hirama; 淳司平間; Hisashi Kado; 久賀戸
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2011-04-28

Abstract

【課題】オフ状態におけるノイズ遮断能力に優れたスイッチ回路を提供する。
【解決手段】スイッチ回路１００は、第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２、Ｎ個のクロスダイオードユニットＣＤＵと、Ｍ個（ＭはＭ＜Ｎなる整数）のキャパシタＣを備える。Ｎ個のクロスダイオードユニットＣＤＵは、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に直列に接続される。各キャパシタＣは、隣接するクロスダイオードユニットの接続点と接地端子の間に設けられる。各クロスダイオードユニットＣＤＵは、アノードが第１端子Ｐ１側となる向きで設けられたひとつの、またはアノードが第１端子側となる向きで直列に接続された複数のダイオードを含む第１ダイオードストリングＤＳ１と、カソードが第１端子Ｐ１側となる向きで設けられたひとつの、またはカソードが第１端子Ｐ１側となる向きで直列に接続された複数のダイオードを含む第２ダイオードストリングＤＳ２と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気信号を導通、遮断するスイッチに関する。

電気回路において、ある経路を伝搬する電圧信号および／または電流信号（以下、これらを電気信号と総称する）を遮断または導通させるために、スイッチ回路が利用される。図１は、スイッチ回路を利用したシステムの構成を示す図である。システム２００は、送信回路２０２、受信回路２０４、アンテナ２０６、スイッチ回路２０８を備える。図１は、送信回路２０２と受信回路２０４がアンテナ２０６を共有するシステム、すなわちトランシーバや携帯電話端末、あるいはレーダー、測定器などである。このシステム２００は、送信動作と受信動作を時分割で行う。スイッチ回路２０８は、送信期間中にオンとなり送信回路２０２をアンテナと２０６接続し、受信期間中にオフとなり送信回路２０２をアンテナ２０６および受信回路２０４から切り離す。スイッチ回路２０８としては、ＭＯＳＦＥＴやダイオードを用いたものが一般的である。

一般に、アンテナ２０６が受信する信号の強度は非常に弱い。したがって受信回路２０４は、アンテナ２０６が受信した信号を低ノイズアンプ（ＬＮＡ）２１２によって増幅し、増幅された信号に対して受信処理部２１４が所定の信号処理を施す。低ノイズアンプ２１２の入力端子は、アンテナカップラ２１０を介してアンテナ２０６と接続される。また送信回路２０２側には、アンテナ２０６から送出すべき信号（送信信号）を生成する送信信号生成部２１６と、送信信号を増幅する電力増幅器（ＰＡ）２１８が設けられる。

図１のシステム２００において、受信期間中において電力増幅器２１８からはノイズが出力されている。受信期間中、スイッチ回路２０８はオフしているが、電力増幅器２１８からのノイズがオフ状態のスイッチ回路２０８からアンテナ２０６側に漏れ出ると、アンテナ２０６が受信した信号と重畳されるため、受信回路２０４における信号処理に悪影響を及ぼす。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、オフ状態におけるノイズ遮断能力に優れたスイッチ回路の提供にある。

本発明のある態様はスイッチ回路に関する。スイッチ回路は、第１端子と、第２端子と、第１端子と第２端子の間に直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）のクロスダイオードユニットと、それぞれが、隣接するクロスダイオードユニットの接続と固定電圧端子の間に設けられたＭ個（ＭはＭ＜Ｎなる整数）のキャパシタと、を備える。各クロスダイオードユニットは、第１ダイオードストリングと第２ダイオードストリングを含む。第１ダイオードストリングは、アノードが第１端子側となる向きで設けられたひとつの、またはアノードが第１端子側となる向きで直列に接続された複数のダイオードを含む。第２ダイオードストリングは、カソードが第１端子側となる向きで設けられたひとつの、またはカソードが第１端子側となる向きで直列に接続された複数のダイオードを含む。

この態様によると、第１端子または第２端子に入力される信号の電圧振幅に応じてオン、オフを自動的に切りかえることができる。また、スイッチ回路がオフ状態において、スイッチ回路を伝搬するノイズを好適に遮断することができる。

Ｎ個のクロスダイオードユニットはそれぞれ、第１端子と第２端子の間に並列に設けられた同じ数の第１ダイオードストリングと、第１端子と第２端子の間に並列に設けられた同じ数の第２ダイオードストリングと、を含んでもよい。
第１ダイオードストリングと第２ダイオードストリングを複数、並列に設けることにより許容電流容量（最大定格電流）を高めることができる。

