JP5275837B2 - 高周波回路 - Google Patents

Description

本発明は、高周波信号の出力をオン／オフする高周波スイッチに関するもので、特に不要な信号の漏出を抑制して高アイソレーションを実現する高周波スイッチの技術分野に関するものである。

近年、レーダーシステム等では超短パルスを用いたシステムの開発が進められており、このような超短パルスを生成する高周波回路では、入出力信号に対し高いアイソレーションを有するスイッチの実現が重要となっている。

入力信号と同じ周波数の信号出力をスイッチングするスイッチとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スイッチを備えたメカニカルスイッチや、ＦＥＴ（Field effect transistor）スイッチ、ＰＩＮ（p-intrinsic-n）ダイオードスイッチといった半導体スイッチが知られている。メカニカルスイッチでは、伝送路自体を物理的に遮断するため高いアイソレーションが確保される。これに対し半導体スイッチでは、伝送路を単に電気的に遮断するだけで物理的には遮断されていないため、高い周波数帯域においてはアイソレーションを確保することが難しい。そのため、半導体スイッチを用いる場合には、例えばスイッチを多段化するなどの方法で高いアイソレーションが得られるようにしている。

一方、入力信号と出力信号とで周波数が異なり非線形な入出力特性を有するデバイスを用いることで、高いアイソレーションが得られるようにしたスイッチも知られている（特許文献１）。非線形な入出力特性を有するデバイスを用いた高周波スイッチの一例を図１１に示す。図１１に示す高周波スイッチ９００は、高周波源９０１から出力される高周波信号をスイッチングするためのスイッチ手段９０２と、非線形な入出力特性を有するデバイス９０３とを備えており、出力側に所定の周波数帯の信号を通過させるフィルタ９０４を設けて用いられる。デバイス９０３は、スイッチ手段９０２のオン／オフに対し高いアイソレーションが得られるように構成されている。

非線形な入出力特性を有するデバイス９０３として、例えば特許文献１では逓倍器が用いられており、逓倍器が有する非線形な入出力特性として図１２に示すものが記載されている。すなわち、図１２に示す所定値Ｌ以下の入力信号（漏出成分）に対しては、逓倍された信号がほとんど出力されないようにし、所定値Ｌを超える信号に対しては、高い逓倍効率で所定の出力信号が得られるようにしている。

特開２００４−３５４２８８号公報

しかしながら、メカニカルスイッチでは、スイッチの動作スピードが機械的な駆動スピードによって制限されるため、超短パルスを生成することは極めて難しい。また、半導体スイッチを用いて高アイソレーションを確保するために多段化した場合には、複数の半導体スイッチを実装するために大きな基板面積が必要となり、またコストアップにもなるといった問題がある。

また、特許文献１に記載の非線形な入出力特性を有するデバイスを用いる場合には、通常、該デバイスの前段にスイッチが設けられることから、前段のスイッチとデバイスの両方を設置するのに大きな基板面積が必要となり、コストの増大につながってしまう。さらに、デバイスに常時電源を入れた状態で使用されるため、消費電力の増大につながるといった問題もある。

そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、小型で高いアイソレーション特性を有する高周波スイッチを提供することを目的とする。

本発明の高周波スイッチの第１の態様は、第１の高周波信号を入力し、該第１の高周波信号を非線形に変換して第２の高周波信号を出力する非線形回路と、前記第２の高周波信号の出力をオン／オフするスイッチ手段と、を備え、前記スイッチ手段は、前記非線形回路の電源を制御することで、前記第２の高周波信号の出力をオン／オフしていることを特徴とする。この態様によれば、第２の高周波信号の出力をオン／オフするために、非線形回路の電源を制御しており、これにより非線形回路をオフにしたときは、第２の高周波信号の出力が抑制されて高アイソレーションを有する高周波スイッチを提供することができる。また、第２の高周波信号を出力しないときは、非線形回路をオフ状態にすることで消費電力を低減することができる。

