JP4239155B2 - ローパスフィルタ及びそれを用いた高周波スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信機器等に組み込まれて用いられるローパスフィルタおよびそれを用いた高周波スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高周波スイッチは、一般にデジタル携帯電話等において送信回路と受信回路とを切り換えるために用いられる。図１５は特許文献１に開示された従来の高周波スイッチ回路である。この高周波スイッチは、送受信用スイッチ回路２と、この送受信スイッチ回路２の送信側に電気的に接続された３次ローパスフィルタ回路５とを備えている。送受信スイッチ回路２の送信用端子Tx側には、ダイオードD1のカソードが接続されている。ダイオードD1のカソードはローパスフィルタ５を構成する伝送線路L1に接続している。ダイオードD1のアノードは、アンテナ用端子ANTに接続している。
【０００３】
アンテナ用端子ANTには伝送線路L3を介して受信用端子Rxが接続している。さらに、受信用端子には、ダイオードD2のカソードが接続されている。ダイオードD2のアノードは容量C5を介してグランドに接地している。ダイオードD2とコンデンサC5の接続点には抵抗Rcを介して電圧制御用端子Vcが接続している。
【０００４】
一方。３次ローパスフィルタ５は、伝送線路L1と、伝送線路L1の両端とグランドとの間にそれぞれ接続された容量C2、C3及び伝送線路L1に対して並列に接続された容量C1により構成されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２６１３９８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高周波スイッチの送信用端子Tx側にはパワーアンプが接続される。そして、このパワーアンプからは、送信周波数の信号波（基本波）だけでなく、その２倍波、３倍波なども漏れてくる。この２倍波や３倍波を減衰させるためにローパスフィルタを用いる。図８に従来の３次ローパスフィルタ５を用いた場合の減衰量特性を示す。基本波の周波数が1.8GHzを想定した場合、２倍波、３倍波は20〜25dB程度の減衰量しか得られないため、パワーアンプからの2倍波、３倍波を十分に低減することが出来なかった。
【０００７】
また、ローパスフィルタの減衰量は、図１６に示した５次のローパスフィルタ６などを用いることで改善できる。ところが５次のローパスフィルタ回路は構成素子数が多く、更に高周波スイッチの挿入損失が大きくなるという問題があった。
【０００８】
小型化の要求されるデジタル携帯電話等においては、その内部で使用される部品においての小型化が要求されている。このため、ローパスフィルタおよびそれを用いた高周波スイッチの小型化が要求されている。
【０００９】
本発明の目的は、以上の問題点に鑑み、小型で性能の優れたローパスフィルタ、およびそれを用いた高周波スイッチを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するため、本発明は、下記の構成を主旨とする。
本発明は、入力端子および出力端子を有し、前記入力端子と前記出力端子の間に、第１の並列共振回路および第２の並列共振回路が直列に接続され、前記第１の並列共振回路の両端に第１の接地容量および第２の接地容量が接続され、前記第１の並列共振回路の共振周波数を通過帯域の２倍波と略等しい周波数に設定し、前記第２の並列共振回路の共振周波数を通過帯域のｎ倍波（ｎ＝２，３，４、…）と略等しい周波数に設定したことを特徴とするローパスフィルタである。
【００１１】
