JP3946665B2

JP3946665B2 - 大信号高周波スイッチ回路

Info

Publication number: JP3946665B2
Application number: JP2003146642A
Authority: JP
Inventors: 淳西原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: JP2004350144A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、通信機器及びレーダ等に使用される大信号高周波スイッチ回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通信機器やレーダなどの送受切換回路やアンテナ切換スイッチ回路には、大電力に対応したピンダイオードが用いられる。入力端子と複数の出力端子とを接続する高周波信号の経路に、並列共振手段を介して接地させたピンダイオードを設け、このピンダイオードに順方向あるいは逆方向のバイアス電位を印加して、当該ピンダイオードのインピーダンスを制御することにより高周波信号の所望の経路を遮断あるいは接続して入力端子と接続される出力端子を切換えている。
【０００３】
高周波スイッチ回路はピンダイオードの電圧−容量特性によって接続状態あるいは遮断状態の優劣が決定される。ピンダイオードの電圧−容量特性は、小さい電位が印加された状態で大きく容量変化が生じ、印加される電位が大きくなるほど容量変化が小さくなる。このような特性を有していることから、高周波スイッチ回路に備えるピンダイオードには、電圧ドライバ等を用いて大きな電位を印加し、容量変化を抑制して当該ピンダイオードが接続される共振部等の発振を防いでいる。
【０００４】
また、入力端子と複数の出力端子との間にそれぞれピンダイオードを直列に接続し、これらのピンダイオードに印加する電位によって当該ピンダイオードのインピーダンスの高低を制御して入力端子と所望の出力端子とを接続し、入力端子と出力端子間で生じる信号の損失を抑制した構成も用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３０８６０２公報（第４頁〜第５頁、図３）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の大信号高周波スイッチ回路は、以上のように構成されているので、ピンダイオードによって出力端子の接続を切換える大信号高周波スイッチ回路の動作を安定させるには、入力端子から入力される信号の振幅がピンダイオードの容量変化の大きな特性領域にかからない様にバイアス電位を設定しなければならず、ピンダイオードに印加する制御信号の電位を十分大きくする必要があり、当該バイアス電位をピンダイオードへ供給する電圧ドライバ回路の消費電力が大きくなり、さらにはピンダイオードの駆動電源を必要とする場合もあることから、特に衛星或いは航空機搭載用レーダ等に用いるときに要求される軽量化、低消費電力化が図れないという課題あった。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ピンダイオードのバイアス電位を小さくしても発振が起こらず、安定した動作が行える大信号高周波スイッチ回路を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る大信号高周波スイッチ回路は、各ピンダイオードと各並列共振手段との接続部分に発振を抑制する抵抗素子をそれぞれ接続し、電圧ドライブ手段が各ピンダイオードの容量変化が大きくなる電位のバイアス電位を生成して各ピンダイオードを制御するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による大信号高周波スイッチ回路の構成を示すブロック図である。図示したものはピンダイオードを用いたSingle Pole Double Throw（以下、ＳＰＤＴと記載する）、即ち二分岐スイッチ回路の一例である。
【００１０】
通信器等から出力される高周波信号は電力増幅器１によって大電力の高周波信号に増幅され、二分岐スイッチ回路２の入力端子３へ入力される。電圧ドライバ回路（電圧ドライブ手段）７は、電源の正電位４及び負電位５が供給され、外部制御信号６に基づいて切換え制御信号（バイアス電位）を生成し、二分岐スイッチ回路２を制御する。二分岐スイッチ回路２は、電圧ドライバ回路７から入力した切換え制御信号に基づいて、入力端子３を出力端子８または出力端子９のいずれか一方にスルー接続させる。このようにして電力増幅器１の出力信号は、選択された出力端子８に接続されたアンテナ１０または出力端子９に接続されたアンテナ１１の何れかから放出される。
