JP3850810B2 - フィルタ機能付き高周波スイッチング回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィルタ機能付き高周波スイッチ回路に関する。本発明は特に1個の入力端子と2個の出力端子を有するフィルタ機能付き高周波スイッチ回路に有用である。
【0002】
【従来の技術】
図8は、1/4波長線路を用い、2個のダイオードに異なる直流電位を印加することによりスイッチ機能を有する1入力2出力のフィルタ機能付き高周波スイッチ回路900の構成を示す回路図である。フィルタ機能付き高周波スイッチ回路900は、入力端子Inと出力端子Out−1の間にスイッチ回路91を、入力端子Inと出力端子Out−2の間にスイッチ回路92を有し、当該スイッチ回路91及び92は同一特性の素子から構成される。スイッチ回路9i(iは1又は2)は、両端に直流遮断用の容量C9i1とC9i2を有し、その間に1/4波長線路SL9iを接続する。1/4波長線路SL9iと容量C9i2の接続点には抵抗R9iを介して正又は負電位を印加可能としてダイオードD9iのアノードを接続し、ダイオードD9iのカソードは接地する。こうして、例えば抵抗R91を介してダイオードD91のアノードに正電位を、抵抗R92を介してダイオードD92のアノードに負電位を印加すると、ダイオードD91には電流が流れて導通状態となるるためスイッチ回路91はオフ(遮断の作用をする)、ダイオードD92には電流が流れず遮断状態となるためスイッチ回路92はオンとなり、出力端子Out−1には高周波は出力されず、出力端子Out−2に帯域濾波された高周波が出力される。
【0003】
さて、2ポート高周波回路より構成された、比較的小型のバンドパスフィルタとしては、例えば、下記に記載されているもの等が一般に知られている。
【0004】
【非特許文献1】
MWE2000 Microwave Workshop Digest,pp.461-468(2000)『トリプレート・ストリップ線路フィルタ』
【非特許文献2】
NEC技法 Vol.51 No.4/1998,pp.119-123『多層プリント基板を利用したマイクロ波衛星通信用フィルタ』
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献1の技術はLTCC(低温焼成セラミクス)を用いることから、他の基板への実装が必要であり、誘電率の低い有機基板へ応用が困難であり、特に有機基板における厚みのバラツキによる品質の不安定さが問題であった。また、非特許文献2の技術は1/4波長線路が複数必要で、フィルタ回路が大きくなってしまう問題があった。また、ダイオードをオンとしてスイッチとしてはオフに機能させる場合、順方向に電流を流すため、少なからず電力を消費する問題や、ダイオードをオフとしてスイッチとしてはオンに機能させる場合、逆バイアスを低電位とした上で入出力のパワー特性が線形である範囲をより拡張すべきとの課題があった。
【0006】
そこで本発明者らは、図9(c)の構成を代表構成とするフィルタ機能付き高周波スイッチング回路を発明し、特許出願している(特願2001−315243、特願2002−1910、特願2002−22689)。簡単に、図9(c)の構成について説明する。
【0007】
図9(a)と(b)は、左右対称な構成の回路である図9(c)の回路を中央で2分割したものであり、図9(a)においてはインダクタンスLを省いて入出力端子Port2を設け、図9(b)においてはインダクタンスLを残して入出力端子Port2を設けたものである。尚、図9(b)においてはインダクタンスLを線路に置き換えても以下の議論に差は無い。図9(a)は端子Port1に線路Aと容量Caを直列に接続して接地し、端子Port2に線路Bと容量Cbを直列に接続して接地し、線路Aと線路Bを結合線路としたものである。
【0008】
今、図9の(a)の回路において、端子PortmからPortnへの伝送特性を絶対値が1以下の複素数としてSmnで示す。即ちS11はPort1から入力した場合の反射特性、S12はPort1から入力しPort2へ出力した場合の透過特性である。図9の(a)の回路において理想的にはいずれの端子からの反射特性も0とし、いずれの端子からも他方へは減衰が無いことが好ましい。即ち、S11=S22=0、|S12|=|S21|=1が成立することが理想である。この関係は、所望の周波数を有する信号が目的のフィルタ回路において、反射されずに、且つ損失無く伝送されるための必要条件である。
【0009】
今m行n列がSmnである特性行列Sを考えると、偶励振として固有ベクトル(1,1)を、奇励振として固有ベクトル(1,−1)を有するものが望ましい。偶励振の固有ベクトル(1,1)に対する行列Sの固有値をλ1、奇励振として固有ベクトル(1,−1)に対する行列Sの固有値をλ2とおく。まず、固有ベクトル(1,1)と固有ベクトル(1,−1)を縦ベクトルとして並べた行列Pを考える。即ち式(1)のとおりである。
【数1】
【0010】
行列Sが次の式(2)ように展開できることは明らかである。
【数2】
【0011】
S11=S22=0、|S12|=|S21|=1が成立する場合は偶励振の固有値λ1と奇励振の固有値λ2が位相が180度ずれている場合である。例えば、λ1=−λ2=±1の場合、S11=S22=0、|S12|=|S21|=1が成立する。しかし、λ1=−λ2=1は、偶励振でオープン、奇励振でショートとなる場合であって伝送線路を示すものであり、フィルタ回路とはならない。また、λ1=−λ2=−1は、偶励振でショート、奇励振でオープンとなる場合であって、1/2波長の線路に対応するものであり、やはりフィルタ回路とはならない。そこで例えばλ1=−λ2=±jがフィルタ回路の設計条件(位相条件)となる。尚、λ1=±1、±jについて、図10の(a)にスミスチャート上の対応を示した。
【0012】
さて、図9の(a)のように、カップリングライン(線路A及び線路B)を加えると、Port1から信号を入力しPort2から出力することができる。また同時に、ポート2からの信号はポート1に僅かに伝送されるため、ポート2から見たインピーダンスはスミス・チャートの内側に入る。これを図10の(b)にシミュレーション結果としてスミス・チャートで示す。グラフは、入力信号が4GHz〜8GHzの場合を示し、その曲線上の略中央に位置している黒丸は、5.8GHzの信号に対する反射特性を示している。
【0013】
