JP4768821B2 - 高周波スイッチ - Google Patents

Description

本発明は高周波(Radio Frequency：ＲＦ)スイッチに関するもので、特に時分割複信(Time Division Duplex：以下、“ＴＤＤ”と称する)方式のシステムにおける信号送受信端の送受信信号の切り替えのためのスイッチに適合したＲＦスイッチに関する。

第２及び第３世代移動通信システムは、主にＦＤＤ(Frequency Division Duplex)方式を使用してきた。ＦＤＤ方式において、送信信号と受信信号の分離は、デュプレクサ(duplexer)によってなされる。しかしながら、最近の第３.５及び第４世代移動通信システムは、主にＴＤＤ方式を使用することと予想される。

ＴＤＤ方式をはじめとして時分割伝送方式は、同一の周波数を時分割して送受信用に区分して使用するもので、１個のフレーム内部を送信用と受信用に分割して1個の周波数で両方向通信をする方式である。

図１は、一般的なＴＤＤシステムの送受信端のブロック構成図である。図１に示すように、送信信号は、第１の送信フィルタ３０を通じて電力増幅器４０で適切に設定された電力に増幅された後、第２の送信フィルタ５０で更にフィルタリングされてから、送受信切り替えスイッチ１０を経てアンテナ６０を介して放射される。これに対して、アンテナ６０から受信された受信信号は、送受信切り替えスイッチ１０を通過した後に、受信フィルタ２０を通じて受信帯域のみが通過される。このとき、切り替えスイッチ１０は、送信及び受信動作により制御部(図示せず)から受信されるスイッチング制御信号によってスイッチング動作を遂行することができる。

このＴＤＤシステムでは、同一の周波数を用いて定められた時間周期で送信と受信を分離するため、高速の送受信切り替え用ＲＦスイッチが必ず必要である。

ＲＦスイッチは、高速のスイッチング動作が要求されるため、機械的スイッチ(mechanical switch)よりはＰＩＮダイオード又はＦＥＴ(Field Effect Transistor)のような半導体素子を用いるスイッチを使用する。しかしながら、このような半導体素子を用いるスイッチは、半導体が大電力(high power)に脆弱であるため、大電力用として使用することが難しい。

言い換えれば、大電力が印加される場合に、多くの熱が発生するので、放熱性に優れないと、スイッチが破壊される。それにより、大電力に耐えることができるように開発されるＲＦスイッチは、別途の冷却器などを備えるべきであるため、高コストになり、かつ製造が容易でないため、軍事用のみとして制限的に使われている。

これを解決するために、通常のＴＤＤシステムでは、ＲＦスイッチの代わりにサーキュレータを用いて固定的に送信信号と受信信号を分離する方案を採用した。しかしながら、サーキュレーターの使用は、受信中に送信信号を遮断するためのアイソレーション(isolation)を十分に確保することが難しく、アンテナに問題が発生してオープン状態となる場合に、送信信号が受信器に流入されてシステムに障害を発生させ、あるいは受信信号の品質を格段に低下させるという問題点を有する。

したがって、上記したような従来技術の問題点を解決するために、本発明の目的は、送信端と受信端との間のアイソレーションを十分に確保するためのＴＤＤシステム用の送受信切り替え用に適合した高周波スイッチを提供することにある。

本発明の他の目的は、アンテナのオープン時に送信電力が受信端に流入されることを防止するためのＴＤＤシステム用の送受信切り替えに適合した高周波スイッチを提供することにある。