【００１１】
図２は、この発明の実施の形態１による大信号高周波スイッチ回路の構成を示す回路図である。図示したものは図１に示した二分岐スイッチ回路２に該当する部分である。入力端子３にはＤＣカットコンデンサ１５及びＤＣカットコンデンサ２３の一端が接続される。ＤＣカットコンデンサ１５の他端にはピンダイオード１４のアノードが接続される。また、このピンダイオード１４のアノードにはインダクタ２７及びＤＣカットコンデンサ１６の一端が接続される。インダクタ２７の多端には抵抗２６が直列接続され、この抵抗２６の他端には電位Ａが電圧ドライバ回路７から供給される制御端子１２が接続される。ＤＣカットコンデンサ１６の他端には出力端子８が接続される。ピンダイオード１４のカソードには抵抗（抵抗素子）３０１の一端と共振部（並列共振手段）２９が接続される。
【００１２】
共振部２９は、一端を接地して並列に配されたコンデンサ２５とインダクタ２８から成り、コンデンサ２５の他端にはピンダイオード１４のカソードが接続され、インダクタ２８の他端には抵抗３０１の他端が接続される。
【００１３】
ＤＣカットコンデンサ２３の他端にはピンダイオード１７のカソードが接続される。また、このピンダイオード１７のカソードにはインダクタ２０及びＤＣカットコンデンサ２４の一端が接続される。インダクタ２０の多端には抵抗１９が直列接続され、この抵抗１９の他端には電位Ｂが電圧ドライバ回路７から供給される制御端子１３が接続される。ＤＣカットコンデンサ２４の他端には出力端子９が接続される。ピンダイオード１７のカソードには抵抗（抵抗素子）３０２の一端と共振部（並列共振手段）２２が接続される。
【００１４】
共振部２２は、一端を接地して並列に配されたコンデンサ１８とインダクタ２１から成り、コンデンサ１８の他端にはピンダイオード１７のカソードが接続され、インダクタ２１の他端には抵抗３０２の他端が接続される。
【００１５】
次に、動作について説明する。
ここでは、例えば図１に示した入力端子３と出力端子８とを接続させ、アンテナ１０から出力信号を出力させるときの二分岐スイッチ回路２の動作を説明する。
【００１６】
入力端子３と出力端子８とを接続させるとき、電圧ドライバ回路７は、外部から入力された外部制御信号６に基づいて制御端子１２に負電位の電位Ａを供給し、制御端子１３には正電位の電位Ｂを供給する。ピンダイオード１４は、抵抗２６とインダクタ２７を介してアノードに負電位が印加されることから逆方向にバイアスされ、ピンダイオード１４のアノード・カソード間が高インピーダンス状態となる。すると高周波信号を取り扱ううえで、入力端子３と出力端端子８とをつなぐ高周波信号経路の接地接続がオープン状態になり、入力端子３と出力端子８との間が導通状態になって入力端子３から入力された高周波信号はＤＣカットコンデンサ１５，１６を経て出力端子８から出力される。
【００１７】
ピンダイオード１７は、アノードに正電位が印加されることから順方向にバイアスされ、アノード・カソード間のインピーダンスが低くなってオン状態になる。ピンダイオード１７のカソードはコンデンサ１８を介して接地されているので、入力端子３と出力端子９とをつなぐ高周波信号経路から高周波成分が除去され、入力端子３と出力端子９との間がオープン状態となる。また、ピンダイオード１７のアノードに印加される電位Ｂは正電位なので、直流電流が制御端子１３から抵抗１９、インダクタ２０、ピンダイオード１７、インダクタ２１を介して接地へ流れる。この直流電流の値は抵抗１９によって与えられ、また、インダクタ２０，２１がチョークコイルとして高周波信号と直流成分とを分離し、インダクタ２０は制御端子１３に高周波信号が漏洩することを防ぎ、インダクタ２１は直流成分を接地へ導く。なお、大信号高周波スイッチ回路が切換え接続する高周波信号の波長をλとしたとき、抵抗３０１に接続されるインダクタ２８及び抵抗３０２に接続されるインダクタ２１の線路長をλ／４として構成すると、当該インダクタ２１，２８は高周波信号に抵抗成分として作用しなくなり、透過特性を劣化させることなく大信号高周波スイッチ回路を動作させることができる。
【００１８】