本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記電源として第１電源と第２電源とを備え、
前記非線形回路は、第１端子側が前記第１電源に接続され、第２端子側が前記第２電源に接続され、第３端子が接地された半導体素子を備え、前記半導体素子が、前記第１端子に入力された前記第１の高周波信号を非線形に変換して前記第２の高周波信号を生成し、前記スイッチ手段が少なくとも前記第１電源または第２電源の一方を制御することで、前記第２の高周波信号の前記第２端子からの出力がオン／オフされることを特徴とする。

本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記半導体素子は、前記第１端子をゲート側端子とし、前記第２端子をドレイン側端子とし、前記第３端子をソース側端子とする電界効果トランジスタであることを特徴とする。この態様によれば、ドレイン側の電源、またはゲート側の電源、またはその両方を制御することで第２の高周波信号をオン／オフすることができる。

本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記半導体素子は、前記第１端子をベース側端子とし、前記第２端子をエミッタもしくはコレクタ側端子とし、前記第３端子をコレクタもしくはエミッタ側端子とするバイポーラトランジスタであることを特徴とする。この態様によれば、エミッタもしくはコレクタ側の電源、またはベース側の電源、またはその両方を制御することで第２の高周波信号をオン／オフすることができる。

本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記第２の高周波信号の周波数及び波長をそれぞれｆ０及びλとするとき、前記非線形回路は、周波数がｆ０／ｎ（ｎは２以上の整数）の前記第１の高周波信号をｎ逓倍して前記第２の高周波信号を生成する逓倍器であることを特徴とする。非線形回路として逓倍器を用いたときは、逓倍器の非線形性により第２の高周波信号の漏出を低減して高アイソレーションを実現できる。

本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記非線形回路は、前記スイッチ手段がオンのときに、前記第１の高周波信号の出力側への漏出と前記第２の高周波信号の入力側への漏出を防止する共振回路を備えていることを特徴とする。非線形回路に所定の共振回路を設けることにより、スイッチ手段がオンのときに、第１の高周波信号が出力側に漏出しないようにするとともに、第２の高周波信号が入力側に漏出しないようにすることができ、高アイソレーションな高周波スイッチを実現することができる。

本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記共振回路は、さらに、前記スイッチ手段がオフのときに、前記第１の高周波信号の入力を遮断するとともに前記第２の高周波信号の出力を遮断していることを特徴とする。本実施形態によれば、スイッチ手段がオンのときだけでなくオフのときにも、第１の高周波信号の入力を遮断するとともに第２の高周波信号の出力を遮断することができる。

本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記共振回路として、例えば先端開放スタブを用いた場合、前記逓倍器の入力側に設けられた入力側スタブ部と、出力側に設けられた出力側スタブ部とを備え、前記入力側スタブ部は、スタブ電気長が前記スイッチ手段がオンのときにλ／４となりオフのときにｎ×λ／４となるように切り替えられ、前記出力側スタブ部は、スタブ電気長が前記スイッチ手段がオンのときにｎ×λ／４となりオフのときにλ／４となるように切り替えられることを特徴とする。逓倍器の入力側と出力側に設けられたスタブのスタブ電気長を切り替え可能とすることにより、高アイソレーションな高周波スイッチを提供することができる。

本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記入力側スタブ部は、スタブ電気長がλ／４の第１スタブと、スタブ電気長が（ｎ―１）×λ／４の第３スタブと、前記第１スタブと前記第３スタブとの接続をオン／オフする入力側スタブ切替スイッチとを備え、前記出力側スタブ部は、スタブ電気長がλ／４の第２スタブと、スタブ電気長が（ｎ―１）×λ／４の第４スタブと、前記第２スタブと前記第４スタブとの接続をオン／オフする出力側スタブ切替スイッチとを備え、前記スイッチ手段がオンのときは、前記入力側スタブ切替スイッチをオフにするとともに前記出力側スタブ切替スイッチをオンにし、前記スイッチ手段がオフのときは、前記入力側スタブ切替スイッチをオンにするとともに前記出力側スタブ切替スイッチをオフにすることを特徴とする。逓倍器の入力側と出力側にスタブ電気長がλ／４と（ｎ―１）×λ／４のスタブをそれぞれ設け、両者の接続を切替スイッチで切り替えるように構成することで、高アイソレーションな高周波スイッチを提供することができる。

