JP4276111B2 - アンテナスイッチ回路 - Google Patents

Description

本発明は、送受信信号の通過周波数帯域と送受信経路を切り替えるアンテナスイッチ回路に関する。

図１３は、帯域の異なる２つの通過周波数帯域の切り替え機能を有する従来のアンテナスイッチ回路の一例である。図１４は、図１３に示すアンテナスイッチ回路の半導体スイッチ素子切替論理である。図１３に示すように、アンテナ端子１０（ＡＮＴ）はダイプレクサ１の共通端子に接続され、第１の周波数帯域（以下、低域側周波数帯域または単に低域側という）に対して通過特性を示すローパスフィルタ３（ＬＰＦ）を介して送信用半導体スイッチ素子５（ＳＷ１）、受信用半導体スイッチ素子６（ＳＷ２）を経由してそれぞれ低域側送信端子１３（ＴＸ１）、低域側受信端子１４（ＲＸ１）に接続している。また、第二の周波数帯域（以下、高域側周波数帯域または単に高域側という）に対して通過特性を示すバンドパスフィルタ４（ＢＰＦ）を介して、送信用半導体スイッチ素子７（ＳＷ３）、受信用半導体スイッチ素子８（ＳＷ４）を経由してそれぞれ高域側送信端子１５（ＴＸ２）、高域側受信端子１６（ＲＸ２）に接続している。半導体スイッチ素子による切り替えは、例えばガリウム砒素からなる電界効果トランジスタのドレイン−ソース電極間の導通をゲート電圧で制御する方法、あるいはＰＩＮダイオードへの順方向バイアス電流でアノード・カソード間の導通を制御するなどの方法がとられている。

このようなアンテナスイッチ回路は、携帯電話端末において、低域側周波数帯域として８８０〜９６０ＭＨｚを使用するＧＳＭシステム、高域側周波数帯域として１７１０〜１８８０ＭＨｚを使用するＤＣＳシステムの切り替えに使用されている。この種のアンテナスイッチ回路では、低域側周波数帯域の信号は、ローパスフィルタ３を低損失で通過し、バンドパスフィルタ４は充分な減衰特性を示す。一方高域側周波数帯域の信号は、バンドパスフィルタ４を低損失で通過し、ローパスフィルタ３は充分な減衰特性を示すように構成されている。

図９は一般的なダイプレクサ１の回路図である。図９に示すようにＬ１、Ｃ１、Ｌ２、Ｃ２の各リアクタンス素子によって８８０〜９６０ＭＨｚ帯に対して通過特性を示すローパスフィルタ３を構成し、Ｃ３、Ｃ４、Ｌ３、Ｃ５、Ｌ４、Ｃ６の各リアクタンス素子によって１７１０〜１８８０ＭＨｚ帯に対して通過特性を示すバンドパスフィルタ４を構成している。また、Ｃ１とＬ１によって１７１０〜１８８０ＭＨｚ帯に合わせた並列共振回路を形成し、その帯域内に減衰極を発生させるように構成すると、第一の入出力端子１１側に１７１０〜１８８０ＭＨｚ帯の信号が漏洩することを抑圧すると同時に、この並列共振回路は８８０〜９６０ＭＨｚ帯の２倍高調波にあたる１７６０〜１８３０ＭＨｚ帯の信号に対して通過を抑圧する機能を果たすため、低域側周波数帯域の信号の送信時の第一の入出力端子１１からアンテナ端子１０への導通時に、２倍高調波の通過を抑圧する効果も有することになる。

一方、Ｃ６とＬ４によって８８０〜９６０ＭＨｚ帯に合わせた直列共振回路を形成し、その帯域内に減衰極を発生させるように構成すると、第二の入出力端子１２側に８８０〜９６０ＭＨｚ帯の信号が漏洩することを抑圧する。同じくＬ３、Ｃ３によって構成される並列共振回路によって１７１０〜１８８０ＭＨｚの送信周波数の２倍高調波にあたる３４２０〜３５７０ＭＨｚの帯域に減衰極を発生させるように構成すると、第２の入出力端子１２からアンテナ端子１０への導通時に２倍高調波の通過を抑圧する効果も有することになる。

