JP3087844B2 - 半導体移相器 - Google Patents
半導体移相器Info
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- Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
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Description
し、特に電界効果トランジスタを少なくとも1つ有する
半導体移相器に関する。
されているが、その主なものの一つにR.V.Garv
erによるアイ・イ−・イ−・イー トランザクション
オンマイクロウエーブ セオリー アンド テクニー
ク、Vol.MTT−20,pp.314−323,M
ay1972のようなハイパス・ローパス型移相器があ
る。これは、図9に示すように、2つのRF信号の経路
があり、経路の切換は入力側、出力側ともに連動して動
作するスイッチで行っている。この移相器の動作原理
は、第一の経路が例えばT型高域通過型フィルタ(ハイ
パスフィルタ)のとき、リアクタンスXとサセプタンス
Bを用いて、RF信号の位相φH は、
(ローパスフィルタ)のとき、位相φL は、
は位相が進み、ローパスフィルタでは位相が遅れる。ス
イッチを用いたハイパス経路とローパス経路の切換によ
り、位相差
バイアスがハイパス側とローパス側の2系統必要にな
る。この移相器は、経路の切換に移相部分とは別に2つ
のスイッチを要する点で、その挿入損失が大きくなると
いう問題点があった。
ノリシックマイクロ波移相器」では、上述の2系統必要
なバイアスを1系統にすることを特徴とする移相器を提
案している。その例を図10に示す。コントロールバイ
アスは1系統で、二つのFETのゲートには同時に同じ
電位が印加される。FETがオン状態のときは、インダ
クタと並列に接続されたFETによって、インダクタの
両端は短絡される。そのとき、接地しているキャパシタ
とインダクタは並列共振し、
ように単なる入出力短絡回路となる。一方、FETがオ
フ状態のときは、図11(a)のようにT型ローパスフ
ィルタとなる。この2つの状態の位相差が移相量
タの容量Cと並列接続するインダクタの値Lによって式
で決まる、f0 という特定の周波数のみで理想的な移相
量
0 から少しでもはずれた周波数では、移相状態は所望の
値から外れるという問題点があった。
イパス・ローパス型半導体移相器は、挿入損失が大き
い、狭帯域などの問題点があった。
もハイパス・ローパス型移相器が高性能を維持したまま
実現でき、低損失化も同時に実現する半導体移相器を提
供することである。
は、第1、第2の入出力端子と、第1と第2の入出力端
子の間に互いに並列に接続された第1の信号経路と第2
の信号経路を有し、第1の信号経路は、電界効果トラン
ジスタを含むハイパスフィルタと、その両端に接続され
た、伝搬波長の四分の一程度の線路長を有する第1、第
2の伝送線路を有し、第2の信号線路は、電界効果トラ
ンジスタを含むローパスフィルタと、その両端に接続さ
れた、伝搬波長の四分の一程度の線路長を有する第3、
第4の伝送線路を有する。
フィルタが、ソースまたはドレイン同志が接続され、ゲ
ートに同電位が印加される第1、第2の電界効果トラン
ジスタと、一端が接地され、他端が第1と第2の電界効
果トランジスタの接続点に接続されたインダクタを有
し、第1の電界効果トランジスタの、第2の電界効果ト
ランジスタと接続されていないソースまたはドレイン、
第2の電界効果トランジスタの、第1の電界効果トラン
ジスタと接続されていないソースまたはドレインはそれ
ぞれハイパスフィルタの入力端子、出力端子を構成して
いる。
パスフィルタが、電界効果トランジスタと、一端が接地
され、他端が前記電界効果トランジスタのソースに接続
された第1のインダクタと、一端が接地され、他端が前
記電界効果トランジスタのドレインに接続された第2の
インダクタを有し、前記電界効果トランジスタのソー
ス、ドレインがそれぞれ前記ハイパスフィルタの入力端
子、出力端子を構成している。
フィルタが、請求項1または2記載のハイパスフィルタ
を単位回路として2個以上直列に接続されている。
フィルタが、互いに直列に接続された第1、第2のイン
ダクタと、ソースまたはドレインが接地され、ドレイン
またはソースが第1と第2のインダクタの接続点に接続
された電界効果トランジスタを有し、第1のインダクタ
の、第2のインダクタと接続されていない端子、第2の
インダクタの、第1のインダクタと接続されていない端
子がそれぞれ前記ローパスフィルタの入力端子、出力端
子を構成している。
フィルタが、インダクタと、ソースまたはドレインが接
地され、ドレインまたはソースが前記インダクタの一端