本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記共振回路は、スタブ電気長が（ｎ―１）×λ／４の共用スタブをさらに備え、前記入力側スタブ部は、スタブ電気長がλ／４の第１スタブと、前記第１スタブと前記共用スタブとの接続をオン／オフする入力側スタブ切替スイッチとを備え、前記出力側スタブ部は、スタブ電気長がλ／４の第２スタブと、前記第２スタブと前記共用スタブとの接続をオン／オフする出力側スタブ切替スイッチとを備え、前記スイッチ手段がオンのときは、前記入力側スタブ切替スイッチをオフにするとともに前記出力側スタブ切替スイッチをオンにして前記共用スタブを前記第２スタブに接続し、前記スイッチ手段がオフのときは、前記入力側スタブ切替スイッチをオンにするとともに前記出力側スタブ切替スイッチをオフにして前記共用スタブを前記第１スタブに接続することを特徴とする。この態様によれば、共用スタブを入力側と出力側で切り替えて用いるようにすることにより、スタブを減らして簡素化することができる。

本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記スイッチ手段と前記入力側スタブ切替スイッチと前記出力側スタブ切替スイッチとは、いずれも前記スイッチ手段のオン／オフに連動して前記入力側スタブ切替スイッチ及び前記出力側スタブ切替スイッチがオン／オフするように構成されていることを特徴とする。この態様によれば、入力側スタブ切替スイッチ及び出力側スタブ切替スイッチに固有の制御装置を設ける必要がなくなる。

本発明の高周波スイッチの他の態様は、前記入力側スタブ切替スイッチ及び出力側スタブ切替スイッチは、高速なオン／オフが可能な半導体素子を用いており、例えばＰＩＮダイオードを用いた半導体スイッチであることを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、入力信号を非線形に変換して出力する非線形回路を用い、該非線形回路の電源をオン／オフすることで信号出力をスイッチングするように構成することで、小型で高いアイソレーション特性を有する高周波スイッチを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る高周波スイッチの概略構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の高周波スイッチに備えられた逓倍器の一実施例を示すブロック図である。 第２の実施形態の高周波スイッチの概略構成を示すブロック図である。 第２の実施形態の逓倍器の構造を示すブロック図（その１）である。 第２の実施形態の逓倍器の構造を示すブロック図（その２）である。 第２の実施形態の逓倍器を２逓倍器としたときのオン／オフ比の一例を示すグラフである。 第３の実施形態の高周波スイッチに備えられた逓倍器の概略構成を示すブロック図である。 第４の実施形態の高周波スイッチに備えられた逓倍器の概略構成を示すブロック図である。 第５の実施形態の高周波スイッチに備えられた逓倍器の概略構成を示すブロック図である。 第６の実施形態の高周波スイッチに備えられた逓倍器の概略構成を示すブロック図である。 従来の非線形な入出力特性を有するデバイスを用いた高周波スイッチの一例を示すブロック図である。 従来の逓倍器が有する非線形な入出力特性の一例を示すグラフである。

本発明の好ましい実施の形態における高周波スイッチについて、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。本発明は、超短パルスの生成等に用いられる高周波スイッチに係り、特に非線形な入出力特性を有するデバイスを用いて高いアイソレーション特性が得られる高周波スイッチを提供する。

（第１実施形態）
本発明の第１の実施の形態に係る高周波スイッチを図１を用いて以下に説明する。図１は、本実施形態の高周波スイッチの概略構成を示すブロック図である。本実施形態の高周波スイッチ１００は、非線形な入出力特性を有するデバイスとして逓倍器１１０を備え、さらに逓倍器１１０の電源を制御する制御手段１２０を備えている。逓倍器１１０は、入力信号の二乗に相当する出力信号を生成する非線形な入出力特性（二乗特性）を有しており、このような特性を利用することで入出力間のアイソレーションを高めることができる。

逓倍器１１０は、高周波源１０から所定周波数の第１の高周波信号１１を入力し、周波数が第１の高周波信号１１のｎ（整数）倍に逓倍された第２の高周波信号１２を生成して出力する。高周波スイッチ１００の出力側にはフィルタ（ＨＰＦ、またはＢＰＦ）２０が設けられ、ここで、第２の高周波信号１２のみを通過させて取り出す。以下では、逓倍器１１０で逓倍された第２の高周波信号１２として、その周波数をｆ０とし波長をλとする。このとき、高周波源１０からは周波数がｆ０／ｎで波長がλ×ｎの第１の高周波信号１１が逓倍器１１０に入力されることになる。