このようにダイプレクサの通過特性は、低域側送信端子１３または高域側送信端子１５とアンテナ端子１０を導通状態に設定した場合、送信端子に接続される前段のパワーアンプ（図示せず）等から発生する高調波成分、あるいは半導体スイッチ回路２に使用されている半導体スイッチ素子の非線型歪により発生する高調波成分を低減する機能も備えている。しかし、半導体スイッチ素子切替論理は図１４に示すように、特定の導通経路に対応する半導体スイッチ素子のみを導通状態に設定し、例えば低域側送信端子１３をアンテナ端子１０に接続する場合は、送信用半導体スイッチ素子５（ＳＷ１）のみが導通状態であり、未接続端子とアンテナ端子間のアイソレーション特性を確実にするために他の半導体スイッチ素子（ＳＷ２〜ＳＷ４）は、通常は非導通状態に保持されることになる。

このように、ダイプレクサ１単独の通過特性はローパスフィルタ３、バンドパスフィルタ４それぞれのフィルタの構成において、ダイプレクサ１の第一の入出力端子１１、第二の入出力端子１２に接続される入出力負荷インピーダンスが設計通りの特性インピーダンス（例えば５０Ω）では図１１のような周波数特性を示すものの、低域側送信端子１３とアンテナ端子１０が導通と設定する場合、図１４に示すスイッチ素子切替論理に従うと、高域側送信半導体スイッチ素子７、高域側受信半導体スイッチ素子８は共に非導通状態となり、第二の入出力端子１２の負荷インピーダンスは高インピーダンス状態となってしまう。このような条件下では、第二の入出力端子１２の負荷インピーダンスが特性インピーダンスに近似した状態では発生しない副共振が所望外の周波数帯に発生してしまう。例えば、第二の入出力端子１２が高インピーダンスとなると、ローパスフィルタ３およびバンドパスフィルタ４の構成素子に起因する直列共振によって、図１２に示すように１３００ＭＨｚ付近に不要な減衰極が顕在化し、この減衰極の影響により、８８０〜９６０ＭＨｚ帯の２倍高調波に相当する周波数帯域１９（１７６０〜１８３０ＭＨｚ）で、減衰特性が劣化してしまう。図１１に示すこの周波数帯域の減衰特性と比較して減衰特性が悪化していることがわかる。

なお、低域側送信端子１３とアンテナ端子１０が導通状態となる場合、高域側周波数帯域の第二の入出力端子１２に接続される半導体スイッチ素子を導通状態に設定する技術が開示されているが（特許文献１）、この半導体スイッチ素子を導通状態としても第二の入出力端子１２に接続される受信あるいは送信回路のインピーダンスは、低域側周波数帯域の送信信号の２倍高調波に対してアンテナスイッチ回路単独では定まらないため、高域側送信波に対する２倍高調波の減衰特性は悪化してしまっていた。
特開２００２−１９８８５６号公報

本発明は上記問題点を解決するため、アンテナスイッチ素子として通過周波数帯域間および送受信経路間のアイソレーション特性を犠牲にすることなく、送信モードにおけるダイプレクサの高調波減衰特性を改善することによって、前段に接続されるパワーアンプ等から発生する高調波成分、あるいは半導体スイッチ素子の非線型歪により発生する高調波成分を低減したアンテナスイッチ回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本願請求項１に係る発明は、低域側の第一の周波数帯域及び高域側の第二の周波数帯域の信号を送受信するアンテナに接続するアンテナ端子と、前記第一の周波数帯域の信号の第一の入出力端子と、前記第二の周波数帯域の信号の第二の入出力端子とを備えた前記第一の周波数帯域及び前記第二の周波数帯域に分波して信号を通過させるダイプレクサと、前記第一の入出力端子と前記第一の周波数帯域の信号の送信端子または受信端子のいずれかと接続する経路を切り替える複数の半導体スイッチ素子と、前記第二の入出力端子と前記第二の周波数帯域の信号の送信端子または受信端子のいずれかと接続する経路を切り替える複数の半導体スイッチ素子とを備えた半導体スイッチ回路とから構成し、通過周波数帯域および送受信の切り替えを行うアンテナスイッチ回路において、前記第二の入出力端子と接地端子間に接地用半導体スイッチ素子を接続し、前記第一の周波数帯域の信号の送信端子と前記アンテナ端子が導通状態のとき、前記接地用半導体スイッチ素子が導通状態となり、前記第二の入出力端子が接地電位に短絡することを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項1記載のアンテナスイッチ回路において、前記第二の入出力端子と接地端子間に前記接地用半導体スイッチ素子を接続する代わりに、前記第二の周波数帯域の信号の送信端子または受信端子と接地端子間に別の接地用半導体スイッチ素子を接続し、前記第一の周波数帯域の送信端子とアンテナ端子が導通状態のとき、前記接地用半導体スイッチ素子が接続する前記送信端子または受信端子に接続する前記半導体スイッチ素子が導通状態になると共に、前記接地用半導体スイッチ素子が導通状態となり、前記第二の入出力端子が接地電位に短絡することを特徴とするものである。