本発明は、少なくとも２つのスイッチング素子を有した送受信用スイッチ回路と、前記送受信用スイッチ回路の送信側経路に電気的に接続されたローパスフィルタを備え、前記ローパスフィルタは、直列に接続された第３の並列共振回路および第４の並列共振回路と、前記第３の並列共振回路の両端に接続された、第３の接地容量および第４の接地容量から構成され、前記第３の並列共振回路の共振周波数を通過帯域の２倍波と略等しい周波数に設定し、前記第４の並列共振回路の共振周波数を通過帯域のｎ倍波（ｎ＝２，３，４、…）と略等しい周波数に設定したことを特徴とする高周波スイッチである。即ち、この高周波スイッチは送信側経路には上記したローパスフィルタが挿入されているもので、第３の並列共振回路は第１の並列共振回路と、第４の並列共振回路は第２の並列共振回路と、第３の接地容量および第４の接地容量は第１の接地容量および第２の接地容量とローパスフィルタの構成に読み代えることが出来る。
【００１２】
本発明の高周波スイッチにおいて、前記送受信用スイッチ回路が、送信側に第１のダイオードと第１の伝送線路を有するとともに、受信側に第２のダイオードと第２の伝送線路を設けて構成するものである。ここで、前記第１の伝送線路は、前記第３の並列共振回路と第４の並列共振回路の接続点と、接地導体との間に接続することが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るローパスフィルタおよびこれを用いた高周波スイッチの実施形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
（実施例１）
図２は本発明にかかるローパスフィルタの一実施例である。図２において伝送線路L1と容量C1は並列共振回路を形成し、基本波の周波数の略２倍波で減衰極を持つように伝送線路L1の長さやインピーダンスおよび容量C1の大きさが調整されている。伝送線路L2と容量C4も並列共振回路を形成し、基本波の周波数の略ｎ倍波（ｎ＝２，３，４、…）で減衰極を持つように伝送線路L2の長さやインピーダンスおよび容量C4の大きさが調整されている。接地容量C2、C3は伝送線路L1の両端に接続されている。
【００１５】
図７は本発明に係るローパスフィルタの減衰量特性を示した図である。この場合、基本波の周波数はDCS帯(Digital Cellular System)およびPCS帯(Personal Communication Service)の送信帯域である1710MHz〜1910MHzを前提とした。伝送線路L2と容量C4からなる並列共振回路の減衰極を基本波の周波数の略３倍波で減衰極を持つように設定した。図７より２倍波、３倍波減衰量ともに30dB以上を達成している。これは図８で示した従来の３次ローパスフィルタ５の減衰量特性と比較すると、２倍波において10dB、３倍波減衰量において20dBの改善である。また、基本周波数における挿入損失も従来の３次ローパスフィルタと比較して同等の特性が得られている。
【００１６】
本実施例では、伝送線路L2と容量C4からなる並列共振回路の共振周波数を基本波の周波数の略３倍波に設定したが、実際の携帯電話端末に組み込んだ場合には、２倍波、３倍波、…など、どの周波数が一番問題となるかは、パワーアンプのデザイン、周辺回路により状況が異なる。従って、伝送線路L2と容量C4からなる並列共振回路の共振周波数を、状況に応じて変更することにより、携帯端末から発生する高調波発生量を効率良く抑制する事が可能である。
【００１７】
次に、図２に示したローパスフィルタ１の電気回路を具現化した、積層型ローパスフィルタについて、図１１、図１２を参照して説明する。図１１は図２に示した電気回路を有した積層型ローパスフィルタの積層図である。7jが最下層のシートであり順に7aまで積層したものである。
図１１のローパスフィルタは、伝送線路L1、L2の電極パターンを設けた誘電体シート7c、7d、7eと、広面積のグランド電極を設けた誘電体シート7b、7f、7jと、容量C1、C2、C3、C4の電極パターンを設けた誘電体シート7g、7h、7iと、上面電極を設けた誘電体シート7aなどにて構成されている。図１１において各誘電体シート上に示す電極パターンL1、L2は、それぞれビアホールにて電気的に接続され、ローパスフィルタ１の電気回路を構成する。
