JP4960771B2 - マルチメディア端子のための選択的アイソレーションを備えたスイッチ及びスイッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、放送高速データ転送速度サービスへのアクセスを可能にする新しい無線通信メディアで必要とされる指向性アンテナシステムの分野において、マルチメディア端子のための選択的アイソレーションを備えたスイッチング装置に関する。それらは、ＷＬＡＮ形式の適用のための数ＧＨｚ（２．４ＧＨｚ ８０２．１１ｂ、４．９ＧＨｚ〜５．８ＧＨｚ ８０２．１１ａ、３．５ＧＨｚ Ｗｉｍａｘ）からＬＭＤＳ形式（２８ＧＨｚ）又は衛星形式（１２〜１４ＧＨｚ又は２０〜３０ＧＨｚ）のリンクのための数十ＧＨｚまでの範囲で現在割り当てられている周波数帯域内に位置付けられている。

ＭＩＭＯ（マルチメディア入力多重出力）形式の送信技術により、システムは、信号を送信又は受信するために、送信器システム及び受信器システムの両方で幾つかのアンテナを使用する。受信器では、ダイバーシティ選択は、最高受信信号レベルを有するアンテナがスイッチングによって選択されることを可能にし、フェーディング現象を低減する。しかし、この設計はアンテナで利用可能な全ての電力を使用せず、回路の利得は制限されたままである。

幅広く使用される他の送信技術は、切替型マルチビームアンテナの回路によって形成される。この回路は、様々な方向を向く多数の固定ビームを有するアンテナの回路から成る。この場合に、当該設計は比較的簡単であり、受信器は、数秒間、正確なビームを選択しさえすれば良い。

全てのこれらの設計に、選択された技術に依存して、より複雑である又はそれ程複雑でないスイッチング装置が結合される。このような装置は、２アンテナダイバーシティの最も単純な構成のためのＳＰＤＴ（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｏｒｔ Ｄｏｕｂｌｅｓ Ｔｈｒｏｗ）形式又は、より複雑なＭＩＭＯ装置のためのＳｐ４Ｔ形式、即ちＳｐｎＴ（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｏｒｔ （ｎ） ｘ Ｔｈｒｏｗ）形式のスイッチによって形成され得る。なお、ｎは、使用されるアンテナのダイバーシティ／数のオーダーである。

しかし、このようなＲＦ／マイクロ波（２．４から５ＧＨｚ）スイッチは：
−挿入損失に関して、雑音指数、ひいては受信器感度に関する性能を過度に低下させないために、且つ、出力増幅器によって供給される送信出力を制限するために、更に
−アイソレーションに関して、マルチビームアンテナの夫々の利得を低下させないために、
幅広い周波数帯域に亘って厳しい制約を必要とする。

実際に、アクセス点間の低アイソレーションを伴うスイッチの使用の場合には、スイッチのアイソレーションによって重み付けされるアンテナのシステムから得られる放射線ダイアグラムは、他のユーザによる干渉の低減に関する所望の利点、言い換えると、空間の１つのセクタのみをカバーすべきアンテナシステムの能力を失う。

しかし、アクセス点間の高アイソレーションを伴うスイッチの使用の場合には、結果として得られるアンテナダイアグラムは、セクタの１つ又は、アンテナのシステムのアンテナの１つのみのダイアグラムである。これは、アクセス点間の高アイソレーションが必要とされ、更に、スイッチが非常に効率的でなければならない理由である。

主にＧａＡｓ（ガリウムヒ素）を用いており、ＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）技術に集積可能な、現在市販されているＲＦ／マイクロ波スイッチは、一般的に電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用する。最も一般的に使用されるＦＥＴは、デプレション・トランジスタと呼ばれるＮチャネルＦＥＴである。このＦＥＴは、ゲート電圧の欠乏時に非常に低いドレイン−ソース間抵抗を有するが、ゲートでの負電圧の印加により、高いドレイン電流（Ｉｄｓｓ）が流れることを可能にする。ゲートで発生した電界は、チャネルのピンチ効果を誘発して、ソース−ドレイン間抵抗を顕著に増大させる。ピンチオフ電圧と呼ばれるこの電圧は、約−２Ｖから−２．５Ｖである。このようなスイッチは、チャネル間に約２０ｄＢから２５ｄＢのアイソレーションを提供するが、これは、高い指向性利得を維持することが望まれるならば、扇状（ｓｅｃｔｏｒｉｚｅｄ）アンテナの場合に依然として不十分である。

更に、それにもかかわらず、このような部品の性能は、アプリケーションの周波数（２．４から５ＧＨｚ）の上昇で、アイソレーション損失及びアイソレーションに関して更に重要となりつつある。