本発明のアンテナスイッチ回路は、半導体スイッチ素子の回路構成と切替論理の適切な設定により、ダイプレクサの周波数特性を改善し、送信時に発生する高調波の抑圧を図ることができた。本発明のアンテナスイッチ回路は、半導体スイッチ素子、または半導体スイッチ素子及びインピーダンス素子を接続するだけで構成でき、大きな回路構成を必要としない点で利点が大きい。

本発明のアンテナスイッチ回路を携帯電話端末で利用されるＧＳＭシステム（８８０〜９６０ＭＨｚ）とＤＣＳシステム（１７１０〜１８８０ＭＨｚ）の２つの周波数帯域の通信システムに適用したところ、低域側（ＧＳＭシステム）の送信信号の２倍高調波帯域で１０ｄＢの特性改善が達成できた。

以下、本発明の実施例について説明する。なお本発明のアンテナスイッチ回路は、ダイプレクサと半導体スイッチ回路とから構成しているが、これらをそれぞれ個別素子の組合せで構成しても良いし、同一半導体基板上に一体化して構成しても良い。

図１に本発明の第１の実施例であるアンテナスイッチ回路のブロック図を示す。このアンテナスイッチ回路は、低域側ではアンテナ端子１０がダイプレクサ１の共通端子に接続し、ローパスフィルタ３（ＬＰＦ）および第一の入出力端子１１を介し、送信用半導体スイッチ素子５（ＳＷ１）または受信用半導体スイッチ素子６（ＳＷ２）を経由してそれぞれ低域側送信端子１３（ＴＸ１）、低域側受信端子１４（ＲＸ１）に接続している。また高域側でも同様に、アンテナ端子１０がダイプレクサ１の共通端子に接続し、バンドパスフィルタ４（ＢＰＦ）および第二の入出力端子１２を介し、送信用半導体スイッチ素子７（ＳＷ３）または受信用半導体スイッチ素子８（ＳＷ４）を経てそれぞれ高域側送信端子１５（ＴＸ２）または高域側受信端子１６（ＲＸ２）に接続している。なお、高域側の周波数帯域用フィルタは、バンドパスフィルタの代わりにハイパスフィルタを用いても良い。

本実施例では従来例と異なり、バンドパスフィルタ４（ＢＰＦ）に接続する第二の入出力端子１２と接地端子１７間に接地用半導体スイッチ素子９ａ（ＳＷ５）を接続している。図２はアンテナスイッチ回路２内部の半導体スイッチ素子を制御する切替論理を示したものである。送信信号が低域側送信端子１３を経てアンテナ端子１０に供給される送信時に、送信用半導体スイッチ５（ＳＷ１）と接地用半導体スイッチ素子９ａ（ＳＷ５）が同期して共に導通状態（オン状態）となるよう設定している。

このように構成した半導体スイッチ回路の動作について、低域側周波数帯域として８８０〜９６０ＭＨｚを使用するＧＳＭシステム、高域側周波数帯域として１７１０〜１８８０ＭＨｚを使用するＤＣＳシステムに適用した場合について説明する。なお、ダイプレクサの内部回路は図９に示す従来実施例と同じで、素子構成および動作の詳細は前述してあり、ここでは省略する。