本発明の別の態様は、送受信システムである。この送受信システムは、アンテナと、アンテナから送信すべき電気信号を発生する送信アンプと、送信アンプからの電気信号を受け、アンテナへと出力する上述のスイッチ回路と、アンテナが受信した電気信号を増幅する受信アンプと、アンテナと受信アンプの間に設けられたアンテナカップラと、を備える。

本発明のさらに別の態様は、測定装置である。この装置は、対象物に送信信号を送出するとともに、送信信号が対象物と相互作用した結果生ずる信号を受信するアンテナと、アンテナから送信すべき信号を発生する送信アンプと、送信アンプからの信号を受け、アンテナへと出力する上述のいずれかの態様のスイッチ回路と、アンテナが受信した信号を増幅する受信アンプと、アンテナと受信アンプの間に設けられたアンテナカップラと、を備える。
測定装置は、ＮＭＲ（Nuclear Magnetic Resonance）装置やＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置であってもよいし、レーダーであってもよい。

この送受信システムや測定装置によると、受信期間中に、送信アンプが発生するノイズが受信アンプに入力されるのを防止または抑制することができる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、スイッチ回路を通過するノイズを好適に遮断できる。

スイッチ回路を利用したシステムの構成を示す図である。実施の形態に係るスイッチ回路の構成を示す回路図である。図２のスイッチ回路の電圧電流特性を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図２は、実施の形態に係るスイッチ回路の構成を示す回路図である。スイッチ回路１００は、複数Ｎ（Ｎは２以上の整数）個のクロスダイオードユニットＣＤＵ_１〜ＣＤＵ_Ｎと、Ｍ個（Ｍ＜Ｎなる整数）のキャパシタＣ_１〜Ｃ_Ｍと、を備える。図２では、Ｎ＝３、Ｍ＝２の場合が示される。図２では、各キャパシタＣ_１〜Ｃ_Ｍそれぞれが、直列に接続された２つのキャパシタを含むが、ひとつのキャパシタであってもよい。複数を直列に接続すると、合成容量が小さくなる代わりに、個々のキャパシタに印加される電圧を下げることができるため、合成キャパシタとしての耐圧を高めることができる。

図２の構成例では、キャパシタＣ_１の各キャパシタの容量は４７ｐＦであり、キャパシタＣ_１全体の合成容量は２３．５ｐＦである。またキャパシタＣ_１の各キャパシタの容量は１５０ｐＦであり、キャパシタＣ_１全体の合成容量は７５ｐＦである。

Ｎ個のクロスダイオードユニットＣＤＵ_１〜ＣＤＵ_Ｎは、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に直列に接続されている。各クロスダイオードユニットＣＤＵは、アノードとカソードが互いに対向する向きで並列に接続された少なくとも２つのダイオードを含んでいる。なお、ここで第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２は便宜的に定めたものであり、スイッチ回路１００自体に指向性はないと考えてよい。

各クロスダイオードユニットＣＤＵの構成を説明する。
各クロスダイオードユニットＣＤＵは、アノードが第１端子Ｐ１側となる向きで設けられたひとつの、またはアノードが第１端子Ｐ１側となる向きで直列に接続された複数のダイオードを含む第１ダイオードストリングＤＳ１と、カソードが第１端子Ｐ１側となる向きで設けられたひとつの、またはカソードが第１端子Ｐ１側となる向きで直列に接続された複数のダイオードを含む第２ダイオードストリングＤＳ２と、を含む。

同じクロスダイオードユニットＣＤＵに属する第１ダイオードストリングＤＳ１と第２ダイオードストリングＤＳ２は、同じ個数のダイオードを含んでいる。また第１ダイオードストリングＤＳ１と第２ダイオードストリングＤＳ２は、互いにアノードとカソードが対向する向きでクロスカップリングされている。

クロスダイオードユニットＣＤＵ_１およびＣＤＵ_２に属する第１ダイオードストリングＤＳ１、第２ダイオードストリングＤＳ２は、それぞれ直列に接続された２つのダイオードを含む。また、クロスダイオードユニットＣＤＵ_３に属する第１ダイオードストリングＤＳ１、第２ダイオードストリングＤＳ２は、それぞれひとつのダイオードを含む。