に接続された第1の電界効果トランジスタと、ソースま
たはドレインが接地され、ドレインまたはソースが前記
インダクタの他端に接続され、ゲートに第1の電界効果
トランジスタのゲートと同電位が印加される第2の電界
効果トランジスタを有し、前記インダクタの一端、他端
がそれぞれ前記ローパスフィルタの入力端子、出力端子
を構成している。
フィルタが、請求項5または6記載のローパスフィルタ
を単位回路として、2個以上直列に接続されている。
フィルタが、ゲート電極とそれを挟んで対向する第1お
よび第2のオーミック電極からなるトランジスタと、該
トランジスタを囲む活性層を有し、該第1のオーミック
電極は接地され、前記第2のオーミック電極の各端部が
それぞれローパスフィルタの入力端子、出力端子を構成
している。
FETを含み、FETがオフのときに容量として機能
し、ビアホールあるいは伝送線路で形成したインダクタ
とT型あるいはπ型ハイパスまたはローパスフィルタを
構成することを特徴とし、同時に相補的にオンとなる他
方の経路のFETが四分の一伝搬波長の長さの伝送線路
を介し、ハイインピーダンスすなわちオープンとなるこ
とで、経路の切換の機能をも果たすスイッチとしても動
作する。このことにより、挿入損失は各フィルタの損失
のみになり、低挿入損失化が実現でき、さらに、ローパ
スフィルタは請求項8の場合分布定数FETを用いてい
るため、理想的には遮断周波数は存在せず、その他の請
求項のローパスフィルタでも、FETの小さなオフ容量
とビアホールなどの小さなインダクタを用いているた
め、遮断周波数が高く、またハイパスフィルタを構成す
るインダクタはビアホールおよび伝送線路による小さな
インダクタンスと、キャパシタはFETの小さなオフ容
量によるため、遮断周波数を高く設定することが可能と
なり、高周波化が実現できる。
て図面を参照して説明する。
の実施形態の半導体移相器の回路図である。本実施形態
では信号経路が2つある。第1の信号経路は、第1の入
出力端子1から順に、伝搬波長の四分の一程度の線路長
を有する伝送線路3aと、伝送線路3aとソースまたは
ドレインが接続された第1のFET5と、第1のFET
5のドレインまたはソースとドレインまたはソースが接
続された第2のFET6と、第2のFET6のソースま
たはドレインと接続された、伝搬波長の四分の一程度の
線路長を有する伝送線路3bと、第2の入出力端子2で
構成されている。伝送線路3aと第1のFETの接続
点、第1のFET5と第2のFET6の接続点、第2の
FET6と伝送線路3bの接続点に、他端が接地した伝
送線路4a,4b,4cがそれぞれ接続されている。第
1のFET5と第2のFET6のゲートにアイソレーシ
ョン抵抗7を介して第1の制御端子11によって同電位
が印加されるようになっている。一方、第2の信号経路
は、第1の入出力端子1から順に、伝搬波長の四分の一
程度の線路長を有する伝送線路3cと、伝送線路3cと
接続された伝送線路10と、伝送線路10と接続され、
伝搬波長の四分の一程度の線路長を有する伝送線路3d
と、第2の入出力端子2で構成されている。伝送線路3
cと伝送線路10の接続点、伝送線路10と伝送線路3
dの接続点に、ソースが接地された第3のFET8のド
レイン、ソースが接地された第4のFET9のドレイン
がそれぞれ接続されている。第3のFET8と第4のF
ET9のゲートにはアイソレーション抵抗7bを介して
第2の制御端子12によって同電位が印加されるように
なっている。
5と第2のFET6がオン、第2の制御端子12によっ
て第3のFET8と第4のFET9がオフのとき、本実
施形態の等価回路は、図2に示すようにローパスフィル
タとなり、位相は遅れる。一方、第1のFET5と第2
のFET6がオフ、第3のFET8と第4のFET9が
オンのとき、図3に示すようにハイパスフィルタとな
り、位相は進む。上記の2状態を切換えることによっ
て、移相器としての動作をする。このように、ハイパス
フィルタ・ローパスフィルタのキャパシタをFETと置
き換え、伝搬波長の四分の一程度の線路長を有する伝送
線路3と組み合わせることによって、FETは、フィル
タの容量としてだけでなく、経路を切換えるスイッチと
しての役割も果たすことになる。このことにより、従
来、経路の切換のために別途有していたスイッチが不要
となり、移相器全体の挿入損失はフィルタの損失分だけ
にでき、大きく低減できることになる。
体移相器について説明する。
た移相器回路をもとに、ゲート長が0.15μm、ゲー
ト幅が100μmのAlGaAs系ヘテロ接合FETを
用いて構成した。FETがオフのときの容量は40f
F、オンのときの抵抗は8オームである。伝搬波長の四
分の一程度の線路長を有する伝送線路3a〜3dは10
μm幅のマイクロストリップ線路で構成され、第1の信