一方、対称回路が効率よく信号を伝送するのは、その対称面でコンジュゲート・マッチ(インピーダンス整合)した場合である。検討対象としている高周波回路は左右対称であるので、この条件は反射係数Saが実数であることを意味する。即ち、a点から右及び左を見た特性インピーダンスが順抵抗を示すべきである。そこで、図9(b)に示す様に、フィルタ回路の対称面の近傍にインダクタンス成分L又は線路を加える。図10(c)は、図9(b)の回路(フィルタ回路の左半分)における、反射特性(Sa)に対する効果を示すスミス・チャートである。この様に、インダクタンス成分の作用を利用して、反射係数Saをスミス・チャートの横軸(実数軸)上に移動させることにより、左右対称のフィルタ回路の対称面でコンジュゲート・マッチさせることができる。即ち、この様な手段により、伝送効率の高いバンドパスフィルタを構成することができる。
【0014】
図12は、この図9(a)の回路の偶励振に対応する回路(図11(a))に関するシミュレーション結果と、奇励振に対応する回路(図11(b))に関するシミュレーション結果をそれぞれ例示するスミス・チャートである。
【0015】
図12におけるマーカーm3(下方)は、偶励振時における回路(図11(a))の反射係数(λ1)を、マーカーm5(上方)は、奇励振時における回路(図11(b))の反射係数(λ2)をそれぞれ示している。ただし、シミュレーションした入力信号の周波数はそれぞれ5.8GHzとした。この様に、偶励振時、奇励振時の反射係数の虚数成分は、それぞれ−j,jとなり、図9(c)の対称2ポート回路が、上述の位相条件を満たす。即ち図9(c)の対称2ポート回路はバンドパスフィルタが構成できることが判る。実際、5.8GHzを中心周波数とするバンドパスフィルタをシミュレーションすると、図13(a)、(b)のような結果となる。周波数5.8GHzに対し、S21=-1.3dBと減衰量が小さく、S11=-41.9dBと反射量は小さく、良好に高周波が出力される。
【0016】
本願は、図9(c)でCbをダイオードに置き換えたスイッチ回路とした高周波スイッチング回路である。更に、当該スイッチ回路を2つ設けて1入力2出力(SPDT)のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路としたものである。そしてそれらのフィルタ機能の新規特性の付与及び特性改良を目的とするものであり、オフ時に電力を消費しないスイッチを作成すること、あるいはオン時に低電位で入出力パワー特性の線形性の範囲を拡張することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、1つの入力端子と、1つの出力端子と、前記入力端子と前記出力端子との間にスイッチ回路を有し、当該スイッチ回路について少なくとも1箇所の電位を制御可能とすることにより、所望の帯域幅の高周波を透過又は遮断するフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、当該スイッチ回路は、一端が前記入力端子と電気的に接続され、他端が第1のキャパシタンスを介して第1の電位に接続された第1の線路と、当該第1の線路に対して互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、一端が第2の電位に接続された第1のダイオードの他端に一端が接続された第2の線路と、第2の線路の他端に一端が接続され、第1のダイオードと同一極が第2の電位に接続された第2のダイオードの他端に一端が接続された第3の線路と、当該第3の線路に対して互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、一端が出力端子と電気的に接続され、他端が第2のキャパシタンスを介して第3の電位に接続された第4の線路と、第2の線路と第3の線路の接続点に一端が接合され、他端が第4の電位に接続された第5の線路とから構成されており、第1及び第2のキャパシタンス、第1及び第4の線路、第2及び第3の線路、第1及び第2のダイオードは素子特性を各々同一として、スイッチ回路は第2の線路と第3の線路と第5の線路の接続点を中心として対称であり、制御可能とした電位は第2の電位及び第4の電位の少なくとも一方であることを特徴とするフィルタ機能付き高周波スイッチング回路である。尚、第5の線路はインダクタとして作用しても良く、また、オープンスタブとして容量として働いても良い。
【0018】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明に係る同一機能のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路を2個組み合わせた1入力2出力のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路である。即ち、1つの入力端子と、2つの出力端子と、入力端子と2つの出力端子との間にそれぞれ同一構成のスイッチ回路を有し、当該2つのスイッチ回路のそれぞれについて少なくとも1箇所の電位を制御可能とすることにより、少なくとも一方に所望の帯域幅の高周波を透過するフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、2つのスイッチ回路は各々、一端が入力端子と電気的に接続され、他端が第1のキャパシタンスを介して第1の電位に接続された第1の線路と、当該第1の線路に対して互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、一端が第2の電位に接続された第1のダイオードの他端に一端が接続された第2の線路と、第2の線路の他端に一端が接続され、第1のダイオードと同一極が第2の電位に接続された第2のダイオードの他端に一端が接続された第3の線路と、当該第3の線路に対して互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、一端が出力端子の一方と電気的に接続され、他端が第2のキャパシタンスを介して第3の電位に接続された第4の線路と、第2の線路と第3の線路の接続点に一端が接合され、他端が第4の電位に接続された第5の線路とから構成されており、第1及び第2のキャパシタンス、第1及び第4の線路、第2及び第3の線路、第1及び第2のダイオードは素子特性を各々同一として、2つのスイッチ回路は各々が第2の線路と第3の線路と第5の線路の接続点を中心として対称であり、制御可能とした電位は第2の電位及び第4の電位の少なくとも一方であることを特徴とするフィルタ機能付き高周波スイッチング回路である。