例えばＧａＡｓＦＥＴを用いるスイッチなどのスイッチのアイソレーションは、考慮中の周波数でＦＥＴトランジスタの浮遊ドレイン−ソース間容量Ｃｄｓの共振を使用することによって改善可能である。図１は、このようなスイッチの一例を示す。ここで、この従来の設計及びその有効性について記載する。

トランジスタＴ１のソースは、コンデンサＣ１を介してスイッチの入力端子Ｅへ接続されている。一方、トランジスタＴ１のドレインは、他のコンデンサＣ２を介して出力端子Ｓへ接続されている。そのゲートは、抵抗Ｒ２を介して制御入力部Ｃへ接続されている。抵抗Ｒ１は、ソースと主要部（ｍａｓｓ）との間に接続されている。インダクタＬは、トランジスタＴ１のソースとドレインとの間に接続されている。

入力信号の直流（ＤＣ）成分は、コンデンサＣ１及びＣ２によってフィルターをかけられる。インダクタＬは、考慮中の周波数でトランジスタＴ１の残留容量とともに共振回路を形成することができる。残留容量は、トランジスタＴ１の性能特性に依存して、０．１から０．５ｐＦのオーダーである。

制御入力部Ｃへ印加される電圧Ｖｃｔｒｌは、この電圧の値に従ってスイッチの開閉を可能にする。
米国特許明細書ＵＳ５９６９５６０Ａ 欧州特許公開ＥＰ０９７８９４９Ａ 欧州特許公開ＥＰ０７２０２９２Ａ１ 欧州特許公開ＥＰ０６２５８３１Ａ２

このようなスイッチは、チャネル間に約２０ｄＢのアイソレーションを提供する。これは、扇状アンテナの場合に、高い指向性利得を維持することが望まれるならば不十分なままである。

上記欠点を解消するために、本発明は、第１及び第２のトランジスタから形成される断路スイッチを提供する。スイッチング機能を提供する前記第１のトランジスタは、電圧制御され、所定周波数でフィードバック制御信号によって自己制御される前記第２のトランジスタのゲートへ、前記第１のトランジスタのドレインとソースとの間に形成されたインピーダンスブリッジの中点Ｐによって接続されている。

このスイッチは、例えば、全体として送信（受信）帯域のレベルではもはやアイソレーションを保証せずに、チャネル規模で直接的アイソレーションを保証することによって、及び、入力チャネルと出力チャネルとの間に最低値が約３０ｄＢである優れたアイソレーションを提供することによって、選択的方法で、スイッチのアイソレーションを大幅に改善するという利点を有する。

望ましくは、マルチメディア端子はローカルチャネル周波数発振器を有するので、前記フィードバック制御信号は、送信端子の前記ローカルチャネル周波数発振器から発せられる信号である。

望ましくは、前記スイッチは、ＭＭＩＣ技術により集積され得る。

本発明は、また、複数のアンテナを備えた送信システムであって、前記アンテナに結合され、受信又は送信アンテナの１つのみが切り替えられることを可能にする高周波スイッチング装置を有する送信アンテナに関する。

本発明の変形例に従って、前記送信システムは、複数のセクタを有するアンテナを備えたシステムであって、様々なセクタに結合され、受信又は送信セクタの１つのみが切り替えられることを可能にし、前記セクタに結合された様々なチャネル間の高アイソレーションを保証する高周波スイッチング装置を有するシステムである。

マルチメディア端子のための選択的アイソレーションを備えたスイッチング装置に関して、アイソレーションを大幅に改善することが可能となる。

上述した本発明の特徴及び利点は、その他の特徴等とともに、添付の図面に関連して提示される以下の記載を読むことで、より明白に理解されるであろう。

従来技術に従う回路については先に簡単に説明したので、以降では再び記載しない。

記載を簡単にするために、図１と同じ参照番号が、同一の機能を提供する要素を表すよう他の図面でも使用される。

本発明に従う設計は、図２で表される。例えば、ＧａＡｓＦＥＴ型又はＭＥＳＦＥＴ型のトランジスタＴ１は、図１を用いて先に記載されたようなスイッチング機能を提供する。第１のトランジスタＴ１のソースとドレインとの間に接続されたインピーダンスＬは、点Ｐで接続された２つのインピーダンスＬ１−１及びＬ１−２に分けられている。このインピーダンス中点は、トランジスタＴ１と同じ形式の第２のトランジスタＴ２のゲートへ接続されている。第２のトランジスタＴ２は、共通ソース方式により実施される。制御電圧Ｖｄｓは、抵抗Ｒ４を介して第２のトランジスタＴ２のソースへ印加されており、第２のトランジスタＴ２の電圧ＶＧＳ及び、結果として電圧ＶＧＳのバイアス点が変更されることを可能にする。トランジスタＴ２のドレインは、抵抗Ｒ５を介して制御端子Ｑへ接続されている。コンデンサＣ３に並列に接続された抵抗Ｒ３は、トランジスタＴ２のドレインを接地へ接続する。