逓倍器１１０の構造を図２を用いて説明する。図２は、逓倍器１１０の一実施例を示すブロック図である。逓倍器１１０は、半導体素子の一例であるトランジスタ１１１と、トランジスタ１１１の入力側（ゲート側）に接続されて出力信号の反射を遮断する第１の共振回路１１２と、トランジスタ１１１の出力側（ドレイン側）に接続されて入力信号の漏出を遮断する第２の共振回路１１３を備えている。

また、トランジスタ１１１の入力側には、高周波チョークコイル（ＲＦＣ）１１４を介して第１電源１３１から所定の電圧Ｖｇが印加されており、トランジスタ１１１の出力側には、高周波チョークコイル（ＲＦＣ）１１５を介して第２電源１３２から所定の電圧Vdが印加されている。逓倍器１１０は制御手段１１９、または制御手段１２０の少なくとも一方を備え、制御手段１１９は入力側に接続されている第１電源１３１からの電源供給を、制御手段１２０は出力側に接続されている第２電源１３２からの電源供給を制御するように接続される。ＲＦＣ１１４、１１５は、高周波線路から高周波信号が電源側に漏出することを防止するために設けられたものである。高周波源１０から入力した第１の高周波信号１１は、電源からの直流成分漏出を除去する直流カット手段１１６を介して、トランジスタ１１１に入力され、ここで周波数が第１の高周波信号１１のｎ倍に逓倍された第２の高周波信号１２が生成され、これが直流カット手段１１７を介して出力される。

トランジスタ１１１の入力側（ゲート側）に設けられた第１の共振回路１１２、及びトランジスタ１１１の出力側（ドレイン側）に設けられた第２の共振回路１１３は、それぞれ所定長さのスタブで構成することができる。例えば先端開放スタブ用いた場合、第１の共振回路１１２にスタブ電気長がλ／４のスタブ（入力側スタブ部）を設け、これにより波長λの第２の高周波信号１２が入力側から漏出しないようにすることができる。また、第１の高周波信号の波長はλ×ｎとなることから、第２の共振回路１１３にスタブ電気長が（λ×ｎ）／４のスタブ（出力側スタブ部）を用い、これにより波長λ×nの第１の高周波信号１１が出力側から漏出しないようにすることができる。なお、本実施形態の高周波スイッチ１００では、共振回路として先端開放スタブを用いているが、トランジスタ１１１から見込んだインピーダンスが、入力側では第２の高周波信号１２の周波数で接地、出力側では第１の高周波信号１１の周波数で接地となれば良く、スタブまでの電気長、スタブ電気長、スタブの先端処理により、他の構成も可能であることは自明である。また、インダクタやキャパシタなどで構成した共振回路を用いてもよい。

図１に示す周波数ｆ０の第２の高周波信号１２の出力をオン／オフするために、本実施形態の高周波スイッチ１００では制御手段１２０で逓倍器１１０の電源供給を制御している。より具体的には、図２に示すように、制御手段１２０で第２電源１３２からの電源供給制御しており、これによりトランジスタ１１１がオン（作動）状態／オフ（停止）状態となり、トランジスタ１１１がオン（作動）状態のときのみ第２の高周波信号１２が出力される。トランジスタ１１１を作動状態または停止状態にすることで第２の高周波信号１２の出力をオン／オフしていることから、入出力間で高いアイソレーションを確保することが可能となる。

従来は、高周波源１０から逓倍器１１０への第１の高周波信号１１の伝送路でオン／オフする構成としていたが、この場合には高周波対応のスイッチ手段が必要となりコスト高であった。これに対し、本実施形態では、逓倍器１１０の電源を制御することで第２の高周波信号１２の出力をオン／オフするようにしていることから、制御手段１２０として低価格のものを用いることができる。また、従来の第１の高周波信号１１の入力をオン／オフするスイッチ手段を用いた場合には、第１の高周波信号１１の伝送が電気的にオン／オフされているだけのため、第１の高周波信号１１が逓倍器１１０側に漏出しやすいといった問題があった。これに対し、本実施形態の高周波スイッチ１００では、逓倍器１１０自体の電源をオン／オフしており、これにより高いアイソレーションを確保することが可能となる。