【0019】
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、2つのスイッチ回路のうち、一方には第2の電位及び第4の電位間の電位差を0又は逆方向バイアスとし、他方には第2の電位及び第4の電位間の電位差を順方向であって第1及び第2のダイオードに電流が流れない範囲の電位差を付加することを特徴とする。
【0020】
また、請求項4に記載の発明は、請求項2に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、2つのスイッチ回路のうち、一方には第2の電位及び第4の電位間の電位差を逆方向バイアスであって入力端子からの入力する高周波の電圧振幅より大きくし、他方には第2の電位及び第4の電位間の電位差を順方向であって入力端子からの入力する高周波の電圧振幅より大きく、第1及び第2のダイオードに電流が流れる範囲の電位差を付加することを特徴とする。
【0021】
また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、第2の線路と第3の線路と第5の線路の接続点に、透過する帯域の中心周波数の高周波についての第2次高調波をショートするオープンスタブ又はキャパシタンスと、同じく第3次高調波をショートするオープンスタブ又はキャパシタンスとを設けたことを特徴とする。
【0022】
また、請求項6に記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、第5の線路に替えてインダクタンスを設けたことを特徴とする。また、請求項7に記載の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、第5の線路を除き、第2の線路と第3の線路の接続点に第4の電位と容量の一端が接続され、当該容量の他端を接地したことを特徴とする。
【0023】
【作用及び発明の効果】
ダイオードは電流が流れなければ容量として作用させることができる。そこで入力端子と出力端子とにそれぞれ線路(第1及び第4の線路)を接続し、それらとそれぞれ結合する2本の線路(第2及び第3の線路)を直列接続する。後者の2本の線路は両端に2個のダイオードの同極をつなぎ、2個のダイオード間の2本の線路と2個のダイオードの他極(同電位とする)の電位差を制御可能とする。即ち2本の線路の接続点と、ダイオードの線路に接続した側と反対側の極との少なくとも一方を電位制御可能とする。一方のみ電位制御可能とした場合は他方は電位を固定する。これにより、2個のダイオードに電流が流れない、即ち逆バイアスか順バイアスであっても電位差が小さい場合は、2個のダイオードが容量として作用し、入力端子から第1の線路、それに結合した第2の線路、それと接続した第3の線路、それと結合した第4の線路から出力端子へと、高周波を出力することができる。この時、第1及び第4の線路に接続した第1及び第2のキャパシタンスを設計することで、入力端から出力端へのバンドパスフィルタとして機能させることができる。その帯域は線路、キャパシタンス、ダイオードの各構成素子を適宜設計することにより容易に設計できる(請求項1)。このようなスイッチ回路を2つ設けた回路は、1入力2出力のバンドパスフィルタとして機能させることができる(請求項2)。2個のダイオードに電流が流れない場合、その電位差の変化ははダイオードが形成する容量の変化となるので、電位差を2個のスイッチ回路のそれぞれで異なるようにすることで帯域の異なるバンドパスフィルタとして機能させることができる(請求項3)。このとき消費電力は無い。
【0024】
ダイオードに十分な逆バイアス電位を印加することで、大きな高周波入力に対しても歪みを小さくし、線形性を保てるダイナミックレンジを大きくすることができる(請求項4)。また、第2次高調波や第3次高周波をショートできるようにオープンスタブ又は容量を接続すれば、高調波による歪みを除くことができるので、やはり線形性を保てるダイナミックレンジを大きくすることができる(請求項5)。電圧制御点と結合線路との間の線路はインダクタンスに変換可能であって同様の作用をするよう容易に設計可能である(請求項6)。あるいは当該線路を除き、電圧制御点と接地間に設計により容量を設けることでも同様のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路を構成できる(請求項7)。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施例につき、具体的な回路図を用いて説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【0026】
〔第1実施例〕
図1は本発明の具体的な第1の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100の構成を示す回路図である。フィルタ機能付き高周波スイッチング回路100は、1個の入力端子Inと、2個の出力端子Out−1及びOut−2を有し、2つの電圧制御端子VCTL1及びVCTL2を有する。
【0027】
入力端子Inには、2つの線路A10とA20が接続され、各々が出力端子Out−1及びOut−2との間にスイッチ回路11及び12を有している。当該2つのスイッチ回路11及び12は、各々1入力1出力のフィルタ機能付きスイッチを構成するものであって、それらは全く同一の構成である。尚、2つの線路A10とA20は特性調整用に設けたものであって、本願発明の実施例としては必須の構成要素ではない。
【0028】
線路Ai0と出力端子Out−i(i=1又は2)との間のスイッチ回路1iの構成は以下の通りである。線路Ai0の入力端子Inと接続された側とは反対側に、線路Ai1とキャパシタンスCi1が直列に接続されて接地されている。キャパシタンスCi1は、結合線路として構成したものを図1に示したが、通常の容量により構成しても良い。線路Ai1は、線路Bi1と結合線路を構成し、線路Bi1の一端はダイオードDi1のアノードに接続され、ダイオードDi1のカソードは接地されている。線路Bi1の他端には線路Bi0と線路Bi2が接続されている。線路Bi0の他端には容量Ci0と抵抗Ri0とが接続され、容量Ci0の他端は接地され、抵抗Ri0の他端は電圧制御端子VCTLiである。また、線路Bi2の他端はダイオードDi2のアノードに接続され、ダイオードDi2のカソードは接地されている。線路Bi2は、線路Ai2と結合線路を構成している。線路Ai2の一端は出力端子Out−iに接続され、他端にキャパシタンスCi2が接続されて接地されている。キャパシタンスCi2は、結合線路として構成したものを図1に示したが、通常の容量により構成しても良い。