複数のクロスダイオードユニットＣＤＵはそれぞれ、互いに並列に接続された複数の第１ダイオードストリングＤＳ１と、互いに並列に接続された複数の第２ダイオードストリングＤＳ２を備えてもよい。この場合、すべてのクロスダイオードユニットＣＤＵの第１ダイオードストリングＤＳ１の個数は等しく、またすべてのクロスダイオードユニットＣＤＵの第２ダイオードストリングＤＳ２の個数は等しいことが望ましい。図２では、すべてのクロスダイオードユニットＣＤＵが、それぞれ３つの第１ダイオードストリングＤＳ１と、３つの第２ダイオードストリングＤＳ２を備えている。

並列に設ける第１ダイオードストリングＤＳ１と第２ダイオードストリングＤＳ２の個数は、スイッチ回路１００を流れる電流に応じて決めればよい。

以上がスイッチ回路１００の構成である。続いてその動作を説明する。スイッチ回路１００は、外部からスイッチ回路１００のオン、オフを制御する信号を与える必要が無く、入力電圧の振幅に応じて自動的にオン、オフが切り替わる。

図３は、図２のスイッチ回路１００の電圧電流特性を示す図である。図３の第１領域（I）において、スイッチ回路１００には電流が流れないため、スイッチ回路１００は遮断（オフ）状態である。第２領域（II）において、スイッチ回路１００には電流が流れるため、スイッチ回路１００は導通（オン）状態となる。

ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）のクロスダイオードユニットＣＤＵ_ｉに属する第１ダイオードストリングＤＳ１を構成するダイオードの個数と第２ダイオードストリングＤＳ２を構成するダイオードの個数をＫ_ｉ（Ｋは自然数）と書くとき、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２の間に直列に設けられるダイオードの個数Ｌは、以下の式で与えられる。
Ｌ＝Ｋ_１＋Ｋ_２＋Ｋ_３＋・・・Ｋ_Ｎ＝Σ_{ｉ＝１：Ｎ}Ｋ_ｉ

第１端子Ｐ１もしくは第２端子Ｐ２に印加される電圧Ｖの振幅が、しきい値電圧（Ｌ×Ｖｆ）を越えると、第１ダイオードストリングＤＳ１または第２ダイオードストリングＤＳ２が順方向にオンし、電流が流れる。一方、電圧Ｖの振幅がしきい値電圧（Ｌ×Ｖｆ）よりも小さいときは、電流が流れない。ここでＶｆはダイオードの順方向電圧である。

このスイッチ回路１００を図１のシステム２００のスイッチ回路２０８として用いた場合を説明する。送信期間では、送信回路２０２から大振幅の電圧Ｖ１がスイッチ回路１００の第１端子Ｐ１に入力される。電圧Ｖ１の振幅は、スイッチ回路１００のしきい値電圧（Ｌ×Ｖｆ）より高くなるように設計されており、したがって送信信号はスイッチ回路２０８を通過し、アンテナ２０６から送出される。

一方、受信期間においてアンテナ２０６が受信した信号Ｖ２は微弱電力であるため、その振幅はスイッチ回路１００のしきい値電圧（Ｌ×Ｖｆ）を越えず、スイッチ回路１００はオフである。このときアンテナ２０６からスイッチ回路１００側を見たインピーダンスは非常に高いため、受信した信号は受信回路２０４へと入力される。

ここで受信期間において送信回路２０２は沈黙しているが、送信回路２０２からはノイズが発生する。ノイズの振幅Ｖ１は、オフ状態のスイッチ回路１００を通過し、受信回路２０４へと漏れるおそれがある。

本発明者は、ノイズ特性を検討するために以下の２つのスイッチ回路についても検討を行った。
１．比較技術１
単一のクロスダイオードユニットＣＤＵを備えるスイッチ回路
２．比較技術２
直列に接続された複数のクロスダイオードユニットＣＤＵを備えるスイッチ回路

図２のスイッチ回路１００を図１のシステム２００に利用した場合、比較技術１もしくは比較技術２のスイッチ回路をシステム２００に利用した場合に比べて、送信回路２０２からスイッチ回路２０８を介して受信回路２０４へと入力されるノイズレベルを１／１０程度に低減することができた。

なお、実施の形態に係るスイッチ回路１００では、直列に接続するクロスダイオードユニットＣＤＵの個数を１個、２個と増やし、それとともにキャパシタの個数が増えていくに従い、ノイズレベルは低下していく。そしてクロスダイオードユニットＣＤＵの個数がある値を超えると、ノイズレベルがそれ以上低下しなくなる。したがって直列に設けるクロスダイオードユニットＣＤＵの個数を最適化することにより、ノイズを低下することができる。