本実施形態の高周波スイッチ１００の動作について、図１と図２を用いて以下に説明する。高周波スイッチ１００は、高周波源から周波数ｆ０／ｎの第１の高周波信号を入力しており、直流カット手段１１６を介して高周波成分がトランジスタ１１１のゲート側に常時入力されている。ここで、制御手段１２０により、トランジスタ１１１がオン状態になると、トランジスタ１１１でｎ逓倍された周波数ｆ０の第２の高周波信号１２がドレイン側から出力される。そして、直流カット手段１１７で直流成分がカットされてフィルタ２０に出力される。逓倍器１１０の入力側に設けられた第１の共振回路１１２は、第２の高周波信号１２が入力側から漏出するのを防止しており、逓倍器１１０の出力側に設けられた第２の共振回路１１２は、第１の高周波信号１１が出力側から漏出するのを防止している。これにより、高周波スイッチ１００は、高いアイソレーションが得られる。

また、制御手段１２０により、トランジスタ１１１がオフになると、トランジスタ１１１のドレイン側からの第２の高周波信号１２の出力が停止されて高いアイソレーションが得られる。このように、本実施形態の高周波スイッチ１００では、トランジスタ１１１がオン／オフのいずれにおいても高いアイソレーションが得られることから、第２の高周波信号１２に対し高いオン／オフ比が得られる。

トランジスタ１１１のオン／オフは、トランジスタ１１１の出力側（ドレイン側）に印加される第２電源１３２を、制御手段１２０で制御する形態について説明しているが、トランジスタ１１１の入力側（ゲート側）に印加される第１電源１３１を、制御手段１１９によりトランジスタを動作状態とピンチオフ状態に切り替える方式や、その両方を用いた方式でもよい。

（第２実施形態）
本発明の第２の実施の形態に係る高周波スイッチを図３と図４を用いて以下に説明する。図３は、本実施形態の高周波スイッチ２００の概略構成を示すブロック図であり、図４は、本実施形態の非線形回路である逓倍器２１０の構造を示すブロック図である。図３に示す本実施形態の高周波スイッチ２００は、第１の実施形態の高周波スイッチ１００と逓倍器２１０の構造が異なっており、逓倍器２１０を逓倍器１１０よりさらに高いアイソレーションが得られる構造としている。

図４に示す本実施形態の逓倍器２１０は、図２に示した第１の実施形態の逓倍器１１０が有する共振回路１１２、１１３に代えて、共振回路２１１〜２１４を備えており、さらにスイッチ手段２１５、２１６を備えた構造を有している。逓倍器１１０では、トランジスタ１１１がオン状態において、トランジスタ１１１の入力側に設けた共振回路１１２で出力信号である第２の高周波信号１２の漏出を抑制し、トランジスタ１１１の出力側に設けた共振回路１１３で入力信号である第１の高周波信号１１の漏出を抑制している。

これに加えて本実施形態の逓倍器２１０では、トランジスタ１１１がオフの状態においても第１の高周波信号１１及び第２の高周波信号１２が漏出するのを抑制している。逓倍器２１０では、トランジスタ１１１の入力側及び出力側において、共振回路としていずれもスタブ電気長がλ／４の第１スタブ２１１及び第２スタブ２１２がそれぞれ常時接続されている。また、第１スタブ２１１には、スイッチ手段（入力側スタブ切替スイッチ）２１５を介して第３スタブ２１３が接続可能となっており、第２スタブ２１２には、スイッチ手段（出力側スタブ切替スイッチ）２１６を介して第４スタブ２１４が接続可能となっている。第３スタブ２１３及び第４スタブ２１４は、ともに（ｎ−１）λ／４のスタブ電気長を有している。なお、本実施形態の高周波スイッチ２００でも、共振回路として先端開放スタブを用いているが、トランジスタ１１１から見込んだインピーダンスが、入力側では第２の高周波信号１２の周波数で接地、出力側では第１の高周波信号１１の周波数で接地となれば良く、スタブまでの電気長、スタブ電気長、スタブの先端処理により、他の構成も可能であることは自明である。また、インダクタやキャパシタなどで構成した共振回路を用いてもよい。

