JP2532122B2 - マイクロ波スイッチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マイクロ波スイッチ、特に、広い帯域にお
ける多極切替に好適なマイクロ波スイッチに関する。

［従来の技術］ 従来、多極型のマイクロ波スイッチは、共通ポートと
複数本の選択ポートとを有し、シリーズ・パラレル型に
ダイオードを接続してなるスイッチング素子を選択ポー
トの各々に接続し、該選択ポートを上記スイッチング素
子を構成するシリーズダイオードを介して選択的に共通
ポートに接続する構成となっている。なお、上記選択ポ
ートが１本の場合は、単に線路のオンオフを行なう単極
型のマイクロ波スイッチとなる。

この種のマイクロ波スイッチをマイクロストリップに
より構成する場合は、基板の一方の面に、上記した共通
ポート、選択ポートおよびスイッチング素子を設け、他
方の面に、スイッチング素子のバイアス制御を行なう制
御回路を設ける構造となっている場合が多い。スイッチ
ング素子は、線路に直列に接続されるシリーズダイオー
ドと、線路に並列に接続され、線路をシャントするパラ
レルダイオードとからなる。これらのダイオードとして
は、一般に、PINダイオードが使用される。

マイクロ波スイッチは、各選択ポートにおけるシリー
ズダイオードおよびパラレルダイオードに対するバイア
スを制御することによりスイッチの切替を行なう。すな
わち、接続すべき選択ポートについては、シリーズダイ
オードを導通状態とし、パラレルダイオードを非導通状
態とするようにバイアスを設定し、接続しない他の選択
ポートについては、シリーズダイオードとパラレルダイ
オードについてのバイアスをこれと逆の関係になるよう
に設定することにより、設定の選択ポートを選択的に共
通ポートに接続する。

従って、このような構成のマイクロ波スイッチは、ダ
イオードのバイアスを制御することにより、選択ポート
を選択的に共通ポートに接続でき、切替スイッチとして
機能する。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来のマイクロ波スイッチにあっ
ては、次のような問題があった。

第１に、従来のマイクロ波スイッチは、使用できる周
波数帯域が狭いという問題があった。すなわち、高周波
域では反射が起こり、使用できないという問題があっ
た。これは、共通ポートと選択ポートとを接続するシリ
ーズダイードの有する接合容量のために起こるものであ
って、接合容量が大きくなるほど、高周波域での損失が
大きくなる傾向がある。

第２に、従来のマイクロ波スイッチは、極数を多くす
ると、接続されるスイッチング素子として接続されるシ
リーズダイオードの数が増えるため、その接合容量が個
数分並列接続されることとなり、上記したと同様の理由
により、高周波域で反射損失が大きくなり、使用できな
いという問題があった。

このように、従来のマイクロ波スイッチは、高周波域
での使用に適さず、また、多極化にも適していないとい
う問題があり、これを解決する必要があった。

本発明の目的は、上記問題点を解決すべくなされたも
ので、高周波域での反射損失の増大を抑え、極数が少な
い場合は勿論、多極化しても高周波域で使用できるマイ
クロ波スイッチを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記課題を解決する手段として、共通ポー
トと複数本の選択ポートとを有し、シリーズ・パラレル
型にダイオードを接続してなるスイッチング素子を選択
ポートの各々に接続し、該選択ポートを上記スイッチン
グ素子を構成するシリーズダイオードを介して選択的に
共通ポートに接続するマイクロ波スイッチにおいて、 上記共通ポートに、上記スイッチング素子の有する接
合容量の影響を補正する整合回路を設け、 該接合回路を、インダクタンス領域とキャパシタンス
領域とを直列接続して構成すると共に、インダンクタン
ス領域を上記シリーズダイオード側に接続するよう配置
したことを特徴とする。

スイッチング素子は、線路に直列に接続されるシリー
ズダイオードと、線路に並列に接続され、線路をシャン
トするパラレルダイオードとからなる。これらのダイオ
ードとしては、接合容量の小さいダイオードを使用し、
好ましくは、PINダイオードを使用する。

マイクロ波スイッチは、上記従来のスイッチと同様
に、各選択ポートにおけるシリーズダイオードおよびパ
ラレルダイオードに対するバイアスを制御することによ
りスイッチの切替を行なう。すなわち、接続すべき選択
ポートについては、シリーズダイオードを導通状態と
し、パラレルダイオードを非導通状態とするようにバイ
アスを設定し、接続しない他の選択ポートについては、
シリーズダイオードとパラレルダイオードについてのバ
イアスをこれと逆の関係になるように設定することによ
り、特定の選択ポートを選択的に共通ポートに接続す
る。