【００１８】
以上の構成からなる各シート7a〜7jは積み重ねられ、一体的に焼成される。その後、積層体側面に側面電極１０を印刷し、更に電極焼成を行えば、図１２に示すような積層部品１１となる。図１２において長手中央の端子がローバスフィルタの入出力端子であり、残りの端子はグランド端子に相当する。
【００１９】
（実施例２）
図１は本実施例にかかる高周波スイッチの一実施例である。この高周波スイッチは、送受信用スイッチ２と、この送受信スイッチ２の送信側に電気的に接続されたローパスフィルタ１とを備えている。送受信スイッチ回路２の送信用端子Tx側には、ダイオードD1のカソードが接続されている。ダイオードD1のカソードはローパスフィルタ１を構成する伝送線路L1に接続している。ダイオードD1のアノードは、アンテナ用端子ANTに接続している。
【００２０】
アンテナ用端子ANTには伝送線路L3を介して受信用端子Rxが接続している。さらに、受信用端子には、ダイオードD2のカソードが接続されている。ダイオードD2のアノードは容量C5を介してグランドに接地している。ダイオードD2とコンデンサC5の接続点には抵抗Rcを介して電圧制御用端子Vcが接続している。
【００２１】
ここに、伝送線路L3、L4として特性インピーダンス２５Ω以上の分布定数線路、あるいは、高周波インダクタが使用される。分布定数線路の場合、伝送線路L3、L4の線路長は、λ／１０以上λ／３以下（λ：所望周波数の波長）の範囲に設定される。
【００２２】
次に、この高周波スイッチを用いての送受信について説明する。電圧制御用端子Vcに正電圧を印加した場合、伝送線路L1、L4によりバイアス電流が流れるため、ダイオードD1、D2がON状態となる。この結果、送信用端子Txに入った送信信号は、ローパスフィルタ１、ダイオードD1を経由してアンテナ用端子ANTに伝送される。この時、送信信号は受信端子Rxに殆ど伝送されない。なぜならばダイオードD2がON状態の時のD2自身が有するインダクタンス成分と容量C5が送信信号の周波数で直列共振するように設定されており、インピーダンスがショートになるからである。つまり、伝送線路L3、L4はλ／４ショートスタブとして動作するため、送信用端子Txとアンテナ用端子ANTが接続され、受信用端子Rxはグランドへ接地される。
【００２３】
電圧制御端子Vcを接地電位にした場合、ダイオードD1、D2はOFF状態になる。したがって、送信用端子Txとアンテナ用端子ANTとの間が遮断されるとともに、受信用端子Rxとの間も遮断される。この結果、アンテナ用端子ANTに入力された受信信号は、伝送線路L3を介して受信用端子Rxに伝送され、送信用端子Txにはほとんど伝送されない。このように、図１の高周波スイッチは電圧制御用端子Vcに印加するバイアス電圧をコントロールする事により、送受の信号の伝送経路を切り換えることが可能である。
【００２４】
さて、ローパスフィルタ1において、伝送線路L1と容量C1は並列共振回路を形成し、基本波の周波数の略２倍波で減衰極を持つように伝送線路L1の長さやインピーダンスおよび容量C1の大きさが調整されている。伝送線路L2と容量C4も並列共振回路を形成し、基本波の周波数の略ｎ倍波（ｎ＝２，３，４、…）で減衰極を持つように伝送線路L2の長さやインピーダンスおよび容量C4の大きさが調整されている。接地容量C2、C3は伝送線路L1の両端に接続されている。
【００２５】
図９は本発明に係る高周波スイッチの減衰量特性を示した図である。この場合、基本波の周波数はDCS帯およびPCS帯の送信帯域である1710MHz〜1910MHzを前提とした。伝送線路L2と容量C4からなる並列共振回路の減衰極を基本波の周波数の略３倍波で減衰極を持つように設定した。図９より２倍波、３倍波減衰量ともに40dB以上を実現できている。ここで従来の高周波スイッチ（図１５の回路）の減衰量特性を図１０に示した。従来の高周波スイッチと比較すると、本実施例の高周波スイッチにおける２倍波、３倍波減衰量はそれぞれ、10dB、20dB改善していることがわかる。また、基本波の周波数における挿入損失も従来の３次ローパスフィルタと比較して同等の特性が得られている。