【0029】
キャパシタンスCi1とキャパシタンスCi2、線路Ai1と線路Ai2、線路Bi1と線路Bi2、ダイオードDi1とDi2は素子特性が各々同一であり、スイッチ回路1iは線路Bi1と線路Bi2の接続点を中心として入出力側に対して対称な構成である。また、スイッチ回路11及び12は、電圧制御端子VCTL1及びVCTL2に独立して電圧を印加できることを除いて全く同様の構成である。
【0030】
スイッチ回路1iの電圧制御端子VCTLiを接地すると、ダイオードDi1とDi2には電流が流れず、ダイオードDi1とDi2とは共に同じ容量となる。この時、スイッチ回路1iが所望のバンドパスフィルタとなるように上述したように予め設計しておく。即ち、電圧制御端子VCTLiを接地すると、出力端子Out−iへは所望の帯域の高周波が出力される。ダイオードDi1とDi2に電流が流れる程度の正電位を電圧制御端子VCTLiを印加すると、線路Ai1から線路Bi1に高周波が供給されず、出力端子Out−iには高周波が出力されない。即ち、電圧制御端子VCTLiに十分な正電位を印加すると、出力端子Out−iへは高周波が出力されない。
【0031】
これについて行ったシミュレーションを図2(a)に示す。スイッチ回路11及び12について5.8GHzを中心周波数とするバンドパスフィルタとして設計し、電圧制御端子VCTL1を接地し(0V)、電圧制御端子VCTL2に3Vを印加して、スイッチ回路11をオン(バンドパスフィルタとして機能させる)、スイッチ回路12をオフ(高周波を遮断する)とさせたシミュレーションである。この時、スイッチ回路12のダイオードD11及びD12には750μAの電流が流れた。図2(a)は、入力端子Inへ入力する高周波の周波数と、出力端子Out−1、Out−2の出力の関係を示したものであり、中心周波数5.8GHzにおいて出力端子Out−1には-2.9dBと極めて減衰量が小さく、良好に高周波が出力され、出力端子Out−2には-59.6dBと極めて減衰量が大きく、良好に高周波が遮断されていることがわかる。このように、ダイオードを用いたフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100は、1入力2出力のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路として極めて良好であることが示された。
【0032】
〔変形例〕
図1のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100について、スイッチ回路1iの電圧制御端子VCTLiに電流が流れない程度の正電位を印加すると、ダイオードDi1とDi2には電流が流れないのであるから、ダイオードDi1とDi2とは容量として働く。この時の容量は、電位が印加されているため、電位が印加されていないときの容量から変化している。そこでこれを利用し、5.8GHzを中心周波数とする図1のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100について、電圧制御端子VCTL1を接地し(0V)、電圧制御端子VCTL2に0.3Vを印加して、スイッチ回路11をオン(バンドパスフィルタとして機能させる)、スイッチ回路12を容量を変化させたオン(異なる帯域のバンドパスフィルタとして機能させる)とさせたシミュレーションを行った。その結果を図2(b)に示す。スイッチ回路11のダイオードD11及びD12には電流が流れず、スイッチ回路12のダイオードD21及びD22にも電流は流れなかった。図2(b)は、入力端子Inへ入力する高周波の周波数と、出力端子Out−1、Out−2の出力の関係を示したものであり、出力端子Out−1には中心周波数5.8GHzにおいて-2.9dBと極めて減衰量が小さく、良好に高周波が出力され、出力端子Out−2には中心周波数5.8GHzにおいて-29.6dBと極めて減衰量が大きく、良好に高周波が遮断されていることがわかる。一方、中心周波数4.8GHzにおいては、逆に出力端子Out−1においては極めて減衰量が大きく、良好に高周波が遮断され、出力端子Out−2において極めて減衰量が小さく、良好に高周波が出力されていることがわかる。このように、ダイオードを用いたフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100は、1入力2出力の異なる2帯域のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路として極めて良好であることが示された。また、このとき消費電力は無い。
【0033】
第1実施例とその変形例とから、次のことは容易に導き出せる。即ち、図1のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100は、2つのスイッチ回路11及び12の各々の電圧制御点VCTL1及びVCTL2にそれぞれ独立に、接地電位、電流の流れない正電位、電流の流れる正電位の3通りの電位を印加することで、各々の出力端子から例えば5.8GHz帯域濾波、4.8GHz帯域濾波、遮断の3通りの出力となるような1入力2出力のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路とすることができる。
【0034】
〔第2実施例〕
図3は本発明の具体的な第2の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路200の構成を示す回路図である。図3のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路200の構成は、以下の部分を除いて図1のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100の構成と全く同様であり、同一の符号を付した。図3のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路200は、図1のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100に対し、ダイオードDim(iとmは1又は2)のカソードと接地間に容量Cdimを設け、ダイオードDimのカソードに抵抗Rdimを接続してRdi1及びRdi2の他端をプルアップ電位VdCTLiに接続したものである。4つの容量Cdimは全て同一特性であり、4つの抵抗Rdimも全て同一特性とした。