また、上記共通ポートと選択ポートは、両者の接続点
を中心として放射状に配置することが好ましい。この場
合において、共通ポートの中心部にある端部をリング状
に形成し、該リングと選択ポートとを、スイッチング素
子を構成するシリーズダイオードにより接続する構成と
してもよい。これは、極数が多い場合に好適である。

さらに、整合回路は、インダクタンス領域とキャパシ
タンス領域とを直列接続して構成するが、これらの組合
せは、整合がとれる範囲において任意である。例えば、
前者のインダクタンスをＬ、後者のキャパシタンスをＣ
とすると、 L₀＋C₀ C₁＋L₁＋C₂＋L₂ L₃＋C₃＋L₄＋C₄＋L₅＋C₅ 等のように、種々の値を持つインダクタンスとキャパシ
タンスとの組合せとすることができる。もっとも、配置
に際しては、共通ポートと選択ポートとの接続点にイン
ダクタンス領域を接続するよう配置する。

この場合、上記接続点に接続されるインダクタンス領
域を高インピーダンスに設定することが好ましい。

［作用］ 本発明は、共通ポートに、スイッチング素子を構成す
るシリーズダイオードの有する接合容量の影響を補正す
る整合回路を設けてあるので、シリーズダイオードの接
合容量による高周波域での反射を抑えることができる。
従って、多極化して、スイッチング素子を多数個接続し
た場合でも、それに対応して整合回路を設けることによ
り、従来困難であった高周波域での反射損失の増加を抑
えることができる。

また、該整合回路を、インダクタンス領域とキャパシ
タンス領域とを直列接続して構成すると共に、上記接続
点にインダクタンス領域を接続するよう配置してあるの
で、細線状に形成できるインダクタンス領域が、面積の
狭い中心部に位置することとなり、極数が多くなる場合
に、障害となることがない。この場合、上記接続点に接
続されるインダクタンス領域を高インピーダンスに設定
すると、インダクタンス領域がより細く形成できるの
で、好都合である。

また、本発明において、上記共通ポートと選択ポート
とを、両者の接続点を中心として放射状に配置すること
により、極数の多い場合の配置が容易となる。この場合
において、共通ポートの中心部にある端部をリング状に
形成し、該リングと選択ポートとをシリーズダイオード
により接続する構成とすれば、極数が多い場合により好
適である。

［実施例］ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

［実施例］ 本発明の実施例について図面を参照して説明する。

＜第１実施例の構成＞ 第１図に本発明マイクロ波スイッチの第１実施例の概
要を等価回路により示す。

本実施例は、１〜18GHzの範囲で無反射型スイッチと
して使用することができる例である。すなわち、本実施
例は、１本の共通ポートPcと、８本の選択ポートPs₁〜P
s₈とを有し、該共通ポートPcと選択ポートPs₁〜Ps₈と
を、バイアスによりオンオフ状態が変化するスイッチン
グ素子を介して接続し、上記スイッチング素子を選択的
にオンオフさせて、選択ポートPs₁〜Ps₈のいずれかを選
択的に共通ポートPcに接続するマイクロ波スイッチに適
用した例である。

本実施例において、共通ポートPcは、入力端子の部分
に設けられた直流遮断用コンデンサC₁と、バイアス用コ
イルL₁およびコンデンサC₂と、大振幅信号が入力した場
合の対策として設けられる逆バイアス用抵抗R₁と、整合
回路１とを備えて構成される。

一方、選択ポートPs₁〜Ps₈は、いずれも同一の構成で
あって、スイッチング素子として機能するシリーズダイ
オードD₁、パラレルダイオードD₂およびD₃と、終端抵抗
R₂および該終端抵抗をバイパスするバイパス用ダイオー
ドD₄からなる終端抵抗回路２と、バイアス用コイルL₂お
よびコンデンサC₄と、出力端子の部分に設けられた直流
遮断用コンデンサC₃とを備えて構成される。

上記シリーズダイオードD₁としては、接合容量が小さ
いPINダイオードを使用する。本実施例では、ビームリ
ード型ダイオードを使用し、マイクロストリップ線路に
接続する。

パラレルダイオードD₂およびD₃は、線路上では好まし
くはほぼ1/4波長離して配置する。本実施例では、これ
らの素子としてPINダイオードチップを使用している。

上記終端抵抗回路２に構成する終端抵抗R₂は、50Ωの
抵抗値を有し、上記パラレルダイオードD₃の後方に近接
して、線路に直列に接続され、該ダイオードD₃を介して
接地されて終端回路を構成する。上記パラレルダイオー
ドD₃との接続距離は、好ましくは、0.6mm以下とする。