上記のように構成された本実施形態の高周波回路２００の動作について、図４を用いて以下に説明する。制御手段１２０によりトランジスタ１１１がオン状態であるときは、図４（ａ）に示すように、スイッチ手段２１５をオフにしてスイッチ手段２１６をオンにする。これにより、第１の実施形態の逓倍器１１０と同様に、トランジスタ１１１の入力側にスタブ電気長λ／４の第１スタブ２１１のみが接続され、出力側には合計のスタブ電気長がｎ×λ／４となる第２スタブ２１２及び第４スタブ２１４が接続される。その結果、第２の高周波信号１２が入力側から漏出するのを第１スタブ２１１で抑制するとともに、第１の高周波信号１１が出力側から漏出するのを第２スタブ２１２及び第４スタブ２１４で抑制している。

これに加えて、本実施形態の高周波回路２００では、図４（ｂ）に示すように、制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオフにした場合にも、トランジスタ１１１から高周波信号１１、１２が漏出しないようにしている。すなわち、この場合にはスイッチ手段２１５がオンにされてスイッチ手段２１６がオフにされる。これにより、トランジスタ１１１の入力側に合計のスタブ電気長がｎ×λ／４となる第１スタブ２１１及び第３スタブ２１３が接続され、出力側にはスタブ電気長がλ／４の第２スタブ２１２のみが接続される。その結果、第１の高周波信号１１がトランジスタ１１１側に入力するのを第１スタブ２１１及び第３スタブ２１３で遮断するとともに、第２の高周波信号１２がトランジスタ１１１から出力するのを第２スタブ２１２で遮断している。

本実施形態の高周波スイッチ２００では、逓倍器２１０を上記のような構造とすることにより、制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオン状態にした、逓倍器２１０から第２の高周波信号１２が出力されるときだけでなく、制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオフ状態にした、逓倍器２１０から第２の高周波信号１２の出力が停止されているときにも、高いアイソレーションが得られるように構成している。

本実施形態の別の形態を図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。本実施形態の逓倍器２１０では、トランジスタ１１１がオフ状態においても第１の高周波信号１１及び第２の高周波信号１２が漏出するのを抑制している。逓倍器２１０では、トランジスタ１１１の入力側には共振回路としてスタブ電気長λ／４の第１スタブ２１１と、スタブ電気長λ×ｎ／４の第３スタブ２１３がスタブ切り替えスイッチ２１５、２１７を介して接続されている。また出力側には、共振回路として共振回路としてスタブ電気長λ／４の第２スタブ２１２と、スタブ電気長λ×ｎ／４の第４スタブ２１４がスタブ切り替えスイッチ２１６、２１８を介して接続されている。なお、本実施形態の高周波スイッチ２００でも、共振回路として先端開放スタブを用いているが、トランジスタ１１１から見込んだインピーダンスが、入力側では第２の高周波信号１２の周波数で接地、出力側では第１の高周波信号１１の周波数で接地となれば良く、スタブまでの電気長、スタブ電気長、スタブの先端処理により、他の構成も可能であることは自明である。インダクタやキャパシタなどで構成した共振回路を用いてもよい。

上記のように構成された本実施形態の高周波回路２００の動作について説明する。制御手段１２０により、トランジスタ１１１がオン状態であるときは、図５（ａ）に示すように、スイッチ手段２１５をオンに、スイッチ手段２１６をオフに、スイッチ手段２１７をオフに、スイッチ手段２１８をオンにする。これにより、第１の実施形態の逓倍器１１０と同様に、トランジスタ１１１の入力側にスタブ電気長λ／４の第１スタブ２１１が接続され、出力側にはスタブ電気長がｎ×λ／４の第４スタブ２１４が接続される。その結果、第２の高周波信号１２が入力側から漏出するのを第１スタブ２１１で抑制するとともに、第１の高周波信号１１が出力側から漏出するのを第４スタブ２１４で抑制している。