実施の形態１による二分岐スイッチ回路２は、図２に示したように入力端子３を中心にして左右対称となるように回路が構成されている。入力端子３と出力端子９との間を接続するときは、電圧ドライバ回路７が制御端子１２へ印加する電位Ａを正電位とし、また制御端子１３へ印加する電位Ｂを負電位とする。このように電位Ａ，Ｂを印加することにより、ピンダイオード１４，１７にそれぞれ供給されるバイアス電位が前述の動作説明と逆転し、各抵抗、各コンデンサ、各インダクタが図２において左右対称となるように前述の説明に対応して作用し、入力端子３と出力端子９が接続される。なお、この発明の大信号高周波スイッチ回路は、図示した左右対称となるような構成に限定されない。
【００１９】
ここで二分岐スイッチ回路２に用いるピンダイオード１４，１７について説明する。図３は、ピンダイオードの電圧−容量特性を示す説明図である。入力端子３から入力される高周波信号が正弦波の場合は、例えばピンダイオード１４には、制御端子１２に印可された負電位を中心とした正弦波状の電圧が印加される。このとき、図３に示すように、ピンダイオード１４の容量も電圧変化に伴って変化する。ピンダイオード１４の容量は、高い負電位が印加されると変化量が小さくなり、小さい負電位が印加されると変化量が大きくなり、印加される負電位と容量は、いわゆる反比例する関係である。
【００２０】
図３に示したように、ピンダイオード１４は容量変化が大きい負電位領域の特性がバラクタダイオードの特性と同様で、二次曲線を描くように負電位が小さくなるほど急峻に容量が変化する。ピンダイオード１４は、このような特性を有することから小さい負電位が印加されると、ピンダイオード１４と共振部２９との間でパラメトリック相互作用が生じ、入力端子３から入力された信号の周波数でポンピングが行われ、共振部２９を構成するコンデンサ２５とインダクタ２８によって決定される共振周波数で発振を引き起こす。ここではピンダイオード１４及びピンダイオード１４が接続される共振部２９，制御端子１２を用いて説明したが、ピンダイオード１７及びピンダイオード１７が接続される共振部２２，制御端子１３に負電位が印加されたときの作用も前述の説明と同様である。
【００２１】
図４は、実施の形態１による二分岐スイッチ回路の共振部を模擬表現した説明図である。図４（ａ）は、例えば図２に示した共振部２２から抵抗３０２を除いて構成したもの、また共振部２９から抵抗３０１を除いて構成したものを模擬した回路で、図４（ｂ）は、例えば図２に示した共振部２２また共振部２９を模擬した回路である。図４（ｃ）は、図４（ａ），（ｂ）の各模擬回路を構成するピンダイオード１４，１７から接地をみたときの透過損失、即ち二端子対Ｓパラメータを示すものである。
【００２２】
図４（ａ）において、ピンダイオード１４のカソードとコンデンサ２５などを接続した部分、及びピンダイオード１７のカソードとコンデンサ１８などを接続した部分がＴｅｒｍ１で表される。また、インダクタ２１，２８及びコンデンサ１８，２５の共振部２２，２９の接地部分がＴｅｒｍ２で表され、インダクタ２１，２８はＬ１で表され、コンデンサ１８，２５はＣ１で表される。図４（ｂ）において、ピンダイオード１４のカソードとコンデンサ２５と抵抗３０１とを接続した部分、及びピンダイオード１７のカソードとコンデンサ１８と抵抗３０２とを接続した部分がＴｅｒｍ３で表される。また、インダクタ２１，２８及びコンデンサ１８，２５などの共振部２２，２９の接地部分がＴｅｒｍ４で表され、抵抗３０１，３０２はＲ１で表され、インダクタ２１，２８はＬ２で表され、コンデンサ１８，２５はＣ２で表される。図４（ｃ）において特性曲線４０１は図４（ａ）の模擬回路のシミュレーション結果のＳ（２，１）を示すもので、特性曲線４０２は図４（ｂ）の模擬回路のシミュレーション結果のＳ（４，３）を示すものである。
【００２３】
共振部２２，２９の共振周波数の透過損失、即ち共振点の深さはＱｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ（以下、Ｑ値と記載する）の大きさに比例すると考えられていることから、図４（ｂ）に示した模擬回路は、明らかに図４（ａ）に示した模擬回路よりもＱ値が小さくなっていることが図４（ｃ）の各特性曲線からわかる。このことから、図２に示した共振部２２，２９は抵抗３０１，３０２を図２に示したように備えることによってＱ値が小さくなり、伝送させる高周波信号が共振部２２，２９の共振周波数であっても発振が抑制されて動作が安定し、入力端子３から出力端子８または出力端子９へ伝送させる高周波信号の損失が抑制される。また、このようにピンダイオード１４，１７に小さな負電位を印加しても共振部２２，２９が発振を起こさなくなることから、電源ドライバ回路７は、ピンダイオード１４，１７に供給する負電位を小さくすることが可能になって消費電力を少なくすることができる。