また、この終端抵抗R₂には、並列にバイパス用ダイオ
ードD₄が接続される。その接続方向は、入力信号を終端
抵抗R₂を経ることなく出力側に伝送できるように設定さ
れる。

上記バイアス用コイルL₂およびコンデンサC₄とは、直
列に接続され、コンデンサC₄の一端が接地される。両者
の接続点は、このスイッチのスイッチング素子、すなわ
ち、シリーズダイオードD₁、パラレルダイオードD₂およ
びD₃にバイアス電流を供給してスイッチのオンオフを行
なうドライバ回路（図示せず）に接続される。このドラ
イバ回路は、定電流供給回路を有しており、スイッチの
オンオフに対応して出力の極性を変える構成となってい
る。

上記整合回路１は、上記スイッチング素子であるシリ
ーズダイオードD₁の有する接合容量の影響を補正する回
路であって、インダクタンスとキャパシタンスとを直列
接続して構成する。具体的には、ストリップ線路上に、
インダクタンス領域とキャパシタンス領域とを形成す
る。

次に、上記等価回路により表わされる本実施例のマイ
クロ波スイッチの物理的な構成について、第２図を参照
して説明する。

本実施例は、第２図に示すように、ほぼ十角形の基板
４に放射状にマイクロストリップ線路３を形成し、その
内、１本を共通ポートPc、８本を選択ポートPs₁〜Ps₈と
してある。各線路３には、各々ダイオート、抵抗、コン
デンサ、コイル等との接続部Ａ、Ｂ、ＣおよびＤが設け
てある。また、各ポートPc、Ps₁〜Ps₈の外側の端部に
は、図示していないが、外部線路との接続を行なうコネ
クタが設けられる。

接続部Ａは、共通ポートPcに設けられている、上記し
た直流遮断用コンデンサC₁と、バイアス用コイルL₁およ
びコンデンサC₂と、逆バイアス用抵抗R₁とが接続され
る。

接続部Ｂは、各ポートPcの端部に上記整合回路１が設
けられ、この共通ポートPcの端部と選択ポートPs₁〜Ps₈
の端部とが上記スイッチング用のシリーズダイオードD₁
を介して接続され、かつ、選択ポートPs₁〜Ps₈の各端部
に該シリーズダイオードD₁の後方でパラレルダイオード
D₂が接続される。

整合回路１は、第３図に示すように、本実施例では、
L₁₁＋C₁₁＋L₁₂のように、インダクタンス領域L₁₁、キャ
パシタンス領域C₁₁およびインダクタンス領域L₁₂を直列
に接続して構成される。これらは、マイクロストリップ
線路３の一部を構成し、ストリップ導体の幅および長さ
を適当に設定することにより、所望のインダクタンスお
よびキャパシタンスに設定してある。例えば、本実施例
では、比誘電率2.2、厚さ0.127mmの誘電体上に、線路方
向長さ0.9mm、幅0.07mmのストリップ導体を設けてイン
ダクタンス領域L₁₁とし、続いて、線路方向長さ0.54m
m、幅1.52mmのストリップ導体を設けてキャパシタンス
領域C₁₁とし、さらに、線路方向長さ1.0mm、幅0.27mmの
ストリップ導体を設けてインダクタンス領域L₁₂として
いる。

また、上記インダクタンス領域L₁₁、L₁₂は、前者が高
インピーダンスとなるように設定してあり、ストリップ
導体が細く形成される。そのため、共通ポートPcの端部
側、すなわち、各選択ポートPs₁〜Ps₈との接続点にイン
ダンクタンス領域L₁₁を接続するよう配置する。

シリーズダイオードD₁とパラレルダイオードD₂は、共
通ポートPcを構成するマイクロストリップ線路３の端部
3aと、各選択ポートPs₁〜Ps₈を構成するマイクロストリ
ップ線路３の端部3bとの間に配置される。マイクロスト
リップ線路３に対し、前者は直列に、後者は並列に接続
される。

シリーズダイオードD₁は、ビームリード型タイオード
によりストリップ導体の不連続部を橋絡するよう接続す
る。一方、パラレルダイオードD₂は、ダイオードチップ
を使用し、マイクロストリップ線路３のストリップ導体
に不連続部を設け、この不連続部に露出される誘導体に
基板４まで通じる孔を設け、この孔に上記ダイオードチ
ップを挿入して基板４に接続し、上部電極をリード線に
よりストリップ導体と接続することにより実装する。こ
れは、後述するパラレルダイオードD₃も同様である。