ゲートにおける零制御電圧Ｖｃｔｒｌにより、トランジスタＴ１は非常に低いドレイン−ソース間抵抗を有し、従って、トランジスタＴ１は導通（オン）する。対照的に、約（−２ｖ）の制御電圧Ｖｃｔｒｌがゲートへ印加される場合には、トランジスタＴ１は開かれ（Ｖｇａｔｅ＝Ｖｐｉｎｃｈ ｏｆｆ）、２つのインダクタＬ１−１及びＬ１−２は、入力部Ｅへ印加されるＲＦ信号の周波数でＦＥＴ型のトランジスタＴ１のドレイン−ソース間浮遊容量Ｃｄｓとともに共振する。同時に、トランジスタＴ２の制御端子Ｑへ印加されるソース制御電圧Ｖｔｕｎｅは、インダクタの共通点と電源基準（接地）との間に与えられたトランジスタＴ２の容量Ｃｇｓを変更しうる。約０．１から０．７ｐＦの付加された極めて低い容量は、インダクタＬ１−１及びＬ１−２と、Ｔ１の容量Ｃｄｓとから形成される共振回路を変更する効果を有する。送信器／受信器システムのチャネル周波数において制御電圧をフィードバック制御することによって、言い換えると、チャネル周波数の選択に使用されるローカル発振器によって生成された電圧を第２のトランジスタの制御電圧として印加することによって、このようにして、チャネル周波数でアイソレーションを保証するよう、チャネル周波数に依存して選択的アイソレーションを適用することが可能である。

図３は、最適化を伴う、言い換えると、本発明に従う設計のスイッチによる、あるいは、最適化を伴わない、言い換えると、図１に示された従来技術のスイッチによる、２つのスイッチＴｉ及びＴｊの実測性能を示すグラフである。従って、このグラフは、１ＧＨｚの選択されたチューナ周波数に関してスイッチＴｉとＴｊとの間のアイソレーションＳｉｊ（単位ｄＢ）を示す。第１の基準曲線Ｐ１は、アンテナ同士が閉じられたスイッチ（スイッチオン）によって接続される場合のアンテナ間の零減衰を示す。第２の曲線Ｐ２は、アンテナ同士が従来技術に従う少なくとも１つのスイッチ（スイッチオフ）によって離される場合のアンテナ間の減衰Ｓｉｊを示す。減衰は、選択されたチューナ周波数に対して−１５ｄＢの不十分な最小値に達する。この第２の曲線は、本発明の利点を明白にすることを可能にする。実際に、アンテナ同士が本発明に従う少なくとも１つのスイッチによって離される場合のアンテナ間の減衰を示す第３の曲線Ｐ３を参照すると、減衰は、１ＧＨｚの選択されたチューナ周波数の値に近い周波数に関して−３０ｄＢの値に達する。従って、本発明に従うこのスイッチのアイソレーションは、選択された帯域の周波数に従って極めて選択的である。

図４のグラフは、０．２から０．２６ｐＦまでの値に等しいトランジスタＴ２のゲイン−ソース間容量Ｃｇｓの値に関して、５ＧＨｚ周波数帯域内でのアイソレーションＳｉｊを示す２つの曲線の組である。従って、それらは、５ＧＨｚでの適用のためのシミュレーションで得られた性能の一例を表す。例えば、０．３ｐＦのトランジスタＴ１の浮遊容量に関して、トランジスタＴ２の容量Ｃｇｓの非常に小さい変化は、８０２．１１ａ帯域全体（４．９〜５．８７５ＧＨｚ）に亘って選択的アイソレーションを確保するために十分であることが知られる。

図５は、複数のアンテナを備えた送信システムのためのマルチメディア端子を示す。このマルチメディア端子は、アンテナＡ１〜Ａ４から発せられる信号用の４つのスイッチ５３〜５６と、送信器又は受信器モードを選択するためのスイッチ５７、５８によって形成されるセレクタ５２とによって形成されるスイッチング装置５０を有する。装置５０の夫々のスイッチ５３〜５６は、一方で、アンテナＡ１〜Ａ４へ接続されたチャネルの１つへ接続されており、他方で、送信器／受信器モードセレクタ５２へ接続されている。