低域側送信端子１３（ＴＸ１）から供給される８８０〜９１５ＭＨｚの周波数帯域のＧＳＭ送信信号は、導通状態である送信用半導体スイッチ素子５（ＳＷ１）とダイプレクサ１内のローパスフィルタ３（ＬＰＦ）を経由し、低損失でアンテナ端子１０（ＡＮＴ）に供給される。図１０は本実施例における低域側送信端子１３（ＴＸ１）とアンテナ端子１０（ＡＮＴ）間が導通したときの周波数特性である。図１０に示すように、ＧＳＭ送信信号の２倍高調波に該当する周波数帯域１９（１７６０〜１９３０ＭＨｚ）の２倍高調波量はＬ１とＣ１による並列共振回路で発生する１８００ＭＨｚ付近の減衰極によって、十分に抑制され、アンテナ端子１０（ＡＮＴ）へ漏洩していない。さらに、第二の入出力端子１２は接地用半導体スイッチ素子９ａ（ＳＷ５）によって接地電位に短絡されるため、図１２に示す従来実施例で発生したような１３００ＭＨｚ付近の減衰極も解消している。この結果、ＧＳＭ送信信号の２倍高調波帯域、特に１７６０ＭＨｚの減衰特性は、図１０と図１２を比較してわかるように、従来回路では２１ｄＢの減衰量であったものが本発明の実施例では３１ｄＢとなり、１０ｄＢの改善を実現することができた。

次に第２の実施例について説明する。図３に第２の実施例のアンテナスイッチ回路のブロック図を示す。第１の実施例で説明した接地用半導体スイッチ素子９ａ（ＳＷ５）に代えて、高域側受信端子１６（ＲＸ２）と接地端子１７間に、別の接地用半導体体スイッチ素子９ｂ（ＳＷ６）を接続している。図４にスイッチ素子切替論理に示すように、送信用半導体スイッチ素子５（ＳＷ１）の導通状態に同期して受信用半導体スイッチ素子８（ＳＷ４）、接地用半導体スイッチ素子９ｂ（ＳＷ６）を同時に導通状態（オン状態）にすることによって、第二の入出力端子１２を接地電位に短絡し、実施例1と同じ結果を得ている。なお、接地用半導体スイッチ素子９ｂ（ＳＷ６）は、高域側受信端子１６（ＲＸ２）と接地端子１７間に接続する代わりに、高域側送信端子１５（ＴＸ２）と接地端子１７間に接続しても良い。この場合には送信用半導体スイッチ素子５（ＳＷ１）の導通状態に同期して、送信用半導体スイッチ素子７（ＳＷ３）、接地用半導体スイッチ素子９ｂ（ＳＷ６）を同時に導通状態に設定すれば良い。

図５は第３の実施例のアンテナスイッチ回路のブロック図である。図３においてダイプレクサ１と半導体スイッチ回路２の構成、および図６に示す半導体スイッチ素子切替論理は前述した第１の実施例の図１、図２と同様であるが、接地用半導体スイッチ素子９ａ（ＳＷ５）と接地端子１７間に、インピーダンス素子１８を直列に挿入している点で相違する。半導体スイッチ素子の構成や実装手段に応じて、この挿入されたインピーダンス素子１８のインピーダンス値を調整することで、バンドパスフィルタ４の第二の出力端子１２に接続される負荷インピーダンスを最適化する。その結果、ダイプレクサ１の第２の出力端子１２が接地電位に終端し、ＧＳＭ送信周波数の２倍高調波抑圧特性を改善することができる。