接続部Ｃは、各選択ポートPs₁〜Ps₈を構成するマイク
ロストリップ線路３に、上記パラレルダイオードD₃と、
これに近接して、終端抵抗R₂とバイパス用ダイオードD₄
とを並列に接続した終端抵抗回路２とが接続される。

接続部Ｄは、各選択ポートPs₁〜Ps₈を構成するマイク
ロストリップ線路３に、バイアス用コイルL₂およびコン
デンサC₄と、出力端子の部分に設けられた直流遮断用コ
ンデンサC₃とが接続される。第４図に示すように、コン
デンサC₃は、マイクロストリップ線路３上に設けられ
る。一方、コンデンサC₄は、マイクロストリップ線路３
の外側に設けられ、コイルL₂は、このコンデンサC₄とマ
イクロストリップ線路３とを結んでいる。そして、コン
デンサC₄の先で、端子５を介して、基板４の裏面側に設
けてある図示しないドライバ回路に接続される。

＜第１実施例の作用＞ 本実施例は、共通ポートPcといずれかの選択ポートPs
₁〜Ps₈とを、各選択ポートPs₁〜Ps₈のスイッチング素子
（シリーズダイオードD₁、パラレルダイオードD₂および
D₃）のオンオフにより接続する。これらのシリーズダイ
オードD₁、パラレルダイオードD₂およびD₃のオンオフ
は、図示しないドライバ回路により制御される。

今、ある選択ポートを選択的にオンするものとする
と、上記のように構成した本実施例のマイクロ波スイッ
チは、先ず、図示しないドライバ回路が選択された選択
ポートの端子５を介して、当該選択ポートのマイクロス
トリップ線路接地電位より低い電位で定電流を供給す
る。これにより、当該選択ポートのシリーズダイオード
D₁が順方向にバイアスされ、パラレルダイオードD₂およ
びD₃が逆バイアス状態となるため、スイッチがオン状態
となる。その結果、入力するマイクロ波電流は、コンデ
ンサC₁、整合回路１、シリーズダイオードD₁、ダイオー
ドD₄およびコンデンサC₃を経て出力側に流れる。この場
合、終端抵抗R₂は、ダイオードD₄でバイパスされるた
め、これによる損失はない。

この時、選択されなかった選択ポートに対しては、上
記とは逆にバイアスをかける。そのため、これらの選択
ポートでは、シリーズダイオードD₁が逆方向にバイアス
され、パラレルダイオードD₂およびD₃が順バイアス状態
となるため、スイッチがオフ状態となる。その結果、こ
れらのポートにはマイクロ波電流が入力しない。この場
合、出力側は、終端抵抗R₂とパラレルダイオードD₂およ
びD₃とにより終端回路が構成されるため、出力側からの
インピーダンスが整合した状態となり、出力側から入力
するマイクロ波の反射が阻止される。

ところで、本実施例の各選択ポートPs₁〜Ps₈には、い
ずれもシリーズダイオードD₁が挿入接続されており、各
ポートPs₁〜Ps₈が並列になるため、各接合容量が並列に
接続されて、大きな容量となる。この容量が大きくなる
ほど、高周波域における挿入損失を増大する。しかし、
本実施例では、いずれの選択ポートPs₁〜Ps₈が選択され
ても、共通ポートPcに整合回路１が設けてあるので、こ
の挿入損失が補償され、周波数特性が改善される。

第６図に本実施例のマイクロ波スイッチと同じ構造の
マイクロ波スイッチ（曲線Ａ）と、これと同一の構造で
あって整合回路を設けていないマイクロ波スイッチ（曲
線Ｂ）とをモデル化してコンピュータによりシミュレー
ションした結果を示す。なお、この解析では、オン状態
にある１個のシリーズダイオードを除く、オフ状態の他
の７個のシリーズダイオードの接合容量を並列接続した
合成容量を0.14pFとしてある。

同図曲線Ａにより示すように、整合回路を設けている
本実施例のマイクロ波スイッチは、2GHz〜18GHzの周波
数域において、反射損失が20dBを超えない。これに対し
て、同図曲線Ｂにより示すように、整合回路を設けてい
ないマイクロ波スイッチは、2GHz〜18GHの周波数域にお
いて、曲線Ａより大きな反射損失を生じ、しかも、周波
数の増大に伴なって、損失が大きくなっている。両者を
比較すれば明らかなように、本実施例は、高周波域での
反射損失が抑えられ、高周波域で使用できるマイクロ波
スイッチを実現することができる。