【００２６】
図９の実施例では、伝送線路L2と容量C4からなる並列共振回路の共振周波数を基本波の周波数の略３倍波に設定したが、実際の携帯電話端末に組み込んだ場合には、２倍波、３倍波、…など、どの周波数が一番問題となるかは、パワーアンプのデザイン、周辺回路により状況が異なる。伝送線路L2と容量C4からなる並列共振回路の共振周波数を、状況に応じて変更することにより、携帯端末から発生する高調波発生量を効率良く抑制する事が可能である。
【００２７】
次に、図１に示した高周波スイッチの電気回路を具現化した、積層型高周波スイッチについて、図１３、図１４を参照して説明する。図１３は図１に示した電気回路を有した積層型高周波スイッチの積層図である。8hが最下層のシートであり順に8aまで積層したものである。
図１３の高周波スイッチは、伝送線路L1、L2、L3、L4の電極パターンを設けた誘電体シート8c、8d、8eと、広面積のグランド電極を設けた誘電体シート8f、8hと、容量C1、C2、C3、C4、C5の電極パターンを設けた誘電体シート8f、8gと、上面電極を設けた誘電体シート8aなどにて構成されている。図１３において各誘電体シート上に示す電極パターンL1、L2、L3、L4は、それぞれビアホールにて電気的に接続され、図１の高周波スイッチの電気回路を構成する。
【００２８】
以上の構成からなる各シート8a〜8hは積み重ねられ、一体的に焼成される。その後、積層体側面に側面電極１０を印刷し、更に電極焼成を行えば、図１４に示すような積層部品となる。図１４において長手奥の中央の端子がアンテナ用端子ANT、長手奥の左側の端子が電圧制御用端子Vc、長手手前の左側の端子が送信用端子Tx、長手手前の右側が受信用端子Rxであり、残りの端子はグランド端子に相当する。さらに積層体11の上面の電極には、それぞれダイオードD1、D2、抵抗Rcが半田付けされる。
【００２９】
こうして、図１に示した電気回路を具現化した表面実装タイプの積層型高周波スイッチが得られる。この積層型高周波スイッチは、一つの部品内に必要な回路が内蔵されており、小型化を図る事ができる。
【００３０】
（実施例３）
図５（ｂ）、図５（ｃ）は本実施例にかかる高周波スイッチの一実施例である。これらの高周波スイッチは、送受信回路２の回路構成が、実施例２で示した高周波スイッチと異なる。図５（ｂ）の送受信用スイッチ２ｂは、伝送線路L4が送信用端子とローパスフィルタ1の接続点に接続され、グランドに接地されている。また図５（ｃ）の送受信用スイッチ２ｃは、伝送線路L4がダイオードD1のカソードとローパスフィルタ1の接続点に接続され、グランドに接地されている。
【００３１】
図５（ｂ）において、電圧制御用端子Vcに正電圧を印加した場合、伝送線路L1、L2、L4を経由してバイアス電流が流れ、ダイオードD1、D2がON状態となる。図５（ｃ）においても同様に、電圧制御用端子Vcに正電圧を印加した場合、伝送線路L4を経由してバイアス電流が流れ、ダイオードD1、D2がON状態となる。したがって、図５（ｂ）、図５（ｃ）ともに図５（ａ）と同様に問題なく送受信の切り換え動作が可能である。
【００３２】
しかしながら、伝送線路L4の接続を変更すると、通過帯域の反射ズレが起きるため、伝送線路L4の長さ、接地容量C2、C3の大きさなどを変更する事により、通過帯域におけるインピーダンスを50Ωへ整合させる必要がある。
例えば、基本波の周波数をDCS帯およびPCS帯の送信帯域である1710MHz〜1910MHzを前提とした場合、実施例２で示した回路における伝送線路L4の長さ、接地容量C2、C3は図５（ａ）に示す様に、それぞれ、８ｍｍ、２ｐＦ、３ｐＦであった。これに対して図５（ｂ）の回路に関しては、伝送線路L4の長さ、接地容量C2、C3はそれぞれ、２０ｍｍ、１．５ｐＦ、１．８ｐＦであった。また図５（ｃ）の回路に関しては、伝送線路L4の長さ、接地容量C2、C3はそれぞれ、１５ｍｍ、２．０ｐＦ、１．２ｐＦであった。なお、図５（ａ）〜（ｃ）において、伝送線路L1、L2、L3および容量C1、C4、C5は変更していない。