【0035】
図3のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路200について、電圧制御端子VCTL1を接地し(0V)、電圧制御端子VCTL2に3Vを印加して、スイッチ回路11をオン(バンドパスフィルタとして機能させる)、スイッチ回路12をオフ(高周波を遮断する)とし、さらにプルアップ電位VdCTL1に3Vを印加し、プルアップ電位VdCTL2を接地(0V)とした場合の電力特性を図4の(a)に示す。比較として、図1のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100について電圧制御端子VCTL1を接地し(0V)、電圧制御端子VCTL2に3Vを印加した場合の電力特性を図4の(b)に示す。図4(b)のように、図1のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100は出力の線形性が-12.3dBmでくずれ始めるのに対し、図4(a)のように、図3のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路200は9.4dBmまで出力の線形性がくずれない。このように、プルアップ電位を印加するようにした図3のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路200については、大電力を印加しても出力に歪みがかからないフィルタ機能付き高周波スイッチング回路となることが示された。
【0036】
〔第3実施例〕
図5は本発明の具体的な第3の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路300の構成を示す回路図である。図5のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路300の構成は、以下の部分を除いて図3のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路200の構成と全く同様であり、同一の符号を付した。図5のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路300は、図3のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路200に対し、線路Bi0、Bi1、Bi2(i=1又は2)の接続点に帯域フィルタの中心周波数の第2次高調波又は第3次高調波と共振するオープンスタブOSi2及びOSi3を接続したものである。オープンスタブOSi2及びOSi3は帯域フィルタの中心周波数の第2次高調波又は第3次高調波の1/4波長に対応する長さとした。
【0037】
図5のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路300の出力特性図を図6の(a)に、周波数特性図を図6の(b)に示す。いずれも、電圧制御端子VCTL1を接地し(0V)、電圧制御端子VCTL2に3Vを印加して、スイッチ回路11をオン(バンドパスフィルタとして機能させる)、スイッチ回路12をオフ(高周波を遮断する)とし、さらにプルアップ電位VdCTL1に3Vを印加し、プルアップ電位VdCTL2を接地(0V)とした場合である。図6の(a)のように、図5のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路300の出力の線形性は11.3dBmまでくずれず、図3のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路200の出力の線形性がくずれる9.4dBm(図4の(a))に対し、更に改善することができた。また、図6の(b)のように、周波数特性についても、中心周波数5.8GHzにおいて出力端子Out−1には-2.6dBと極めて良好に高周波が出力され、出力端子Out−2には-47.2dBと極めて良好に高周波が遮断されていることがわかる。このように、帯域フィルタの中心周波数の第2次高調波又は第3次高調波と共振するオープンスタブOSi2及びOSi3を接続したフィルタ機能付き高周波スイッチング回路300は、周波数特性を良好に保ったまま電力特性を更に改善できることが示された。
【0038】
帯域フィルタの中心周波数の第2次高調波又は第3次高調波と共振するオープンスタブOSi2及びOSi3の働きについて簡単に説明すれば、次の通りである。tを時間として入力x(t)に対する出力y(t)を式(3)のように3次項までテーラー展開する。
【数3】
【0039】
入力x(t)を振幅A、角周波数ωとして式(4)で定義する。
【数4】
【0040】
式(4)を式(5)に代入して整理すると式(5)のようになる。
【式5】
【0041】
式(3)における三次項の係数α3は通常負であり、式(5)において、入力x(t)の振幅Aが大きくなると、入力x(t)に比例する部分である第2項の係数が小さくなり、飽和現象を示す。これに加え、第2次及び第3次高調波を示す第3項、第4項も大きくなる。このような高調波は、本来電位差が無いようにすべきオン側のスイッチ回路におけるダイオードのアノードとカソード間の電圧を増加させることとなり、歪みを増大させる。そこで第2次及び第3次高調波をショートさせるため、2つのスタブを設けることで、少なくとも式(5)の第3項及び第4項を消滅させることができる。これにより2つのスタブを設けない場合よりも電力特性が向上する。
【0042】
図5のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路300においては2つのスイッチ回路31、32各々にオープンスタブOSi2及びOSi3を設けたが、これらは容量で形成しても良い。当該容量は例えばチップ容量を用いて良いことは当然であり、そのようにチップの大きさを設計することは本願発明に包含される。
【0043】