また、クロスダイオードユニットＣＤＵの接続点に設けられるキャパシタの容量も、ノイズレベルに大きく影響する。したがって各キャパシタの容量を最適化することにより、ノイズレベルを低下することができる。

最後に、スイッチ回路１００の好ましいアプリケーションを説明する。スイッチ回路１００は、ＮＭＲやＭＲＩ、レーダーなどの測定装置に利用することができる。この測定装置について図１を参照して説明する。測定装置２００は、送信期間中にアンテナ２０６から電磁波を送出する。送出された電磁波は、測定対象物と相互作用する。アンテナ２０６は、相互作用の結果、対象物から電磁波が反射して戻ってくる電磁波を受ける。受信回路２０４は、アンテナ２０６が受信した信号を処理し、対象物の形状、状態を解析する。ＮＭＲやＭＲＩでは、対象物から戻ってくる信号は非常に微弱である。

したがって、スイッチ回路２０８には、きわめて高いノイズ遮断能力が要求される。従来では、アンテナ２０６から送出される電力を大きくすることにより、受信信号のレベルをノイズに比べて相対的に大きくし、Ｓ／Ｎ比を高めるアプローチが一般的であった。ところがこのアプローチは装置の大型化という問題を引き起こす。また測定対象物が人体である場合、人体に電力の大きな電磁波を照射することになるため好ましくない。

実施の形態に係るスイッチ回路１００を用いれば、その優れたノイズ遮断能力によって受信回路２０４の入力端におけるＳ／Ｎ比を高めることができる。このことは、装置の小型化、あるいは対象物への悪影響の低減に大きく寄与することとなる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

実施の形態では、キャパシタＣ_１〜Ｃ_Ｍを、個別の素子として設ける場合を説明したが本発明はこれに限定されず、配線などの寄生容量で代替してもよい。

また、図２では、隣接するクロスダイオードユニットＣＤＵのすべての接続点に対してキャパシタが設けられる場合を示しているが、本発明はこれに限定されない。たとえば図２においてキャパシタＣ１またはＣ２のいずれかを省略した回路も、本発明の態様として有効である。キャパシタを設ける位置は、ノイズレベルが小さくなるように決定すればよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

Ｐ１…第１端子、ＤＳ１…第１ダイオードストリング、Ｐ２…第２端子、ＣＤＵ…クロスダイオードユニット、ＤＳ２…第２ダイオードストリング、１００…スイッチ回路、２００…システム、２０２…送信回路、２０４…受信回路、２０６…アンテナ、２０８…スイッチ回路、２１０…アンテナカップラ。

Claims

第１端子と、
第２端子と、
前記第１端子と前記第２端子の間に直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）のクロスダイオードユニットと、
それぞれが、隣接するクロスダイオードユニットの接続点と固定電圧端子の間に設けられたＭ個（ＭはＭ＜Ｎなる整数）のキャパシタと、
を備え、
各クロスダイオードユニットは、
アノードが第１端子側となる向きで設けられたひとつの、またはアノードが第１端子側となる向きで直列に接続された複数のダイオードを含む第１ダイオードストリングと、
カソードが第１端子側となる向きで設けられたひとつの、またはカソードが第１端子側となる向きで直列に接続された複数のダイオードを含む第２ダイオードストリングと、
を含むことを特徴とするスイッチ回路。
前記Ｎ個のクロスダイオードユニットはそれぞれ、前記第１端子と前記第２端子の間に並列に設けられた同じ数の第１ダイオードストリングと、前記第１端子と前記第２端子の間に並列に設けられた同じ数の第２ダイオードストリングと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のスイッチ回路。
アンテナと、
前記アンテナから送信すべき電気信号を発生する送信アンプと、
前記送信アンプからの前記電気信号を受け、前記アンテナへと出力する請求項１または２に記載のスイッチ回路と、
前記アンテナが受信した電気信号を増幅する受信アンプと、
前記アンテナと前記受信アンプの間に設けられたアンテナカップラと、
を備えることを特徴とする送受信システム。
対象物に送信信号を送出するとともに、前記送信信号が前記対象物と相互作用した結果生ずる信号を受信するアンテナと、
前記アンテナから送信すべき信号を発生する送信アンプと、
前記送信アンプからの前記信号を受け、前記アンテナへと出力する請求項１または２に記載のスイッチ回路と、
前記アンテナが受信した信号を増幅する受信アンプと、
前記アンテナと前記受信アンプの間に設けられたアンテナカップラと、
を備えることを特徴とする測定装置。