また、本発明の目的は、半導体素子を使用するが、大電力でも安定に動作できるように放熱性に優れた高周波スイッチを提供することにある。

さらに、本発明の目的は、ＭＩＣ(Microwave Integrated Circuit)形態にも容易に製造するための高周波スイッチを提供することにある。

本発明の目的は、移動通信周波数帯域だけでなく、数十GHz以上の高周波帯域でも使用可能な高周波スイッチを提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明は、第１のスロットラインと第２のスロットラインに分けられ、各端部に開放終端回路が形成されるスロットラインと、第１のスロットラインとの信号伝送を遂行する第１の伝送ラインと、第２のスロットラインとの信号伝送を遂行する第２の伝送ラインと、第１のスロットラインと第２のスロットラインとの両分地点と信号の伝送を遂行する第３の伝送ラインと、外部スイッチング制御信号により、第１のスロットライン又は第２のスロットラインに選択的に接続される少なくとも一つの開放終端回路を備える可変補助開放終端回路部とを含む高周波スイッチを提供する。

本発明による時分割伝送システムの送受信切り替えスイッチ装置は、送受信経路間のアイソレーションを十分に確保することができる効果を有する。

本発明は、アンテナのオープン時にも送信電力が受信端に全反射されて流入されることを顕著に減少させることができる。

そして、本発明は、十分なグラウンド板を有するスロットラインを介して送信信号が伝送されるため、半導体素子を用いて高速のスイッチングが可能であり、かつ大電力で使用できる効果を有する。

また、本発明は、ＭＩＣ形態にも容易に適用可能であるため、一般の半導体工程で製造することができる効果を有する。

本発明は、移動通信周波数帯域だけでなく数十GHz以上の高周波帯域でも使用可能であるため、衛星通信、軍事用レーダーなどに容易に適用できる効果がある。

以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。

下記に、具体的な構成素子のような特定事項を説明するが、これは、本発明のより全般的な理解のために提供されることであって、本発明の範囲内で所定の変形や変更が可能であることは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には自明である。

図２は、本発明の第１の実施形態によるＴＤＤシステム用の送受信切り替えのための高周波スイッチの印刷回路基板上の回路パターンの一面(便宜上、“平面”と称する)を示す構成図である。図３は、図２に示す印刷回路基板の回路パターンの他面(便宜上、“底面”と称する）を示す構成図である。各部分のサイズ及び形状は、説明の便宜のために、多少誇張または単純化した。図２及び図３を参照すると、本発明の一実施形態による高周波スイッチ１０は、全体的に一つの印刷回路基板上に適切なパターンを有するように形成されたマイクロストリップライン及びスロットラインで構成しても良い。すなわち、本発明の高周波スイッチ１０は、まず、第１のスロットライン１２１と第２のスロットライン１２２に分けられ、各端部に開放終端回路１２１ａ，１２２ａが形成されたスロットライン１２１，１２２を誘電体基板１００の下側に形成する。また、誘電体基板１００の上側には、第１のスロットライン１２１と第２のスロットライン１２２の端部と各々交差し、マイクロストリップ−スロットラインカップリングがなされるように第１及び第２のマイクロストリップライン１１１，１１２が形成される。そして、第３のマイクロストリップライン１１３は、マイクロストリップ-スロットラインカップリングがなされるように、第１のスロットライン１２１と第２のスロットライン１２２との両分地点に形成される。

また、本発明の高周波スイッチ１０は、スイッチング制御信号ＣＴＬにより、第１又は第２のスロットライン１２１，１２２に選択的に接続される少なくとも一つ以上の開放終端回路を備える可変補助開放終端回路部を形成する。可変補助開放終端回路(variable sub open-end circuit)部は、図２及び図３に示すように、第１のスロットライン１２１に接続される第１の補助開放終端回路１２１ｂと、第２のスロットライン１２２に接続される第２の補助開放終端回路１２２ｂとからなる補助開放終端回路と、スイッチング制御信号ＣＴＬにより第１又は第２の補助開放終端回路１２１ｂ，１２２ｂが該当する第１又は第２のスロットライン１２１，１２２との接続経路を相互排他的に形成するスイッチング回路とを含む。スイッチング回路は、スイッチング制御信号により各第１又は第２の補助開放終端回路１２１ｂ，１２２ｂと該当する第１又は第２のスロットライン１２１，１２２との接続部分のギャップを選択的に短絡させるように装着される第１及び第２のスイッチング素子、すなわち第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２で構成しても良い。

