JP3342791B2

JP3342791B2 - 高周波単極双投スイッチ

Info

Publication number: JP3342791B2
Application number: JP32339795A
Authority: JP
Inventors: 敏夫槙; 弘明野沢
Original assignee: SPC Electronics Corp
Current assignee: SPC Electronics Corp
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1995-12-12
Publication date: 2002-11-11
Anticipated expiration: 2015-12-12
Also published as: JPH09162602A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波帯及び
ミリ波帯で使用される高周波単極双投スイッチに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体スイッチング素子を用いた
単極双投スイッチ（以下、ＳＰＤＴスイッチと称する）
が知られている。この種のＳＰＤＴスイッチは、高速切
換性能が優れているため、例えば無線通信装置におい
て、送信波と受信波の切り換えなどに広く使われてい
る。図９及び図１０は、いずれもスイッチング素子とし
てｐｉｎダイオードを用いたＳＰＤＴスイッチの例であ
る。

【０００３】図９に示すＳＰＤＴスイッチは、例えば、
高周波信号を入力するための共通端子１０に、高周波伝
送系の特性インピーダンスと同じ特性インピーダンス
で、透過位相角９０度の一対の分布定数線路４１，４２
の一端部を接続して３端子回路網を形成している。各分
布定数線路４１，４２の他端部の分岐端子１１，１２に
は、各々半導体スイッチング素子であるダイオード１３
ａ，１３ｂが信号線から接地部位（ＧＮＤ）に対してシ
ャント（分岐）接続されている。このような接続形態
は、一般に「シャント形」と呼ばれる。

【０００４】シャント形のＳＰＤＴスイッチでは、一方
のダイオード１３ａのバイアス端子１５ａにチョークコ
イル１４ａを介して負電圧を印加することで該ダイオー
ド１３ａをオフにし、分岐端子１１とＧＮＤ間のインピ
ーダンスを開放に近い値にする。他方のダイオード１３
ｂのバイアス端子１５ｂにはチョークコイル１４ｂを介
して正電圧を印加することで、該ダイオード１３ｂをオ
ンにし、分岐端子１２とＧＮＤ間のインピーダンスを短
絡に近い値にする。この状態を分岐点Ａで観測すると、
一方の分岐端子１１側では分布定数線路４１の線路状態
がそのまま保存され、スイッチの機能としては、導通状
態になる。また、他方の分岐端子１２側では分布定数線
路４２が開放された状態となり、スイッチの機能として
は、しゃ断状態になる。バイアスの正負を切り換えれば
上記状態が逆転する。これがシャント形ＳＰＤＴスイッ
チの動作原理である。

【０００５】また、図１０に示すＳＰＤＴスイッチは、
高周波信号を入力するための共通端子１０に、一対のダ
イオード１３ａ，１３ｂの各々の順方向端が接続され、
各ダイオード１３ａ、１３ｂの逆方向端が各々分岐端子
１１，１２に接続されている。分岐点ＡとＧＮＤ間に
は、直流バイアスのリターン用チョークコイル４３が接
続されている。このような接続形態は、各ダイオード１
３ａ，１３ｂが共通端子１０と分岐端子１１，１２との
間にシリーズ（直列）接続されているので、一般に「シ
リーズ形」と呼ばれる。

【０００６】シリーズ形のＳＰＤＴスイッチでは、各バ
イアス端子１５ａ，１５ｂに、チョークコイル１４ａ，
１４ｂを介して互いに相反の正負電圧を印加すること
で、ダイオード１３ａ，１３ｂはオンまたはオフにな
る。この状態を分岐点Ａで観測すると、オン状態のダイ
オード１３ａが接続された一方の分岐端子１１側は導通
状態になり、オフ状態のダイオード１３ｂが接続された
他方の分岐端子１２側では開放状態になる。バイアスの
正負を逆転すれば、上記状態が逆転する。これがシリー
ズ形ＳＰＤＴスイッチの動作原理である。