＜第２実施例＞ 第５図に本発明マイクロ波スイッチの第２実施例の概
要を示す。

本実施例は、選択ポートがPs₁〜Ps₁₅まであって、極
数が多い。そのため、共通ポートPcの端部の接続部を、
マイクロストリップ線路３の端部3cをリング状に形成し
てある。

また、本実施例の整合回路１は、インダクタンス領域
とキャパシタンス領域とを、L₂₁＋C₂₁＋L₂₂＋C₂₂の構成
としてある。

この他の構成は、上記第１実施例と異なるところはな
い。また、作用についても、上記実施例と同様である。

＜他の実施例＞ 上記各実施例では、共通ポートを入力側とし、選択ポ
ートを出力側としているが、反射特性が変わることに問
題がなければ、入出力を逆に使用してもよい。

また、上記各実施例では、パラレルダイオードを２個
設けているが、２個に限るものではなく、１個でも、３
個以上であってもよい。シリーズダイオードD₁について
も同様であって、２個以上直列に接続してもよい。

上記各実施例では、終端抵抗回路を設けているが、無
反射型としなくてもよい場合には、省略してもよい。

さらに、本発明は、極数を上記各実施例のものに限ら
れず、これらより多い極数でも、また、少ない極数でも
よい。

例えば、マイクロストリップ線路にシリーズ・パラレ
ル型にダイオード接続してなるスイッチング素子を有す
る単極のマイクロ波スイッチに、上記シリーズダイオー
ドの有する接合容量の影響を補正する整合回路を設ける
ことができる。この場合、整合回路を構成するインダク
タンス領域とキャパシタンス領域とは、上記したように
設定することができる。インダクタンス領域とキャパシ
タンス領域の接続順序は、上記実施例と同様に、インダ
クタンス領域を上記シリーズダイオード側に接続するよ
うに配置する。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、高周波域での反
射を抑え、極数が少ない場合は勿論、多極であっても高
周波域で使用できるマイクロ波スイッチを実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明マイクロ波スイッチの第１実施例の概要
を示す等価回路図、第２図は上記第１実施例の物理的構
造の概要を示す平面図、第３図は上記第１実施例の主要
部である接続部Ｂの構造を示す要部拡大平面図、第４図
は上記第１実施例の接続部Ｄの構造を示す要部拡大平面
図、第５図は本発明マイクロ波スイッチの第２実施例の
主要部の構造を示す要部拡大平面図、第６図は第１実施
例のマイクロ波スイッチと同じ構造のマイクロ波スイッ
チについて、整合回路を設けたものと設けていないもの
とをモデル化してコンピュータによりシミュレーション
した結果を示すグラフである。 C₁〜C₃……コンデンサ L₁、L₂……コイル D₁〜D₄……ダイオード R₁、R₂……抵抗 Pc……共通ポート Ps₁〜Ps₁₅……選択ポート １……整合回路 ２……終端抵抗回路 ３……マイクロストリップ線路 ４……基板

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】共通ポートと複数本の選択ポートとを有
   し、シリーズ・パラレル型にダイオードを接続してなる
   スイッチング素子を選択ポートの各々に接続し、該選択
   ポートを上記スイッチング素子を構成するシリーズダイ
   オードを介して選択的に共通ポートに接続するマイクロ
   波スイッチにおいて、 上記共通ポートに、上記シリーズダイオードの有する接
   合容量の影響を補正する整合回路を設け、 該整合回路を、インダクタンス領域とキャパシタンス領
   域とを直列接続して構成すると共に、インダクタンス領
   域を上記シリーズダイオード側に接続するよう配置した
   ことを特徴とするマイクロ波スイッチ。
2. 【請求項２】上記共通ポートと選択ポートとを、両者の
   接続点を中心として放射状に配置した請求項１記載のマ
   イクロ波スイッチ。
3. 【請求項３】上記共通ポートと選択ポートとを、両者の
   接続点を中心として放射状に配置し、かつ、共通ポート
   の中心部にある端部をリング状に形成し、該リングと選
   択ポートとをスイッチング素子を介して接続した請求項
   １記載のマイクロ波スイッチ。
4. 【請求項４】上記整合回路の、上記接続点に接続される
   インダクタンス領域を高インピーダンスに設定した請求
   項１、２または３記載のマイクロ波スイッチ。