このような構成を有する高周波スイッチ１０において、第１〜第３のマイクロストリップライン１１１，１１２，１１３は、高周波スイッチ１０の第１〜第３のポート１，２，３を形成する。第１のポート１又は第２のポート２は、スイッチング制御信号ＣＴＬにより第３のポート３に選択的に接続される。

第１〜第３のマイクロストリップライン１１１，１１２，１１３とスロットライン１２１，１２２は適切な誘電率を有する誘電体基板１００の上下側に形成する。誘電体基板１００の下側は、グラウンド板１３０ａ，１３０ｂからなり、ここにスロットライン１２１，１２２を形成する。スロットライン１２１、１２２の開放終端回路１２１ａ，１２２ａ、及び第１及び第２の補助開放終端回路１２１ｂ，１２２ｂは円状に形成し、その内部を除去して空にする。このとき、グラウンド板１３０ａ，１３０ｂは、図３に示すように、相互に電気的に分離されるように構成される。

第１〜第３のマイクロストリップライン１１１，１１２，１１３の終端にも、開放終端又は短絡終端回路を備える。本発明では、短絡終端回路１１１ａ，１１２ａ，１１３ａを備える。すなわち、図６に示すように、短絡終端回路１１１ａ，１１２ａ，１１３ａは、終端に円状の孔を形成し、その内部を適切な導電性メッキ剤１１５でメッキ処理することによって、底面の接地板１３０ｂに接続される。

また、第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２は、各々第１又は第２の補助開放終端回路１２１ｂ，１２２ｂと該当する第１又は第２のスロットライン１２１，１２２との接続部分のギャップを選択的に横切って装着され、制御部(図示せず)からスイッチング制御信号ＣＴＬ、すなわちバイアス電圧を印加可能なようにする。このとき、第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２のオン/オフ動作は相互排他的に遂行される。この第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２の相互排他的なオン/オフ動作に従って、第１のスロットライン１２１又は第２のスロットライン１２２が選択的に該当する補助開放終端回路に接続される。

図４は図３に示すダイオード接合部分の詳細構成図であり、図５は図４の等価回路図である。図４及び図５を参照して、第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２のオン/オフスイッチング動作及び第１のスロットライン１２１又は第２のスロットライン１２２が選択的に該当する補助開放終端回路に接続されることについて、より詳細に説明する。第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２は、各々第１のスロットライン１２１又は第２のスロットライン１２２が第１又は第２の補助開放終端回路１２１ｂ、１２２ｂに接続される部分のギャップを横切って第１のグラウンド板１３０ａと第２のグラウンド板１３０ｂを短絡させるように装着される。このとき、これらダイオードＤ１，Ｄ２は相互に反対の極性を有する。スイッチング制御信号ＣＴＬの適切なバイアス電圧、例えば＋５Ｖ又は−５Ｖが第１のグラウンド板１３０ａに選択的に印加されることによって、第１のグラウンド板１３０ａと０Ｖの第２のグラウンド板１３０ｂとの間に接続される第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２が各々相互排他的にオン/オフ動作を遂行する。