【０００７】実際の使用場面では、動作周波数帯域や要
求性能に応じて上記「シャント形」と「シリーズ形」と
を組み合わてＳＰＤＴスイッチを構成する場合もある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、「シャ
ント形」、「シリーズ形」、あるいはこれらを組み合わ
せて構成される従来のＳＰＤＴスイッチでは、スイッチ
ング素子及びその駆動回路が必ず２つ以上必要となる。
また、導通時におけるスイッチング素子の挿入損失と、
しゃ断時におけるアイソレーション特性が各分岐経路に
おいて同等に設計されているのが通常である。

【０００９】しかし、実際にＳＰＤＴスイッチを無線通
信装置等に組み込む場合、その使用目的によっては、導
通時の挿入損失及びしゃ断時のアイソレーションの特性
が必ずしも両分岐経路で同等にならなくとも良い場合が
ある。例えば、受信系の損失とアイソレーションを重視
し、送信系の損失およびアイソレーションについては切
換機能さえあればその特性は重視しない、という条件を
付けた場合、従来のＳＰＤＴスイッチのように、送受信
系に対して同一特性にする必要がない。このような条件
下での限られた用途においても、従来は上記構成のＳＰ
ＤＴスイッチを採用するしかなかった。そのため、スイ
ッチング素子やその駆動回路も含めて回路規模が必要以
上に大きくなってコスト高になったり、電力を余分に浪
費する場合があった。

【００１０】そこで、本発明の課題は、従来のＳＰＤＴ
スイッチ機能を維持しつつ、回路規模の小型化と消費電
力の低減化を図ることができる簡易な構成のＳＰＤＴス
イッチを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、改良された上記シャント形ＳＰＤＴス
イッチとシリーズ形ＳＰＤＴスイッチとを提供する。本
発明のシャント形ＳＰＤＴスイッチは、一つの共通端子
と、この共通端子に各々分布定数線路を介して接続され
た一対の分岐端子とを有し、これら一対の分岐端子のい
ずれかと接地部位との間に半導体スイッチング素子が介
在するもので、前記分布定数線路が、前記共通端子及び
一対の分岐端子に接続される高周波伝送系の特性インピ
ーダンスに対して２の４乗根倍の特性インピーダンスを
有し、且つ透過位相角が９０度であることを特徴とす
る。

【００１３】また、本発明のシリーズ形ＳＰＤＴスイッ
チは、一つの共通端子と、この共通端子に各々分布定数
線路を介して接続された一対の分岐端子とを有し、これ
ら一対の分岐端子のいずれかと前記共通端子との間に半
導体スイッチング素子が直列に接続されたもので、前記
分布定数線路が、前記共通端子及び一対の分岐端子に接
続される高周波伝送系の特性インピーダンスに対して２
の４乗根倍の特性インピーダンスを有し、且つ透過位相
角が９０度であることを特徴とする。

【００１４】前記半導体スイッチング素子は、用途に応
じてｐｉｎダイオード、あるいは電界効果トランジスタ
を用いることができる。また、前記分布定数線路に代え
て、該分布定数線路と等価の集中定数線路を用いること
ができる。

【００１５】（動作原理）次に、上記各ＳＰＤＴスイッ
チの動作原理を説明する。まず、一般的な分布定数線路
の作用を図１を参照して説明する。図１（ａ）は、正規
化特性インピーダンスＺが２の４乗根で、透過位相角θ
が９０度の分布定数線路の一方端ａに、特性インピーダ
ンスＺｏの電源Ｅが接続され、他方端ｂに負荷インピー
ダンスＺｏが接続されている状態を示している。この場
合、ａ端から負荷側をみたインピーダンスは、分布定数
線路の正規化特性インピーダンスＺの２乗で定義するこ
とができる。ここで、正規化特性インピーダンスＺと
は、その分布定数線路が有する特性インピーダンスを、
系の特性インピーダンス、すなわち分布定数線路の入出
力端に接続される高周波伝送系の特性インピーダンスＺ
oで除算したものをいう。図１（ｂ）は、同図（ａ）に
示した分布定数線路が１本接続された状態を示し、同図
（ｃ）は、同様の線路がａ端を基点に２本並列接続され
た状態を示している。図１（ｂ），（ｃ）におけるａ端
での反射係数Γａは、いずれも(1)式で表わされる。 Γａ＝（√２−１）／（√２＋１）・・・(1)