【００３３】
図５（ａ）〜（ｃ）のいずれの回路においても、挿入損失特性、減衰量特性はほぼ同等であり実使用上問題ないレベルである。しかしながら、伝送線路L4の長さに関しては、図５（ａ）が８ｍｍと一番短くでき、他の図５（ｂ）、図５（ｃ）と比較して４０％〜５３％も小型化が可能であることがわかる。
【００３４】
図５（ｂ）、図５（ｃ）では入出力端子を５０Ωに整合させる必要があるため、伝送線路L4の電気長を通過帯域の信号のλ/4に設定し、接続点からみたグランドのインピーダンスをオープンに設定する必要がある。これに対し、図５（ａ）では必ずしもλ/4の電気長である必要はなく、伝送線路L4がλ/4以下の長さでグランドに対するインピーダンスが有限の値になった（オープンではない）場合でも、容量C3の値を調整することにより、ローパスフィルタ１の入出力インピーダンスを５０Ωに調整可能である。以上の理由により、伝送線路L4が最も小型化可能であることがわかる。
【００３５】
以上本実施例により、スイッチ回路を構成する伝送線路L4を、ローパスフィルタを構成する伝送線路L1、L2の接続点の間に接続する事により、伝送線路L4の長さが短縮可能となり、高周波スイッチの更なる小型化を図る事ができる。
【００３６】
（その他の実施例）
本発明にかかるローパスフィルタおよびこれを用いた高周波スイッチは、以上の実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更する事ができる。例えば、以下の様な事例が挙げられる。
【００３７】
図３に示すように送信側のダイオードD1に並列に伝送線路L5、容量C6を接続した回路を採用する事により、ダイオードD1のOFF時のアイソレーションを向上できる。この回路によれば、受信モード時の送信用端子Txからアンテナ用端子ANTのアイソレーションを向上できる。
【００３８】
図４に示すようにダイオードD1、D2のカソードとアノードを逆にするとともに、電圧制御用端子Vc1、Vc2に印加する電位を変更する。送信モードの時にはVc1を正電圧、Vc2を接地電位に設定し、受信モードの時にはVc1を接地電位、Vc2を正電圧に設定する事により、送受信切り換えを行う。
【００３９】
図６（ａ）に示すように高周波スイッチに関して、アンテナ用端子ANT、ローパスフィルタ１が接続される送信用端子Txのほかに複数の信号入出力用端子P1、P2、…を有する高周波スイッチ（図６（ａ））も考えられる。この場合スイッチング素子として、PINダイオードスイッチを用いる事も可能であるが、GaAs電界効果トランジスタSP3T(Single Pole 3 Throw)、SP4T(Single Pole 4 Throw)などを利用する事により、更なる小型化が可能である。
【００４０】
高周波スイッチ前後の整合条件によっては、図６（ｂ）に示すようにローパスフィルタ１の接続方向が逆である高周波スイッチも有効である。ローパスフィルタ１の伝送線路L1および容量C1からなる第１の並列共振回路は、接地容量C2、C3が接続されるため、低インピーダンス側への調整が可能である。一方、伝送線路L2および容量C4からなる第２の並列共振回路は接地容量が接続されていないため、高インピーダンス側への調整が可能である。これにより、アンテナ用端子ANT側が高インピーダンス、送信用端子Txが低インピーダンスの場合は、ローパスフィルタ１の図６（ｂ）の方向が望ましく、逆にアンテナ用端子ANT側が低インピーダンス、送信用端子Txが高インピーダンスの場合は、ローパスフィルタ１の図６（ａ）の方向が望ましい。
【００４１】