尚、各実施例において、図7に示すような上層及び下層にグランドを有する3層構造のトリプレートストリップ線路の中層として線路部分を形成すれば、当該部分はグランドに挟まれているため放射しないと言う利点を得ることができる。使用するメタル(図7のM1、MC、M2)の種類としては、金(Au)が伝導率等の面で優れているが、銅、アルミニウム、またはこれらの合金、或いは、これらを多層構造化したメタル等を使用することができる。有機基板Dを比誘電率が3.4とした場合の実例として、メタルMCが14μm厚、メタルM1とM2間の有機基板Dの厚さを313μmとすることで本願各発明が実施可能である。
【0044】
上記の、第1実施例及びその変形例、第2実施例、第3実施例(以下、各実施例と言う)における各構成要素と特許請求の範囲の記載事項との対応は以下の通りである。iを用いて2つのスイッチ回路のどちらの構成素子であるかを区別せずに代表させるものとして、各実施例における線路Ai1、Bi1、Bi2、Ai2、Bi0が各々第1、第2、第3、第4及び第5の線路に対応する。同じく、各実施例におけるダイオードDi1とDi2が2個のダイオードに対応し、各実施例におけるキャパシタンスCi1及びCi2が各々第1及び第2のキャパシタンスに対応する。各実施例における入力端子In、出力端子Out−1及び2が入力端子、2つの出力端子に対応する。また、オープンスタブOSi2及びOSi3が第2次高調波及び第3次高調波をショートするオープンスタブ又は容量に対応する。
【0045】
本願発明としては次のようなより具体的な発明も把握されることを指摘する。
【0046】
第1の具体的な発明としては、1つの入力端子と、1つの出力端子と、前記入力端子と前記出力端子との間にスイッチ回路を有し、当該スイッチ回路の電圧制御点に所定電位を印加することにより、所望の帯域幅の高周波を透過するフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、
前記スイッチ回路は、
一端が前記入力端子と電気的に接続され、他端が第1のキャパシタンスを介して接地された第1の線路と、
当該第1の線路とにおいて互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、カソードが接地された第1のダイオードのアノードに一端が接続された第2の線路と、
前記第2の線路の他端に一端が接続され、カソードが接地された第2のダイオードのアノードに一端が接続された第3の線路と、
当該第3の線路とにおいて互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、一端が前記出力端子の一方と電気的に接続され、他端が第2のキャパシタンスを介して接地された第4の線路と、
前記第2の線路と前記第3の線路の接続点に一端が接合され、他端が第3のキャパシタンスを介して接地された第5の線路と
から構成されており、
前記第1及び前記第2のキャパシタンス、前記第1及び第4の線路、前記第2及び第3の線路、前記第1及び第2のダイオードは素子特性を各々同一として、前記スイッチ回路は前記第2の線路と前記第3の線路と前記第5の線路の接続点を中心として対称であり、
前記電圧制御点を、前記スイッチ回路の前記第5の線路と前記第3のキャパシタンスの間とした
ことを特徴とするフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【0047】
この具体的な発明の構成例を、図14に示す。図14のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路400は第1実施例のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100の構成を半分にしたものであり、符号は出力端子Out−iとの対応を示すiを除いたものとして対応させてある。第1及び第2のダイオードがそれぞれ図14のダイオードD1、D2に対応し、第3のキャパシタンスが容量C0に対応する。また、図14において第5の線路B0をオープンスタブとして作用させる例を図15に示す。図15のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路500は図14のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路400の構成のうち、接地された第3のキャパシタンスである容量C0を除いたものである。このような接続により第5の線路B0はインダクタではなくオープンスタブとして容量として作用する。
【0048】
第2の具体的な発明としては、1つの入力端子と、2つの出力端子と、前記入力端子と前記2つの出力端子との間にそれぞれ同一構成のスイッチ回路を有し、当該2つのスイッチ回路の電圧制御点に所定電位を印加することにより、少なくとも一方に所望の帯域幅の高周波を透過するフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、
前記2つのスイッチ回路は各々、
一端が前記入力端子と電気的に接続され、他端が第1のキャパシタンスを介して接地された第1の線路と、
当該第1の線路とにおいて互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、カソードが接地された第1のダイオードのアノードに一端が接続された第2の線路と、
前記第2の線路の他端に一端が接続され、カソードが接地された第2のダイオードのアノードに一端が接続された第3の線路と、
当該第3の線路とにおいて互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、一端が前記出力端子の一方と電気的に接続され、他端が第2のキャパシタンスを介して接地された第4の線路と、
前記第2の線路と前記第3の線路の接続点に一端が接合され、他端が第3のキャパシタンスを介して接地された第5の線路と
から構成されており、
前記第1及び前記第2のキャパシタンス、前記第1及び第4の線路、前記第2及び第3の線路、前記第1及び第2のダイオードは素子特性を各々同一として、前記2つのスイッチ回路は各々が前記第2の線路と前記第3の線路と前記第5の線路の接続点を中心として対称であり、
前記電圧制御点を、前記2つのスイッチ回路のそれぞれの前記第5の線路と前記第3のキャパシタンスの間とした
ことを特徴とするフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【0049】
この具体的な発明は、第1実施例に対応し、第1及び第2のダイオードがそれぞれ第1実施例のダイオードDi1、Di2に対応し、第3のキャパシタンスが容量Ci0に対応する。ただしiは1又は2である。
【0050】