【００１６】以上の点をふまえ、正規化特性インピーダ
ンスＺが２の４乗根で、透過位相角θが９０度の分布定
数線路に、半導体スイッチング素子がシャント形あるい
はシリーズ形で接続されたされた場合の動作原理を説明
する。

【００１７】（１）シャント形の場合図２は、シャント形の場合の原理説明図である。図２を
参照すると、共通端子に相当するａ端に、特性インピー
ダンスＺｏの電源Ｅと、第１及び第２の分布定数線路
１，２とが接続されている。第１の分布定数線路１と負
荷Ｚｏとの間のｂ端には、半導体スイッチング素子がシ
ャント接続されている。図中、破線は半導体スイッチン
グ素子として、ｐｉｎダイオード３を用いた場合の等価
回路である。このｐｉｎダイオード３は、順方向バイア
ス時には、高周波伝送系の特性インピーダンスに対して
１／１０以下の等価インピーダンス（Ｒｓ）になる。一
方、逆方向バイアス時には、その接合容量Ｃｊにより、
高周波伝送系の特性インピーダンスに対して１０倍以上
の等価インピーダンスになる。このため、順方向バイア
ス時には、ｂ端が短絡に近い状態になる。このとき、ａ
端からは、第１の分布定数線路１がほぼ開放状態にな
り、第２の分布定数線路２のみが接続されているように
近似される。一方、逆方向バイアス時には、ｂ端にｐｉ
ｎダイオード３を接続した影響が殆どないため、第１及
び第２の分布定数線路が同時に接続されたように近似さ
れる。

【００１８】これをＳＰＤＴスイッチの機能に対応付け
ると、順方向バイアス時にはａ端とｃ端とが導通状態と
なり、低い挿入損失特性が得られる。このとき、ａ端と
ｂ端との間はしゃ断状態となり、高いアイソレーション
特性が得られる。これは従来のＳＰＤＴスイッチと同じ
性能である。また、導通しているａ端とｃ端での反射係
数は、ともに上記(1)式の値となり、実用上問題になら
ない。一方、ｐｉｎダイオード３に逆方向バイアスを印
加すると、ａ端とｂ端、及びａ端とｃ端がともに導通状
態になるため、ａ端に入力された信号は２分岐されてｂ
端及びｃ端に導かれる。このとき、ａ端での反射係数
は、(1)式で示される値となり、ｂ端及びｃ端での反射
係数Γｂは、(2)式で示される値となる。 Γｂ＝１／（１＋√２）・・・(2)

【００１９】（２）シリーズ形の場合図３は、シリーズ形の場合の原理説明図である。図３を
参照すると、共通端子に相当するａ端に、特性インピー
ダンスＺｏの電源Ｅと、半導体スイッチング素子がシリ
ーズ接続された第１の分布定数線路１と、半導体スイッ
チング素子が介在しない第２の分布定数線路２とが接続
されている。図中、破線は半導体スイッチング素子とし
て、ｐｉｎダイオードを用いた場合の等価回路である。
ｐｉｎダイオード３の順方向、逆方向バイアス時の等価
インピーダンスの値は、上述のシャント形の場合と同じ
である。つまり、逆方向バイアス時には、ａ端からみて
第１の分布定数線路１がほぼ開放された状態となり、ａ
端とｂ端との間はしゃ断状態で、高いアイソレーション
特性が得られる。また、ａ端とｃ端との間は導通状態に
なり、低い挿入損失特性が得られる。このとき、導通状
態のａ端とｃ端での反射係数は、ともに(1)式で示され
る値となり、実用上問題にならない。一方、順方向バ
イアス時には、第１及び第２の分布定数線路が同時に接
続された状態となり、ａ端に入力された信号が２分岐さ
れてｂ端及びｃ端に導かれる。このとき、ａ端での反射
係数は(1)式で示される値となり、ｂ端とｃ端での反射
係数は(2)式で示される値となる。