また、本発明のローパスフィルタおよびこれを用いた高周波スイッチを構成する伝送線路および容量の一部を高周波チップインダクタ、高周波チップコンデンサなどを使用してもよいことは言うまでもない。さらに高周波スイッチを構成する送受信用切り換え回路のスイッチング素子としてダイオード以外にも、可変容量ダイオード、バイポーラトランジスタ、電解効果トランジスタなどを用いてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、ローパスフィルタを構成する第１の並列共振回路の共振周波数を、通過帯域の２倍波と略等しい周波数に設定し、第2の並列共振回路の共振周波数を通過帯域のｎ倍波（ｎ＝２，３，４、…）と略等しい周波数に設定する事により、パワーアンプより発生する高調波発生量を効率良く抑制する事が可能であり、さらに本発明のローパスフィルタを内蔵することにより、挿入損失特性および減衰量特性が良好で小型化が可能な高周波スイッチを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明である高周波スイッチの１例を示す図である。
【図２】 本発明であるローパスフィルタの１例を示す図である。
【図３】 本発明である高周波スイッチの１例を示す図である。
【図４】 本発明である高周波スイッチの１例を示す図である。
【図５】 本発明である高周波スイッチの１例を示す図である。
【図６】 本発明である高周波スイッチの１例を示す図である。
【図７】 本発明であるローパスフィルタの減衰量特性の１例を示す図である。
【図８】 従来技術によるローパスフィルタの減衰量特性を示す図である。
【図９】 本発明である高周波スイッチの減衰量特性の１例を示す図である。
【図１０】 従来技術による高周波スイッチの減衰量特性を示す図である。
【図１１】 本発明であるローパスフィルタの電気回路を有した積層型ローパスフィルタの積層図である。
【図１２】 本発明であるローパスフィルタの電気回路を有した積層型ローパスフィルタの積層部品斜視図である。
【図１３】 本発明である高周波スイッチの電気回路を有した積層型高周波スイッチの積層図である。
【図１４】 本発明である高周波スイッチの電気回路を有した積層型高周波スイッチの積層部品斜視図である。
【図１５】 従来技術による高周波スイッチを示す図である。
【図１６】 従来技術による５次ローパスフィルタを示す図である。
【符号の説明】
ＡＮＴ：アンテナ用端子
Ｔｘ：送信用端子
Ｒｘ：受信用端子
Ｐ１、Ｐ２：信号入出力端子
Ｖｃ、Ｖｃ１、Ｖｃ２：電圧制御用端子
Ｄ１、Ｄ２：ダイオード
Ｒｃ：抵抗
Ｌ１〜Ｌ５：伝送線路、インダクタまたはチョークコイル
Ｃ１〜Ｃ６：容量
１、５、６：ローパスフィルタ
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、３、４、９：送受信用切り換えスイッチ
７ａ〜７ｊ、８ａ〜８ｈ：誘電体シート
１０：側面端子
１１：積層体

Claims (1)

1. 少なくとも２つのスイッチング素子を有した送受信用スイッチ回路と、前記送受信用スイッチ回路の送信側経路に電気的に接続されたローパスフィルタを備え、前記ローパスフィルタは、直列に接続された第３の並列共振回路および第４の並列共振回路と、前記第３の並列共振回路の両端に接続された、第３の接地容量および第４の接地容量から構成され、前記第３の並列共振回路の共振周波数を通過帯域の２倍波と略等しい周波数に設定し、前記第４の並列共振回路の共振周波数を通過帯域のｎ倍波（ｎ＝２，３，４、…）と略等しい周波数に設定し、前記送受信用スイッチ回路が、送信側に第１のダイオードと第１の伝送線路を有するとともに、受信側に第２のダイオードと第２の伝送線路を有し、前記第１の伝送線路は、前記第３の並列共振回路と第４の並列共振回路の接続点と、接地導体との間に接続されたことを特徴とする高周波スイッチ。

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