号経路では280μm、第2の信号経路では350μm
の長さである。接地された伝送線路4a〜4cも10μ
m幅のマイクロストリップ線路で構成され、190μm
の長さである。伝送線路10も幅10μmのマイクロス
トリップ線路で構成され、260μmの長さである。こ
の半導体移相器の位相特性を図4に示す。77GHzで
43.4°の移相量を示した。図から明らかなように、
10GHz以上にわたる広帯域な位相特性を示してい
る。77GHzにおける挿入損失も1.2dB以下、リ
ターンロスも25dB以上と非常に良好な値であった。
の実施の形態の半導体移相器の回路図である。本実施形
態の信号経路も2つあり、第1の信号経路は第1の実施
形態と同じである。一方、第2の信号経路は、第1の入
出力端子1から順に、伝搬波長の四分の一程度の線路長
を有する伝送線路3cと、第1の伝送線路15と、第2
の伝送線路16、伝搬波長の四分の一程度の線路長を有
する伝送線路3dが直列に接続され、さらに第2の入出
力端子2に接続されている。伝搬波長の四分の一程度の
線路長を有する伝送線路3aと第1の伝送線路15の接
続点に、ソースが接地された第3のFET8のドレイン
が接続され、第1の伝送線路15と第2の伝送線路16
の接続点に、ソースが接地された第4のFET9のドレ
インが接続され、第2の伝送線路16と伝搬波長の四分
の一程度の線路長を有する伝送線路3dの接続点に、ソ
ースが接地された第5のFET13のドレインが接続さ
れている。第3のFET8、第4のFET9、第5のF
ET13のゲートにはアイソレーション抵抗7bを介し
て第2の制御端子12によって同電位が印加されるよう
になっている。
切換によって移相器として動作するが、経路の切換のた
めに従来別途有していたスイッチが不要となり、移相器
全体の挿入損失はフィルタの損失分だけになり、大きく
低減できる。
体移相器について説明する。
た移相器回路をもとに、ゲート長が0.15μm、ゲー
ト幅が100μmのAlGaAs系ヘテロ接合FETを
用いて構成した。FETがオフのときの容量は40f
F、オンのときの抵抗は8オームである。伝搬波長の四
分の一程度の線路長を有する伝送線路3a〜3dは10
μm幅のマイクロストリップ線路で構成され、第1の信
号経路では280μm、第2の信号経路では350μm
の長さである。接地された伝送線路4a〜4cも10μ
m幅のマイクロストリップ線路で構成され、190μm
の長さである。第1の伝送線路15と第2の伝送線路1
6はともに幅10μmのマイクロストリップ線路で構成
され、340μmの長さである。この半導体移相器の位
相特性を図6に示す。75GHzで93.3°の移相量
を示した。図から明らかなように、10GHz以上にわ
たる広帯域な位相特性を示している。75GHzにおけ
る挿入損失も1.3dB以下、リターンロスも22dB
以上と非常に良好な値であった。
の実施の形態の半導体移相器の回路図である。本実施形
態の信号経路も2つあり、第1の信号経路は、第1の実
施形態と同じである。一方、第2の信号経路は、第1の
入出力端子1から順に、伝搬波長の四分の一程度の線路
長を有する伝送線路3cと、ソースが接地された分布定
数FET14(ゲート電極とそれを挟んで対向する第1
と第2のオーミック電極からなるトランジスタと、該ト
ランジスタを囲む活性層からなり、第1のオーミック電
極が接地され、第2のオーミック電極の両端部をそれぞ
れ入出力端子として構成したFET)、伝搬波長の四分
の一程度の線路長を有する伝送線路3dが直列に接続さ
れ、さらに第2の入出力端子2に接続されている。分布
定数FET14のゲートにはアイソレーション抵抗7b
を介して第2の制御端子12によって電位が印加される
ようになっている。
も制御端子11,12の電位の切換によって移相器とし
て動作し、経路の切換のために従来別途有していたスイ
ッチが不要となり、移相器全体の挿入損失はフィルタの
損失分だけになり、大きく低減できる。さらに、分布定
数FET14の遮断周波数は理想的には無限大であるか
ら、本実施形態は100GHz以上のさらなる高周波化
にも適した回路構成である。接地された伝送線路4a〜
4cの代わりに、ビアホールのインダクタを用いると、
さらなる高周波化が図れる。
体移相器について説明する。
移相器回路をもとに、ゲート長が0.15μm、ゲート
幅が100μmのAlGaAs系ヘテロ接合FETを用
いて構成した。FETがオフのときの容量は40fF、
オンのときの抵抗は8オームである。伝搬波長の四分の
一程度の線路長を有する伝送線路3a〜3dは10μm
幅のマイクロストリップ線路で構成され、第1の信号経
路では280μm、第2の信号経路では290μmの長
さである。接地された伝送線路も10μm幅のマイクロ