【００２０】このように、分布定数線路１，２の特性イ
ンピーダンスと透過位相角θを特定の値に設定すること
により、一つの半導体スイッチング素子及びその駆動回
路のみでＳＰＤＴスイッチの機能を実現することができ
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明のＳＰＤＴスイッチ
の実施形態を図４〜図８を参照して説明する。図４
（ａ）は、半導体スイッチング素子としてｐｉｎダイオ
ードを用いたシャント形のＳＰＤＴスイッチであり、図
２に示した原理説明図に対応したものである。図中、図
２に示した構成要素と同一機能のものについては同一符
号を付してある。

【００２２】図示の構成のＳＰＤＴスイッチでは、各分
布定数線路１，２の正規化特性インピーダンスＺが２の
４乗根で、透過位相角θが９０度なので、バイアス端子
１５に順方向バイアスが印加されると、共通端子１０と
第１の分岐端子１１との間がしゃ断状態となり、高いア
イソレーション特性が得られる。したがって、共通端子
１０に入力された信号は、第２の分岐端子１２のみに低
損失で導かれる。符号１４はチョークコイルである。一
方、バイアス端子１５に逆方向バイアスが印加される
と、共通端子１０に対して第１及び第２の分岐端子１
１，１２がともに導通状態になるため、共通端子１０に
入力された信号は２分岐されて各分岐端子１１，１２に
導かれる。上述のいずれの場合も、各端子１０，１１，
１２での反射係数は、実用上問題にならない。

【００２３】このように構成したＳＰＤＴスイッチの電
気的特性を図８に示す。図８（ａ）は図４の構成要素の
回路定数を示したものである。また、同図（ｂ）は共通
端子１０と第２の分岐端子１２との間の損失特性図、同
図（ｃ）は共通端子１０と第１の分岐端子１１との間の
損失特性図、同図（ｄ）は共通端子の反射減衰特性、同
図（ｅ）は第１及び第２の分岐端子１１，１２の反射減
衰特性を表す図である。これらの図から明らかなよう
に、限定された目的のもとでは、実用上問題のない特性
のＳＰＤＴスイッチが得られることが立証される。

【００２４】図４（ｂ）は、半導体スイッチング素子と
して電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いたシャント
形のＳＰＤＴスイッチであり、図２に示した原理説明図
に対応したものである。このＳＰＤＴスイッチは、制御
端子１８から高抵抗１７を介してＦＥＴ１６のゲートＧ
に制御電圧（０ｖと負電圧）を印加することにより図２
に示した構成の場合と同様の機能を実現している。制御
電圧として０ｖ（ＧＮＤと同電位）を印加したとき、Ｆ
ＥＴ１６のドレインＤとソースＳは低抵抗になり、図４
（ａ）に示したｐｉｎダイオード１３における順方向バ
イアス時と同じ状態に置き換えられる。また、制御電圧
として負電圧、すなわちＦＥＴ１６のピンチオフ電圧と
同程度の電圧を印加したとき、ＦＥＴ１６のドレインＤ
とソースＳ間は寄生容量だけになり、図４（ａ）に示し
たｐｉｎダイオード１３における逆方向バイアス時と同
じ状態に置き換えられる。他の動作は図４（ａ）の場合
と同様となる。図４（ａ），（ｂ）に示した構成の顕著
な差は、半導体スイッチング素子としての性質上、前者
が歪特性（例えば相互変調歪）が問題になる大電力動作
用、後者がスイッチング速度の高速化や低消費電力が要
求される小電力動作に適していることである。