第１又は第２のダイオードＤ１，Ｄ２がオン状態になると、該当する第１のスロットライン１２１又は第２のスロットライン１２２と該当する補助開放終端回路との接続されるギャップは、電気的に短絡される。該当する第１のスロットライン１２１又は第２のスロットライン１２２との接続ギャップが電気的に短絡された第１又は第２の補助開放終端回路１２１ｂ、１２２ｂは、該当する第１のスロットライン１２１又は第２のスロットライン１２２に何らの影響を与えないようになる。一方、第１のスロットライン１２１又は第２のスロットライン１２２との接続ギャップが短絡されない第１又は第２の補助開放終端回路１２１ｂ，１２２ｂは、各々該当する第１又は第２のスロットライン１２１，１２２の開放終端回路を形成し、該当する第１又は第２のスロットライン１２１，１２２は、該当する第１又は第２の補助開放終端回路１２１ｂ，１２２ｂに接続される位置でオープン状態となる。このように、第１又は第２の補助開放終端回路１２１ｂ，１２２ｂの地点でオープン状態となる第１又は第２のスロットライン１２１，１２２に関連した第１又は第２のマイクロストリップライン１１１，１１２へは信号が伝送されないので、つまり、第１又は第２のマイクロストリップライン１１１，１１２の信号経路は、第３のマイクロストリップライン１１３に選択的に接続される。

上記のように構成される高周波スイッチ１０は、第１〜第３のマイクロストリップライン１１１，１１２，１１３の第１〜第３のポート１，２，３を各々送信端Ｔｘ、受信端Ｒｘ、及びアンテナ端ＡＮＴに接続することで、ＴＤＤシステム用送受信切り替えのためのスイッチ装置として使用できるようになる。

ＴＤＤシステム用送受信切り替えスイッチとして高周波スイッチ１０の動作を説明すると、次のようである。

送信時において、第１のダイオードＤ１はオン状態にし、第２のダイオードＤ２はオフ状態にする。第１のマイクロストリップライン１１１を介して送信信号が伝達されると、その信号はマイクロストリップ−スロットラインカップリングを介して第１のスロットライン１２１に伝送される。上記伝送された信号は、更にマイクロストリップ−スロットラインカップリングを介して第３のマイクロストリップライン１１３に伝達される。伝達された送信信号は、アンテナを介して放射される。

このとき、第１のダイオードＤ１がオン状態にあるため、第１の補助開放終端回路１２１ｂと第１のスロットライン１２１との間の接続ギャップは短絡状態となり、第１の補助開放終端回路１２１ｂは第１のスロットライン１２１に何らの影響を及ぼさない。送信信号は、第２のマイクロストリップライン１１２へは伝送されない。その理由は、第２のダイオードＤ２がオフ状態であり、それによって第２のスロットライン１２２と第２の補助開放終端回路１２２ｂが接続され、その結果、第２のスロットライン１２２は第２の補助開放終端回路１２２ｂに接続される位置でオープン状態となるためである。

次に、受信時において、第１のダイオードＤ１はオフ状態にし、第２のダイオードＤ２はオン状態にする。すると、第３のマイクロストリップライン１１３を介して受信された受信信号は、第２のスロットライン１２２を介して第２のマイクロストリップライン１１２に伝達される。上記伝達された受信信号は、受信端に伝送される。

このとき、第２のダイオードＤ２がオン状態にあるため、第２の補助開放終端回路１２２ｂは第２のスロットライン１２２に影響を及ぼさない。また、第１のダイオードＤ１がオフ状態にあるため、つまり、第１のスロットライン１２１は第１の補助開放終端回路１２１ｂに接続される位置でオープン状態となり、受信信号は第１のスロットライン１２１を介して第１のマイクロストリップライン１１１に伝達されない。

このように、送受信信号経路を分離するためにスロットラインのいずれか一端を接地させる方法が使用される。このために、マイクロストリップライン−スロットラインカップリング構造を形成し、半導体素子のスイッチを用いて接地状態を制御する。したがって、大電力の送信信号が半導体素子であるダイオードに直接的な影響を与えないようにし、それによって、安定したスイッチング動作を可能にする。

図７は、本発明の第２の実施形態によるＴＤＤシステムにおける送受信切り替えのための高周波スイッチの印刷回路基板上の回路パターンを示す平面図である。図８は、図７に示す印刷回路基板の回路パターンを示す底面図である。図７及び図８に示す本発明の第２の実施形態による高周波スイッチ１０’は、補助開放終端回路１２１ｂ−１２２ｂの構造を除き、図１などに示したような高周波スイッチ１０と類似した構造を有する。