図７は第４の実施例のアンテナスイッチ回路のブロック図である。図４においてダイプレクサ１と半導体スイッチ回路２の構成、および図６に示す半導体スイッチ素子の切替論理は前述した第２の実施例の図３、図４と同様であるが、接地用半導体スイッチ素子９ｂ（ＳＷ６）と接地端子１７間にインピーダンス素子１８を直列に挿入している点で相違する。半導体スイッチ素子の構成や実装手段に応じて、この挿入されたインピーダンス素子１８のインピーダンス値を調整することで、バンドパスフィルタ４の第二の出力端子１２に接続される負荷インピーダンスを最適化する。その結果、ダイプレクサ１の第２の出力端子１２が接地電位に終端し、ＧＳＭ送信周波数の２倍高調波抑圧特性を改善することができる。

本発明の第１の実施例に係るアンテナスイッチ回路のブロック図である。 本発明の第１の実施例に係るアンテナスイッチ回路のスイッチ素子切替論理である。 本発明の第２の実施例に係るアンテナスイッチ回路のブロック図である。 本発明の第２の実施例に係るアンテナスイッチ回路のスイッチ素子切替論理である。 本発明の第３の実施例に係るアンテナスイッチ回路のブロック図である。 本発明の第３の実施例に係るアンテナスイッチ回路のスイッチ素子切替論理である。 本発明の第４の実施例に係るアンテナスイッチ回路のブロック図である。 本発明の第４の実施例に係るアンテナスイッチ回路のスイッチ素子切替論理である。 一般的なダイプレクサの回路図である。 本発明の実施例における低域側周波数特性である。 ダイプレクサ単独での低域側周波数特性（特性インピーダンスで終端）である。 従来例における低域側周波数特性である。 従来のアンテナスイッチ回路のブロック図である。 従来のアンテナスイッチ回路のスイッチ素子切替論理である。

符号の説明

１：ダイプレクサ、２：半導体スイッチ回路、３：ローパスフィルタ、４：バンドパスフィルタ、５：低域側送信用半導体スイッチ素子、６：低域側受信用半導体スイッチ素子、７：送信用半導体スイッチ素子、８：高域側受信用半導体スイッチ素子、９ａ：接地用半導体スイッチ素子、９ｂ：別の接地用半導体スイッチ素子、１０：アンテナ端子、１１：第一の入出力端子、１２：第二の入出力端子、１３：低域側送信端子、１４：低域側受信端子、１５：高域側送信端子、１６：高域側受信端子、１７：接地端子、１８：インピーダンス素子、１９：ＧＳＭ送信信号の２倍高調波に該当する周波数帯域

Claims (2)

1. 低域側の第一の周波数帯域及び高域側の第二の周波数帯域の信号を送受信するアンテナに接続するアンテナ端子と、前記第一の周波数帯域の信号の第一の入出力端子と、前記第二の周波数帯域の信号の第二の入出力端子とを備えた前記第一の周波数帯域及び前記第二の周波数帯域に分波して信号を通過させるダイプレクサと、前記第一の入出力端子と前記第一の周波数帯域の信号の送信端子または受信端子のいずれかと接続する経路を切り替える複数の半導体スイッチ素子と、前記第二の入出力端子と前記第二の周波数帯域の信号の送信端子または受信端子のいずれかと接続する経路を切り替える複数の半導体スイッチ素子とを備えた半導体スイッチ回路とから構成し、通過周波数帯域および送受信の切り替えを行うアンテナスイッチ回路において、
   前記第二の入出力端子と接地端子間に接地用半導体スイッチ素子を接続し、前記第一の周波数帯域の信号の送信端子と前記アンテナ端子が導通状態のとき、前記接地用半導体スイッチ素子が導通状態となり、前記第二の入出力端子が接地電位に短絡することを特徴とするアンテナスイッチ回路。
2. 請求項１記載のアンテナスイッチ回路において、
   前記第二の入出力端子と接地端子間に前記接地用半導体スイッチ素子を接続する代わりに、前記第二の周波数帯域の信号の送信端子または受信端子と接地端子間に別の接地用半導体スイッチ素子を接続し、前記第一の周波数帯域の送信端子とアンテナ端子が導通状態のとき、前記接地用半導体スイッチ素子が接続する前記送信端子または受信端子に接続する前記半導体スイッチ素子が導通状態になると共に、前記接地用半導体スイッチ素子が導通状態となり、前記第二の入出力端子が接地電位に短絡することを特徴とするアンテナスイッチ回路。

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