第3の具体的な発明としては、第2の具体的な発明の構成に加えて、前記2つのスイッチ回路の各々の前記電圧制御点に対し、一方には接地電位を、他方には当該スイッチ回路を構成する前記第1及び第2のダイオードに電流が流れない範囲での正電位を付加することを特徴とする。この具体的な発明は、変形例に対応する。
【0051】
第4の具体的な発明としては、第2又は第3の具体的な発明の構成に加えて、
前記2つのスイッチ回路の各々に対し、
前記第1及び第2のダイオードのカソードと接地間に各々第4、第5のキャパシタンスを設け、
各々のスイッチ回路ごとに、前記第1のダイオードのカソードと第4のキャパシタンスの接続点並びに第2のダイオードのカソードと第5のキャパシタンスの接続点に同一電位であるプルアップ電位を印加できるようにし、
オンとすべき一方のスイッチ回路側においては、電圧制御点を接地電位に、プルアップ電位を正電位とし、
オフとすべき他方のスイッチ回路側においては、電圧制御点を正電位に、プルアップ電位を接地電位とする
ことを特徴とする。この具体的な発明は、第2実施例に対応し、第4及び第5のキャパシタンスがそれぞれ第2実施例の容量Cdi1、Cdi2に対応し、プルアップ電位がVdCTLiに対応する。ただしiは1又は2である。
【0052】
第5の具体的な発明としては、第2乃至第4のいずれかの具体的な発明の構成に加えて、
前記第2の線路と前記第3の線路と前記第5の線路の接続点に、透過する帯域の中心周波数の高周波についての第2次高調波をショートするオープンスタブ又はキャパシタンスと、同じく第3次高調波をショートするオープンスタブ又はキャパシタンスとを設けた
ことを特徴とする。この具体的な発明は、第3実施例に対応し、第2次高調波をショートするオープンスタブ又はキャパシタンスと、同じく第3次高調波をショートするオープンスタブ又はキャパシタンスとがそれぞれ第3実施例のオープンスタブOSi2及びOSi3に対応する。ただしiは1又は2である。
【0053】
第6の具体的な発明としては、第1乃至第5のいずれかの具体的な発明の構成に加えて、
前記第5の線路に替えてインダクタンスを設けたことを特徴とする。
【0054】
第7の具体的な発明としては、第1乃至第6のいずれかの具体的な発明の構成に対して、
前記第5の線路を除いたことを特徴とする。
【0055】
この具体的な発明の構成例を、図16に示す。図16のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路600は図14のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路400の構成のうち、第5の線路B0を除いて、電圧制御点を第2及び第3の線路B1及びB2の接続点としたものである。ここで第3のキャパシタンスである容量CFは、図14のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路400の容量C0が単に電位を保つためにあるのに対し、図16のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路600の容量CFは、フィルタ機能を発揮すべく容量が設計されているものである。
【0056】
図14乃至図16のようなフィルタ機能付高周波スイッチは、任意の設計により所望の周波数に対するスイッチとなる。即ち、異なる周波数を透過するスイッチを1の入力に接続し、各々の出力端子から所望の周波数帯域を出力する1入力多出力スイッチとすることができる。当然、それら1入力多出力スイッチを構成する個々のフィルタ機能付高周波スイッチは本願の請求項1に係る発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の具体的な第1の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路100の構成を示す回路図。
【図2】(a)は、フィルタ機能付き高周波スイッチング回路100の一方の出力をオン、一方の出力をオフとした場合の周波数特性図、(b)は、2つの出力を異なる2帯域のバンドパスフィルタとした場合の周波数特性図。
【図3】本発明の具体的な第2の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路200の構成を示す回路図。
【図4】(a)は、フィルタ機能付き高周波スイッチング回路200の出力特性図、(b)は、フィルタ機能付き高周波スイッチング回路100の出力特性図。
【図5】本発明の具体的な第3の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路300の構成を示す回路図。
【図6】(a)は、フィルタ機能付き高周波スイッチング回路300の出力特性図、(b)は、フィルタ機能付き高周波スイッチング回路300の周波数特性図。
【図7】トリプレート構造の一例を示す断面図。
【図8】ダイオードと1/4波長スラブ線路を用いた1入力2出力のスイッチの従来構成を示す回路図。
【図9】(a)乃至(c)は、いずれも、本発明の基礎構成を説明する回路図。
【図10】(a)乃至(c)は、いずれも、図9の回路の反射特性(Sa)に関するシミュレーション結果を説明するためのスミス・チャート。
【図11】(a)は偶励振時の有効回路要素を示した回路図、(b)は奇励振時の有効回路要素を示した回路図、
【図12】図11の回路におけるインダクタンス成分の反射特性(Sa)に対する効果を示すスミス・チャート。
【図13】(a)は図9(a)の回路の透過特性を示すグラフ図、(b)は図9(a)の回路の反射特性を示すグラフ図。
【図14】本発明のより具体的な第1の発明に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路400の構成を示す回路図。
【図15】本発明のより具体的な第1の発明の変形例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路500の構成を示す回路図。
【図16】本発明のより具体的な第7の発明に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路600の構成を示す回路図。
【符号の説明】
100,200,300 フィルタ機能付き高周波スイッチング回路
400,500,600 フィルタ機能付き高周波スイッチング回路
In 入力端子
Out−i 第i出力端子(iは1又は2、以下、この欄においてiは第i出力端子側の構成要素を示す)