すなわち、図７及び図８に示す第２の実施形態による高周波スイッチ１０’の第１及び第２の補助開放終端回路１２１ｂ−１２２ｂは、第１の実施形態による高周波スイッチ１０の第１の補助開放終端回路１２１ｂと第２の補助開放終端回路１２２ｂの位置を相互に近接させて一部が重なるようにすることで、全体的に両者共通に使用される一つの楕円形の開放終端回路に形成される。また、第１の実施形態による高周波スイッチ１０の第１又は第２の補助開放終端回路１２１ｂ、１２２ｂと各々第１又は第２のスロットライン１２１，１２２との接続部分は、第３のマイクロストリップライン１１３との対応位置に近接するように形成される。

このような本発明の第２の実施形態による高周波スイッチ１０’の補助開放終端回路１２１ｂ、１２２ｂは、第３のマイクロストリップライン１１３とスロットライン１２１ｂ−１２２ｂとのインピーダンスマッチングを向上させるために構成される。

本発明の第２の実施形態による高周波スイッチ１０’は、本発明の第１の実施形態による高周波スイッチ１０と同一の動作を遂行する。

上記のように、本発明の実施形態による可変移相器の構成及び動作が実現可能であり、一方、本発明では具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲を外れない限り、多様な変形を実施できることはもちろんである。例えば、上記の説明で言及したマイクロストリップラインは、ストリップライン、同軸線路、及びＣＰＷ(Coplanar Waveguide)に代替しても実現可能である。また、スロットラインの代りにＣＰＳ(Coplanar Strip)を用いても実現が可能である。そして、上記の本発明の実施形態では、スイッチング素子としてダイオードを使用したが、スイッチング機能を有する他の半導体素子(例えば、ＦＥＴ)を使用することもできる。

したがって、本発明の範囲は、前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。

一般的なＴＤＤシステムの送受信端の一例を示すブロック構成図である。 本発明の第１の実施形態によるＴＤＤシステム用の送受信切り替えのための高周波スイッチの印刷回路基板上の回路パターンを示す平面図である。 図２に示す印刷回路基板の回路パターンを示す底面図である。 図３に示すダイオード接合部分を示す詳細構成図である。 図４の等価回路図である。 図２に示すマイクロストリップラインの短絡終端回路を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態によるＴＤＤシステム用の送受信切り替えのための高周波スイッチの印刷回路基板上の回路パターンを示す平面図である。 図７に示す印刷回路基板の回路パターンを示す底面図である。

符号の説明

１ ポート
２ ポート
３ ポート
１０ 高周波スイッチ
１００ 誘電体基板
１１１ マイクロストリップライン
１１１ａ 短絡終端回路
１１２ マイクロストリップライン
１１２ａ 短絡終端回路
１１３ マイクロストリップライン
１２１ スロットライン
１２１ａ 開放終端回路
１２１ｂ 補助開放終端回路
１２２ スロットライン
１２２ａ 開放終端回路
１２２ｂ 補助開放終端回路

Claims (12)