制御素子５１は、受信器回路網６０及び送信器回路網７０を有する当該端子の送信器又は受信器モードを選択するためにＴＸ／ＲＸｍｏｄｅ信号を発する。同様に、制御素子５１は、当該端子によって生成されたデジタル信号Ｓｎｕｍに依存して様々なスイッチのための制御信号Ｖｃｔｒｌ１〜４を発する。信号処理回路（図示せず。）によって供給される信号は、様々な基準に従って、送信器又は受信器モード及びアンテナの１つが選択されることを可能にする。基準は、当業者にとっては周知であり、例えば、送信又は受信された信号の電力測定、雑音の測定、又は出力信号対雑音比の測定であっても良い。

図２によって示されるように夫々のスイッチへ印加される制御電圧Ｖｔｕｎｅは、受信器６０及び送信器７０用の既知のデータ送信回路に結合されたローカル発振器８０によって生成される。チャネル周波数におけるこのフィードバック制御は、様々なチャネル間に求められるアイソレーションＳｉｊを保証する。

同様に、マルチメディア端子は、また、複数のセクタを有するアンテナを備えたシステムに結合され得る。このシステムは、様々なセクタに結合され、受信又は送信セクタの１つのみが切り替えられることを可能にし、セクタに結合された様々なチャネル間の高いアイソレーションを保証する高周波スイッチング装置５０を有する。

図６に一例として示されるように、少なくとも４対のトランジスタＴ１、Ｔ２が、対応する抵抗とともに、本発明に従って少なくとも４つのスイッチを形成するためにＭＭＩＣ技術により集積されることが可能である。インダクタ及びコンデンサは、集積されずに、図５で示されたスイッチング装置５０のスイッチ５３〜５６を形成するために、依然として当該回路へ外部で接続されている。

本発明の他の変形例が可能である。上述された例は、複数のアンテナによる変調信号の受信を示すが、複数若しくは多様（ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）なビームを有するアンテナ、又は多様なセクタを有するアンテナによる受信も考えられる。

本発明は、記載される実施例に限定されず、当業者は、本発明の多種多様な実施例の存在を認識しうる。

従来技術に従うＦＥＴトランジスタを用いるスイッチの例となる回路図を示す。 本発明に従うスイッチの例となるトポロジーを示す。 最適化の有無によるスイッチの実測性能を示すグラフである。 ０．１から０．３ｐＦのゲイン−ソース間容量Ｃｇｓの値に関して５ＧＨｚ帯域内のアイソレーションを示す。 多様なアンテナを有する送信システムにおいて本発明に従うスイッチのアプリケーション実施例を示す。 ＭＭＩＣ設計におけるスイッチの例となる実施を示す。

符号の説明

Ａ１〜Ａ４ アンテナ
Ｔ１，Ｔ２ トランジスタ
５０ スイッチング装置
５１ 制御素子
５３〜５８ スイッチ
６０ 受信器
７０ 送信器
８０ 発振器

Claims (8)

1. 第１のトランジスタ及び第２のトランジスタによって形成される断路スイッチであって、
   スイッチング機能を提供する前記第１のトランジスタは、
   電圧制御され、
   所定周波数でフィードバック制御信号によって自己制御される前記第２のトランジスタのゲートへ、前記第１のトランジスタのドレインとソースとの間に形成されたインピーダンスブリッジの中点Ｐによって接続される、ことを特徴とする断路スイッチ。
2. 前記第１及び第２のトランジスタはＧａＡｓＦＥＴ型である、ことを特徴とする請求項１記載の断路スイッチ。
3. 前記第１及び第２のトランジスタはＭＥＳＦＥＴ型である、ことを特徴とする請求項１記載の断路スイッチ。
4. マルチメディア端子の少なくとも２つの送受信チャネルを備えた高周波スイッチング装置であって、
   夫々のチャネルに結合された、請求項１乃至３のうちいずれか一項記載のチャネル断路スイッチを有する、ことを特徴とする高周波スイッチング装置。
5. 前記マルチメディア端子がローカルチャネル周波数発振器を有する場合に、前記フィードバック制御信号は、前記送受信チャネルの前記ローカルチャネル周波数発振器から発せられる信号である、ことを特徴とする請求項４記載の高周波スイッチング装置。
6. 前記断路スイッチはＭＭＩＣ技術により集積可能である、ことを特徴とする請求項４又は５記載の高周波スイッチング装置。
7. 複数のアンテナを備えた送信システムであって、
   受信又は送信アンテナの１つしか切り替えられないよう、前記アンテナに結合された請求項４乃至６のうちいずれか一項記載の高周波スイッチング装置を有する送信システム。
8. 複数のセクタを有するアンテナを備えた送信システムであって、
   受信又は送信セクタの１つしか切り替えられないよう、前記様々なセクタに結合された請求項４乃至６のうちいずれか一項記載の高周波スイッチング装置を有する送信システム。

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