ストリップ線路で構成され、190μmの長さである。
分布定数FET14のドレイン電極の幅は30μm、ゲ
ートフィンガー長は400μmである。この半導体移相
器の位相特性を図8に示す。77GHzで24.8°の
移相量を示した。図から明らかなように、10GHz以
上にわたる広帯域な移相特性を示している。77GHz
における挿入損失も1.4dB以下、リターンロスも2
3dB以上と非常に良好な値であった。
ハイパス・ローパス移相器において低い挿入損失を得る
ことができ、かつ、上記高性能が広帯域にわたって得ら
れる半導体装置を実現できる。例えば、従来例に比べて
三分の一以下の挿入損失が得られた。また、本発明によ
れば、100GHz以上の高い周波数でも容易にその高
性能・広帯域特性が得られるという効果もある。
る。
る。
る。
る。
る。
である。
図である。
の等価回路図である。
る伝送線路 4a〜4c 接地された伝送線路 5 第1のFET 6 第2のFET 7a,7b アイソレーション抵抗 8 第3のFET 9 第4のFET 10 伝送線路 11 第1の制御端子 12 第2の制御端子 13 第5のFET 14 分布定数FET 15 第1の伝送線路 16 第2の伝送線路
Claims (8)
- 【請求項1】 第1、第2の入出力端子と、第1と第2
の入出力端子の間に互いに並列に接続された第1の信号
経路と第2の信号経路を有し、 第1の信号経路は、電界効果トランジスタを含むハイパ
スフィルタと、その両端に接続された、伝搬波長の四分
の一程度の線路長を有する第1、第2の伝送線路を有
し、第2の信号線路は、電界効果トランジスタを含むロ
ーパスフィルタと、その両端に接続された、伝搬波長の
四分の一程度の線路長を有する第3、第4の伝送線路を
有する半導体移相器。 - 【請求項2】 前記ハイパスフィルタが、ソースまたは
ドレイン同志が接続され、ゲートに同電位が印加される
第1、第2の電界効果トランジスタと、一端が接地さ
れ、他端が第1と第2の電界効果トランジスタの接続点
に接続されたインダクタを有し、第1の電界効果トラン
ジスタの、第2の電界効果トランジスタと接続されてい
ないソースまたはドレイン、第2の電界効果トランジス
タの、第1の電界効果トランジスタと接続されていない
ソースまたはドレインはそれぞれハイパスフィルタの入
力端子、出力端子を構成している、請求項1記載の半導
体移相器。 - 【請求項3】 前記ハイパスフィルタが、電界効果トラ
ンジスタと、一端が接地され、他端が前記電界効果トラ
ンジスタのソースに接続された第1のインダクタと、一
端が接地され、他端が前記電界効果トランジスタのドレ
インに接続された第2のインダクタを有し、前記電界効
果トランジスタのソース、ドレインがそれぞれ前記ハイ
パスフィルタの入力端子、出力端子を構成している、請
求項1記載の半導体移相器。 - 【請求項4】 前記ハイパスフィルタが、請求項1また
は2記載のハイパスフィルタを単位回路として、2個以
上直列に接続されている請求項1記載の半導体移相器。 - 【請求項5】 前記ローパスフィルタが、互いに直列に
接続された第1、第2のインダクタと、ソースまたはド
レインが接地され、ドレインまたはソースが第1と第2
のインダクタの接続点に接続された電界効果トランジス
タを有し、第1のインダクタの、第2のインダクタと接
続されていない端子、第2のインダクタの、第1のイン
ダクタと接続されていない端子がそれぞれ前記ローパス
フィルタの入力端子、出力端子を構成している、請求項
1記載の半導体移相器。 - 【請求項6】 前記ローパスフィルタが、インダクタ
と、ソースまたはドレインが接地され、ドレインまたは
ソースが前記インダクタの一端に接続された第1の電界
効果トランジスタと、ソースまたはドレインが接地さ
れ、ドレインまたはソースが前記インダクタの他端に接
続され、ゲートに第1の電界効果トランジスタのゲート
と同電位が印加される第2の電界効果トランジスタを有
し、前記インダクタの一端、他端がそれぞれ前記ローパ
スフィルタの入力端子、出力端子を構成している、請求
項1記載の半導体移相器。 - 【請求項7】 前記ローパスフィルタが、請求項5また
は6記載のローパスフィルタを単位回路として、2個以
上直列に接続されている、請求項1記載の半導体移相
器。 - 【請求項8】 前記ローパスフィルタが、ゲート電極と
それを挟んで対向する第1および第2のオーミック電極
からなるトランジスタと、該トランジスタを囲む活性層
を有し、該第1のオーミック電極は接地され、前記第2
のオーミック電極の各端部がそれぞれローパスフィルタ
の入出力端子、入出力端子を構成している、請求項1記
載の半導体移相器。
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