【００２４】
以上のように、実施の形態１によれば、ピンダイオード１４，１７と共振部２２，２９を構成するインダクタ２１，２８との間に抵抗３０１，３０２をそれぞれ直列に接続したので、ピンダイオード１４，１７及び共振部２２，２９のＱ値を下げて発振を抑制することができるという効果がある。
【００２５】
また、発振を抑制してピンダイオード１４，１７に小さな負電位を電圧ドライバ回路７に印加させ、大信号高周波スイッチ回路の切換え動作を駆動させるようにしたので、電圧ドライバ回路７の省電力化が図れるという効果がある。
【００２６】
また、ピンダイオード１４，１７へ印加するバイアス電位を別途設けることなく、単一電源で二分岐スイッチ回路２の駆動が可能になるように構成したので、大信号高周波スイッチ回路を備えたシステム全体の小型化、軽量化、及び低コスト化が図れるという効果がある。
【００２７】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による大信号高周波スイッチ回路の構成を示す回路図である。図示したものは、図１に示した二分岐スイッチ回路２に該当する部分である。図２に示したものと同一あるいは相当する部分に同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
図５に示した二分岐スイッチ回路２は、図２に示した抵抗３０２の代わりに共振部２２のコンデンサ１８及びインダクタ２８に対して並列に接続された抵抗（抵抗素子）５０２を備え、また抵抗３０１の代わりに共振部２９のコンデンサ２５及びインダクタ２１に対して並列に接続された抵抗（抵抗素子）５０１を備えたものである。このように抵抗５０１，５０２をそれぞれ共振部２２，２９に接続して、当該二分岐スイッチ回路２を備えた大信号高周波スイッチ回路のＱ値を下げている。その他の部分は図２に示したものと同様に構成され、ここでは詳細な説明を省略する。
【００２９】
次に、動作について説明する。
図２に示した二分岐スイッチ回路２と同様な動作の説明を省略し、実施の形態２による二分岐スイッチ回路２の特徴となる動作について説明する。図６は、実施の形態２による二分岐スイッチ回路の共振部を模擬表現した説明図である。図６（ａ）は、図５に示した共振部２２から抵抗５０２を除いて構成したもの、また共振部２９から抵抗５０１を除いて構成したものを模擬した回路で、図６（ｂ）は、図５に示した共振部２２また共振部２９を模擬した回路である。図６（ｃ）は、図６（ａ），（ｂ）の各模擬回路を構成するピンダイオード１４，１７から接地をみたときの透過損失、即ち二端子対Ｓパラメータを示すものである。
【００３０】
図６（ａ）において、ピンダイオード１４のカソードとコンデンサ２５などを接続した部分、及びピンダイオード１７のカソードとコンデンサ１８などを接続した部分がＴｅｒｍ１で表される。また、インダクタ２１，２８及びコンデンサ１８，２５の共振部２２，２９の接地部分がＴｅｒｍ２で表され、インダクタ２１，２８はＬ１で表され、コンデンサ１８，２５はＣ１で表される。図６（ｂ）において、ピンダイオード１４のカソードとコンデンサ２５とインダクタ２８と抵抗５０１とを接続した部分、及びピンダイオード１７のカソードとコンデンサ１８とインダクタ２１と抵抗５０２とを接続した部分がＴｅｒｍ３で表される。また、インダクタ２１，２８とコンデンサ１８，２５と抵抗５０１，５０２の接地部分、即ち共振部２２，２９の接地部分がＴｅｒｍ４で表され、抵抗５０１，５０２はＲ１で表され、インダクタ２１，２８はＬ２で表され、コンデンサ１８，２５はＣ２で表される。図６（ｃ）において特性曲線６０１は図６（ａ）の模擬回路のシミュレーション結果のＳ（２，１）を示すもので、特性曲線６０２は図６（ｂ）の模擬回路のシミュレーション結果のＳ（４，３）を示すものである。
【００３１】
実施の形態１において説明したように、共振部２２，２９の共振周波数の透過損失、即ち共振点の深さはＱ値の大きさに比例すると考えられていることから、図６（ｂ）に示した模擬回路は、明らかに図６（ａ）に示した模擬回路よりもＱ値が小さくなっていることが図６（ｃ）の各特性曲線からわかる。図４（ｃ）に示した特性曲線４０２と図６（ｃ）に示した特性曲線６０２とを比較すると、このシミュレーション結果では周波数帯域によって透過損失が異なっており、使用する高周波信号の周波数に応じて図２に示した二分岐スイッチ回路２、または図５に示した二分岐スイッチ回路２を使用することで高周波信号の透過損失を極めて小さく抑えることができる。