【００２５】図５（ａ）は、半導体スイッチング素子と
してｐｉｎダイオードを用いたシリーズ形のＳＰＤＴス
イッチであり、図３に示した原理説明図に対応したもの
である。図中、図３に示した構成要素と同一機能のもの
については同一符号を付してある。

【００２６】図示の構成のＳＰＤＴスイッチでは、各分
布定数線路１，２の正規化特性インピーダンスＺが２の
４乗根で、透過位相角θが９０度なので、バイアス端子
１５から逆方向バイアスが印加されると、ｐｉｎダイオ
ード１３がオフとなる。そのため、共通端子１０と第１
の分岐端子１１との間がしゃ断状態で、高いアイソレー
ション特性が得られる。したがって、共通端子１０に入
力された信号は、第２の分岐端子１２にのみ低損失で導
かれる。一方、バイアス端子１５に順方向バイアスが印
加されると、共通端子１０に入力された信号は２分岐さ
れて第１及び第２の分岐端子１１，１２に導かれる。こ
のとき、各端子１０，１１，１２での反射係数は実用上
問題にならない値になっている。

【００２７】図５（ｂ）は、半導体スイッチング素子と
してＦＥＴを用いたシリーズ形のＳＰＤＴスイッチであ
り、図２に示した原理説明図に対応したものである。図
中、図４（ｂ）に示した構成要素と同一機能のものにつ
いては同一符号を付してある。制御端子１８より印加さ
れる制御電圧とＦＥＴ１６のオンオフ関係は、図４
（ｂ）の構成における説明がそのまま妥当する。

【００２８】図６（ａ），（ｂ）は、図４（ａ），
（ｂ）に示した各ＳＰＤＴスイッチにおいて、分布定数
線路１，２を、該分布定数線路１，２と等価の集中定数
線路１００，２００に置き換えたものである。図示の素
子値Ｌ，Ｃは、各々下記(3)式及び(4)式で表わされる。Ｌ＝（１／２πｆ）・Ｚ・sinθ・・・(3) Ｃ＝（１／２πｆ・Ｚ）・tanθ／２・・・(4)

【００２９】上記各式において、Ｚは正規化特性インピ
ーダンスで、２の４乗根，ｆは動作周波数（Ｈｚ），θ
は透過位相角である。図示の構成のＳＰＤＴスイッチ
は、上述のスイッチング機能を保持しつつ、各構成要
素、特に伝送線路を全て集中定数化できるので、ＭＭＩ
Ｃ（monolithic maicrowave integrated circuit）化す
ることが容易となる。

【００３０】図７（ａ），（ｂ）は、図５（ａ），
（ｂ）に示した各ＳＰＤＴスイッチにおいて、分布定数
線路１，２を、該分布定数線路１，２と等価の集中定数
線路１００，２００に置き換えたものである。図示の素
子値Ｌ，Ｃは、各々上記(3)式及び(4)式で表わされる。
このような構成にすることの利点は、図６の場合と同
様、ＭＭＩＣ化の際に有用となる点である。

【００３１】以上、複数の実施形態に基づいて本発明を
説明したが、本発明で用いる半導体スイッチング素子
は、導通状態としゃ断状態の切換特性に優れたものであ
れば良いので、必ずしもｐｉｎダイオードやＦＥＴに限
定されるものではない。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、半導体スイッチング素子及びその駆動回路が
１つで済むため、従来構成のＳＰＤＴスイッチに比べて
回路規模が約半分になり、小型化と低消費電力化及びコ
スト低減化を同時に図ることができる。また、例えば大
電力動作用には歪特性が重要となるのでｐｉｎダイオー
ドを採用し、小電力動作用にはスイッチングスピードが
速く、消費電力も少ないＦＥＴを採用するなど、要求性
能に応じて半導体スイッチング素子を任意に選択するこ
とができ、適用用途の広いＳＰＤＴスイッチを実現する
ことができる。さらに、構成要素をＭＭＩＣ化すること
で、より小型のＳＰＤＴスイッチを量産することができ
るので、その実用的効果は絶大なものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明のＳＰＤＴ
スイッチの原理説明図。