これに加えて、本実施形態の高周波回路２００では、図５（ｂ）に示すように、制御手段１２０により、トランジスタ１１１がオフ状態である場合にも、トランジスタ１１１から高周波信号１１、１２が漏出しないようにしている。すなわち、この場合にはスイッチ手段２１５がオフに、スイッチ手段２１６がオンに、スイッチ手段２１７がオンに、スイッチ手段２１８がオフにされる。これにより、トランジスタ１１１の入力側にスタブ電気長がｎ×λ／４となる第３スタブ２１３が接続され、出力側にはスタブ電気長がλ／４の第２スタブ２１２が接続される。その結果、第１の高周波信号１１がトランジスタ１１１側に入力するのを第３スタブ２１３で遮断するとともに、第２の高周波信号１２がトランジスタ１１１から出力するのを第２スタブ２１２で遮断している。

本実施形態の高周波スイッチ２００では、逓倍器２１０を上記のような構造とすることにより、制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオン状態にした、逓倍器２１０から第２の高周波信号１２が出力されるときだけでなく、制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオフ状態にした、逓倍器２１０から第２の高周波信号１２の出力が停止されているときにも、高いアイソレーションが得られるように構成している。

本実施形態の高周波スイッチのアイソレーション特性を、図６を用いて以下に説明する。図６は、逓倍器２１０を２逓倍器（ｎ＝２）としたときのオン／オフ比を示すグラフである。横軸を、逓倍器２１０の入力電力（第１の高周波信号１１の電力に相当）とし、縦軸を逓倍器２１０のオン／オフ比、すなわち第１の高周波信号１１の電力に対する第２の高周波信号１２の電力の比としている。本実施形態の高周波スイッチ２００のアイソレーションが高いほど、同図に示すオン／オフ比も高くなる。

図６において、符号１は第１の実施形態と同様に、図４、５に示す第２電源１３２のみを制御してスイッチ手段２１５、２１６の切り替えを行わないときのオン／オフ比の変化を示し、符号２は第２電源１３２の制御に加えて入力側のスイッチ手段２１５の切り替えも行うときのオン／オフ比の変化を示し、符号３は第２電源１３２の制御に加えて出力側のスイッチ手段２１６の切り替えも行うときのオン／オフ比の変化を示し、符号４は第２電源１３２の制御に加えてスイッチ手段２１５、２１６の両方とも切り替えを行うときのオン／オフ比の変化を示している。

図６より、第２電源１３２のみを制御した符号１のケースに比べて、スイッチ手段２１５、２１６の切り替えも行うようにした符号２〜４のケースの方がオン／オフ比が大きくなっている。すなわち、スイッチ手段２１５、２１６の切り替えを行ってスタブ２１３、２１４のオン／オフも行うようにしたときの方がアイソレーションが高くなり、特にスタブ２１３、２１４の両方ともオン／オフを行うようにすることで、高いアイソレーションが得られることが分かる。

上記のように、本実施形態の高周波スイッチ２００では、第２の高周波信号１２を出力するときには、制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオン状態にするのに加えて、逓倍器２１０の入出力側でスタブのスタブ電気長を切り替えることにより、入力側から第２の高周波信号１２が漏出するのを防止するとともに、出力側から第１の高周波信号１１が漏出するのを防止することができる。また、第２の高周波信号１２の出力を停止するときには、制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオフ状態にするのに加えて、逓倍器２１０の入出力側でスタブのスタブ電気長を切り替えることにより、入力側に第１の高周波信号１１が入力するのを防止するとともに、出力側から第２の高周波信号１２が出力されるのを防止することができる。このように、第２の高周波信号１２を出力／停止するいずれの場合でも高いアイソレーションが得られ、高いオン／オフ比を有する高周波スイッチを提供することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３の実施の形態に係る高周波スイッチを図７を用いて以下に説明する。図７は、本実施形態の高周波スイッチに備えられた逓倍器３１０の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の逓倍器３１０は、第２の実施形態の逓倍器２１０と同様に、共振回路として第１スタブ２１１〜第４スタブ２１４を備えている。また、スイッチ手段２１５、２１６に代えて半導体スイッチ３１１、３１２を備えている。半導体スイッチ３１１、３１２には、例えばＰＩＮダイオードやＦＥＴ等を用いることができ、本実施例はＰＩＮダイオードを用いた構成としている。