1i,2i,3i スイッチ回路
AimとBim 結合線路を構成する2つの線路(mは1又は2、以下、この欄において同じ)
Ai0,Bi0 結合されていない線路
Cim 結合されたオープンスタブによるキャパシタ
Ci0,Cdim Bi0又はDimと接地との間に設けられた容量
Dim ダイオード
Ri0,Rdim Bi0とCi0の接続点又はDimとCdimの接続点に電位を印加するための抵抗
OSi2,OSi3 帯域フィルタの中心周波数の第2次高調波又は第3次高調波と共振するオープンスタブ
A0,B0,C0,Am,Bm,Cm,Dm,R0
各々Ai0,Bi0,Ci0,Aim,Bim,Cim,Dim,Ri0と同一の素子。
CF 線路B0と接地容量C0が有する機能と対応する機能を発揮する容量。
Claims (7)
- 1つの入力端子と、1つの出力端子と、前記入力端子と前記出力端子との間にスイッチ回路を有し、当該スイッチ回路について少なくとも1箇所の電位を制御可能とすることにより、所望の帯域幅の高周波を透過又は遮断するフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、
前記スイッチ回路は、
一端が前記入力端子と電気的に接続され、他端が第1のキャパシタンスを介して第1の電位に接続された第1の線路と、
当該第1の線路に対して互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、一端が第2の電位に接続された第1のダイオードの他端に一端が接続された第2の線路と、
前記第2の線路の他端に一端が接続され、前記第1のダイオードと同一極が前記第2の電位に接続された第2のダイオードの他端に一端が接続された第3の線路と、
当該第3の線路に対して互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、一端が前記出力端子と電気的に接続され、他端が第2のキャパシタンスを介して第3の電位に接続された第4の線路と、
前記第2の線路と前記第3の線路の接続点に一端が接合され、他端が第4の電位に接続された第5の線路と
から構成されており、
前記第1及び前記第2のキャパシタンス、前記第1及び第4の線路、前記第2及び第3の線路、前記第1及び第2のダイオードは素子特性を各々同一として、前記スイッチ回路は前記第2の線路と前記第3の線路と前記第5の線路の接続点を中心として対称であり、
前記制御可能とした電位は前記第2の電位及び前記第4の電位の少なくとも一方であること
を特徴とするフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。 - 1つの入力端子と、2つの出力端子と、前記入力端子と前記2つの出力端子との間にそれぞれ同一構成のスイッチ回路を有し、当該2つのスイッチ回路のそれぞれについて少なくとも1箇所の電位を制御可能とすることにより、少なくとも一方に所望の帯域幅の高周波を透過するフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、
前記2つのスイッチ回路は各々、
一端が前記入力端子と電気的に接続され、他端が第1のキャパシタンスを介して第1の電位に接続された第1の線路と、
当該第1の線路に対して互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、一端が第2の電位に接続された第1のダイオードの他端に一端が接続された第2の線路と、
前記第2の線路の他端に一端が接続され、前記第1のダイオードと同一極が前記第2の電位に接続された第2のダイオードの他端に一端が接続された第3の線路と、
当該第3の線路に対して互いに少なくとも一部が略平行に配線されることにより結合線路を構成し、一端が前記出力端子の一方と電気的に接続され、他端が第2のキャパシタンスを介して第3の電位に接続された第4の線路と、
前記第2の線路と前記第3の線路の接続点に一端が接合され、他端が第4の電位に接続された第5の線路と
から構成されており、
前記第1及び前記第2のキャパシタンス、前記第1及び第4の線路、前記第2及び第3の線路、前記第1及び第2のダイオードは素子特性を各々同一として、前記2つのスイッチ回路は各々が前記第2の線路と前記第3の線路と前記第5の線路の接続点を中心として対称であり、
前記制御可能とした電位は前記第2の電位及び前記第4の電位の少なくとも一方であること
を特徴とするフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。 - 前記2つのスイッチ回路のうち、一方には前記第2の電位及び第4の電位間の電位差を0又は逆方向バイアスとし、他方には前記第2の電位及び第4の電位間の電位差を順方向であって前記第1及び第2のダイオードに電流が流れない範囲の電位差を付加することを特徴とする請求項2に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
- 前記2つのスイッチ回路のうち、一方には前記第2の電位及び第4の電位間の電位差を逆方向バイアスであって入力端子からの入力する高周波の電圧振幅より大きくし、他方には前記第2の電位及び第4の電位間の電位差を順方向であって入力端子からの入力する高周波の電圧振幅より大きく、前記第1及び第2のダイオードに電流が流れる範囲の電位差を付加することを特徴とする請求項2に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
- 前記第2の線路と前記第3の線路と前記第5の線路の接続点に、透過する帯域の中心周波数の高周波についての第2次高調波をショートするオープンスタブ又はキャパシタンスと、同じく第3次高調波をショートするオープンスタブ又はキャパシタンスとを設けた
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。 - 前記第5の線路に替えてインダクタンスを設けたことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
- 前記第5の線路を除き、前記第2の線路と前記第3の線路の接続点に第4の電位と容量の一端が接続され、当該容量の他端を接地したことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
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