【図２】本発明によるシャント形ＳＰＤＴスイッチの原
理説明図。

【図３】本発明によるシリーズ形ＳＰＤＴスイッチの原
理説明図。

【図４】（ａ）はｐｉｎダイオードを用いた本発明のシ
ャント形ＳＰＤＴスイッチの一実施形態の説明図、
（ｂ）はＦＥＴを用いた本発明のシャント形ＳＰＤＴス
イッチの一実施形態の説明図。

【図５】（ａ）はｐｉｎダイオードを用いた本発明のシ
リーズ形ＳＰＤＴスイッチの一実施形態の説明図、
（ｂ）はＦＥＴを用いた本発明のシリーズ形ＳＰＤＴス
イッチの一実施形態の説明図。

【図６】（ａ），（ｂ）は、図４（ａ），（ｂ）におけ
る分布定数線路を集中定数線路に置き換えたＳＰＤＴス
イッチの説明図。

【図７】（ａ），（ｂ）は、図５（ａ），（ｂ）におけ
る分布定数線路を集中定数線路に置き換えたＳＰＤＴス
イッチの説明図。

【図８】（ａ）は図４（ａ）の構成のＳＰＤＴスイッチ
の回路定数の一例を示す図、（ｂ）〜（ｅ）はこの場合
の電気的特性図。

【図９】従来構成のシャント形ＳＰＤＴスイッチの説明
図。

【図１０】従来構成のシリーズ形ＳＰＤＴスイッチの説
明図。

【符号の説明】

１，２分布定数線路３，１３ｐｉｎダイオード（半導体スイッチング素
子）１０共通端子１１，１２分岐端子１４チョークコイル１５バイアス端子１６ＦＥＴ（半導体スイッチング素子）１７高抵抗１８制御端子１００，２００集中定数線路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−218701（ＪＰ，Ａ) 特開平７−235802（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−14544（ＪＰ，Ｕ) 実開昭50−140319（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01P 1/15 H03K 17/76

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一つの共通端子と、この共通端子に各々
分布定数線路を介して接続された一対の分岐端子とを有
し、これら一対の分岐端子のいずれかと接地部位との間
に半導体スイッチング素子が介在する高周波単極双投ス
イッチであって、前記分布定数線路が、前記共通端子及び一対の分岐端子
に接続される高周波伝送系の特性インピーダンスに対し
て２の４乗根倍の特性インピーダンスを有し、且つ透過
位相角が９０度である、高周波単極双投スイッチ。
【請求項２】一つの共通端子と、この共通端子に各々
分布定数線路を介して接続された一対の分岐端子とを有
し、これら一対の分岐端子のいずれかと前記共通端子と
の間に半導体スイッチング素子が直列に接続された高周
波単極双投スイッチであって、前記分布定数線路が、前記共通端子及び一対の分岐端子
に接続される高周波伝送系の特性インピーダンスに対し
て２の４乗根倍の特性インピーダンスを有し、且つ透過
位相角が９０度である、高周波単極双投スイッチ。
【請求項３】前記半導体スイッチング素子がｐｉｎダ
イオードである、請求項１または２記載の高周波単極双
投スイッチ。
【請求項４】前記半導体スイッチング素子が電界効果
トランジスタである、請求項１または２記載の高周波単
極双投スイッチ。
【請求項５】前記分布定数線路に代えて、該分布定数
線路と等価の集中定数線路を用いた、請求項１〜４のい
ずれかの項記載の高周波単極双投スイッチ。