【００３２】
以上のように、実施の形態２によれば、共振部２２，２９を構成するコンデンサ１８，２５及びインダクタ２１，２８と並列に抵抗５０１，５０２をそれぞれ接続したので、ピンダイオード１４，１７及び共振部２２，２９のＱ値を下げて発振を抑制することができるという効果がある。
【００３３】
また、発振を抑制してピンダイオード１４，１７に小さな負電位を電圧ドライバ回路７に印加させ、大信号高周波スイッチ回路の切換え動作を駆動させるようにしたので、電圧ドライバ回路７の省電力化が図れるという効果がある。
【００３４】
また、ピンダイオード１４，１７へ印加するバイアス電位を別途設けることなく、単一電源で二分岐スイッチ回路２の駆動が可能になるように構成したので、大信号高周波スイッチ回路を備えたシステム全体の小型化、軽量化、及び低コスト化が図れるという効果がある。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、各ピンダイオードと各並列共振手段との接続部分に発振を抑制する抵抗素子をそれぞれ接続し、電圧ドライブ手段が各ピンダイオードの容量変化が大きくなる低電位のバイアス電位を生成して各ピンダイオードを制御するようにしたので、ピンダイオード及び並列共振手段の発振を抑制することにより、小さい電位で切換え動作を行うことができるようになり、省電力化が図れるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による大信号高周波スイッチ回路の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１による大信号高周波スイッチ回路の構成を示す回路図である。
【図３】ピンダイオードの電圧−容量特性を示す説明図である。
【図４】実施の形態１による二分岐スイッチ回路の共振部を模擬表現した説明図である。
【図５】この発明の実施の形態２による大信号高周波スイッチ回路の構成を示す回路図である。
【図６】実施の形態２による二分岐スイッチ回路の共振部を模擬表現した説明図である。
【符号の説明】
１電力増幅器、２二分岐スイッチ回路、３入力端子、４正電位、５負電位、６外部制御信号、７電圧ドライバ回路（電圧ドライブ手段）、８，９出力端子、１０，１１アンテナ、１２，１３制御端子、１４，１７ピンダイオード、１５，１６，２３，２４ＤＣカットコンデンサ、１８，２５コンデンサ、１９，２６抵抗、２０，２１，２７，２８インダクタ、２２，２９共振部（並列共振手段）、３０１，３０２，５０１，５０２抵抗（抵抗素子）。

Claims

入力端子と各出力端子との間を接続する高周波信号経路と、一端が接地された複数の並列共振手段と、前記並列共振手段の他端と前記高周波信号経路とをそれぞれ接続する複数のピンダイオードと、前記各ピンダイオードに印加する正電位及び負電位のバイアス電位を生成する電圧ドライブ手段とを備え、前記電圧ドライブ手段から供給されたバイアス電位により前記各ピンダイオードを制御して前記入力端子と前記各出力端子との接続を切換える大信号高周波スイッチ回路において、
前記各ピンダイオードと前記各並列共振手段との接続部分に発振を抑制する抵抗素子をそれぞれ接続し、
前記電圧ドライブ手段は、前記各ピンダイオードの容量変化が大きくなる電位の前記バイアス電位を生成して前記各ピンダイオードを制御することを特徴とする大信号高周波スイッチ回路。
電圧ドライブ手段は、入力端子と所望の出力端子とを接続状態とする所定のピンダイオードに逆方向の電位のバイアス電位を供給することを特徴とする請求項１記載の大信号高周波スイッチ回路。
電圧ドライブ手段は、負電位のバイアス電位を並列共振手段とカソードとを接続させた所定のピンダイオードのアノードへ供給することを特徴とする請求項２記載の大信号高周波スイッチ回路。
ピンダイオードと並列共振手段を成すインダクタとの間に発振を抑制する抵抗素子を接続したことを特徴とする請求項１記載の大信号高周波スイッチ回路。
ピンダイオードと並列共振手段を成すインダクタ及びコンデンサとの接続部分に、発振を抑制する抵抗素子の一端を接続し当該発振を抑制する抵抗素子の他端を接地させたことを特徴とする請求項１記載の大信号高周波スイッチ回路。