1. 第１の面及び第２の面を含む誘電体基板と、
   前記誘電体基板の第１面に形成され、第１のスロットラインと第２のスロットラインに分けられ、各端部に開放終端回路が形成されるスロットラインと、
   前記誘電体基板の第２面に形成され、前記第１のスロットラインとの信号伝送を遂行する第１の伝送ラインと、
   前記誘電体基板の第２面に形成され、前記第２のスロットラインとの信号伝送を遂行する第２の伝送ラインと、
   前記誘電体基板の第２面に形成され、前記第１のスロットラインと第２のスロットラインとの両分地点と信号の伝送を遂行する第３の伝送ラインと、
   前記第１のスロットラインに接続される第１の補助開放終端回路と、
   前記第２のスロットラインに接続される第２の補助開放終端回路と、
   外部スイッチング制御信号により、前記第１又は第２の補助開放終端回路が前記第１又は第２のスロットラインに接続される接続経路を相互排他的に形成するスイッチング回路と、を含む
   ことを特徴とする高周波スイッチ。
2. 前記第１の補助開放終端回路と前記第２の補助開放終端回路の位置を相互に近接させて一部が重なるようにすることによって、全体的に両者共通に使用される一つの開放終端回路として形成し、
   前記第１又は第２の補助開放終端回路は、前記第１又は第２のスロットラインとの接続部分が前記第３の伝送線路の対応位置に近接するように形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の高周波スイッチ。
3. 前記スイッチング回路は、前記スイッチング制御信号により前記第１又は第２の補助開放終端回路と前記第１又は第２のスロットラインとの接続部分のギャップを選択的に短絡させるように装着される第１及び第２のスイッチング素子を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の高周波スイッチ。
4. 前記第１及び第２のスイッチング素子はダイオード又は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である
   ことを特徴とする請求項３に記載の高周波スイッチ。
5. 前記第１〜第３の伝送ラインは、マイクロストリップライン、ストリップライン、同軸線路、コプレーナ導波路（Ｃｏｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）のうちいずれか一つである
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波スイッチ。
6. 前記第１〜第３の伝送ラインは、その終端に開放終端又は短絡終端回路を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高周波スイッチ。
7. 時分割複信/多重化システムの送受信切り替え用高周波スイッチであって、
   第１の面及び第２の面を含む誘電体基板と、
   前記誘電体基板の第１面に形成され、第１のスロットラインと第２のスロットラインに分けられ、各端部に開放終端回路が形成されるスロットラインと、
   前記誘電体基板の第２面に形成され、送信端から送信信号を受信して前記第１のスロットラインに伝送する第１の伝送ラインと、
   前記誘電体基板の第２面に形成され、前記第２のスロットラインから受信信号を受信して受信端に伝送する第２の伝送ラインと、
   前記誘電体基板の第２面に形成され、前記第１のスロットラインと第２のスロットラインとの両分地点で前記送信信号及び受信信号の伝送を遂行する第３の伝送ラインと、
   前記第１のスロットラインに接続される第１の補助開放終端回路と、
   前記第２のスロットラインに接続される第２の補助開放終端回路と、
   外部スイッチング制御信号により、前記第１又は第２の補助開放終端回路が前記第１又は第２のスロットラインとの接続経路を相互排他的に形成するスイッチング回路と、を含む
   ことを特徴とする高周波スイッチ。
8. 前記第１の補助開放終端回路と前記第２の補助開放終端回路の位置を相互に近接させて一部が重なるようにして、全体的に両者共通に使用される一つの開放終端回路として形成し、
   前記第１又は第２の補助開放終端回路は、前記第１又は第２のスロットラインとの接続部分が前記第３の伝送線路の対応位置に近接するように形成する
   ことを特徴とする請求項７に記載の高周波スイッチ。
9. 前記スイッチング回路は、前記スイッチング制御信号により前記第１又は第２の補助開放終端回路と前記第１又は第２のスロットラインとの接続部分のギャップを選択的に短絡させるように装着される第１及び第２のスイッチング素子を含む
   ことを特徴とする請求項８に記載の高周波スイッチ。
10. 前記第１及び第２のスイッチング素子はダイオード又は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である
    ことを特徴とする請求項９に記載の高周波スイッチ。
11. 前記第１〜第３の伝送ラインは、マイクロストリップライン、ストリップライン、同軸線路、コプレーナ導波路（ＣＰＷ）のうちいずれか一つである
    ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の高周波スイッチ。
12. 前記第１〜第３の伝送ラインは、その終端に開放終端又は短絡終端回路を備える
    ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の高周波スイッチ。

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