本実施形態では、入力側スタブ切替スイッチ及び出力側スタブ切替スイッチとしてＰＩＮダイオード３１１、３１２を用い、これをそれぞれオン／オフさせるようにしている。すなわち、ＰＩＮダイオード３１１、３１２のそれぞれのアノード側及びカソード側に所定の電圧Ｖａ１、Ｖｃ１及びＶａ２、Ｖｃ２を印加している。さらに、ＰＩＮダイオード３１１、３１２をオン／オフするために、アノード側の電圧Ｖａ１、Ｖａ２をオン／オフするための電源スイッチ３１３，３１４を設け、ＰＩＮダイオードのアノード側、カソード側の電位差を制御してＰＩＮダイオードをオン／オフさせている。なお、上記の各電圧を印加している電圧源に高周波信号が漏出しないように、それぞれに高周波チョークコイル（ＲＦＣ）を設けている。

逓倍器３１０を上記のように構成することで、ＰＩＮダイオード３１１、３１２をオン／オフするようにしている。すなわち、第２の高周波信号１２を出力するために制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオン状態にしたときは、電源スイッチ３１３をオフにしてＰＩＮダイオード３１１をオフにするとともに、電源スイッチ３１４をオンにしてＰＩＮダイオード３１２をオンにする。このため、入力側スタブ部は第１スタブ２１１のみで構成されてスタブ電気長がλ／４となり、出力側スタブ部は第２スタブ２１２と第４スタブ２１４を直列に接続してスタブ電気長がｎ×λ／４となる。これにより、逓倍器３１０の入力側から第２の高周波信号１２が漏出するのを防止するとともに、出力側から第１の高周波信号１１が漏出するのを防止しており、高いアイソレーションが得られる。

一方、第２の高周波信号１２の出力を停止するために制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオフ状態にしたときは、電源スイッチ３１３をオンにしてＰＩＮダイオード３１１をオンにするとともに、電源スイッチ３１４をオフにしてＰＩＮダイオード３１２をオフにする。このため、入力側スタブ部は第１スタブ２１１と第３スタブ２１３を直列に接続してスタブ電気長がｎ×λ／４となり、出力側スタブ部は第２スタブ２１２のみで構成されてスタブ電気長がλ／４となる。これにより、逓倍器３１０の入力側で第１の高周波信号１２の入力を遮断するとともに、出力側で第２の高周波信号１２の出力を遮断しており、これにより高いアイソレーションが得られる。

上記のように、第２の高周波信号１２の出力時と停止時のいずれにおいても高いアイソレーションが得られることから、本実施形態においても高周波スイッチとして高いオン／オフ比が得られる。

（第４実施形態）
本発明の第４の実施の形態に係る高周波スイッチを図８を用いて以下に説明する。図８は、本実施形態の高周波スイッチに備えられた逓倍器４１０の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の逓倍器４１０は、第２の実施形態の逓倍器２１０と同様に、共振回路として第１スタブ２１１〜第４スタブ２１４を備えている。また、スイッチ手段２１５、２１６に代えて半導体スイッチ４１１、４１２を備えている。スイッチ手段４１１、４１２には、例えばＰＩＮダイオードやＦＥＴ等を用いることができ、本実施例はＰＩＮダイオードを用いた構成としている。なお、ＲＦＣ４１３、４１４は、ＲＦＣ１１４、１１５と同様に高周波信号が電源側に漏出することを防止するものである。

本実施形態の高周波スイッチでは、逓倍器４１０を上記のような構成とするとともに、逓倍器４１０の入力側に接続される第１電源１３１と出力側に接続される第２電源１３２のそれぞれに電源制御手段４２０ａ、４２０ｂが設けられている。

本実施形態では、逓倍器４１０の電源制御手段４２０ａ、４２０ｂと入力側スタブ切替スイッチ４１１、出力側スタブ切替スイッチ４１２を連動して制御するようにしている。すなわち、スイッチ手段４１１、４１２をオン／オフ制御するバイアス電流４１５、４１６の向きを、それぞれスイッチ手段４２０ａ、４２０ｂをオン／オフすることで変え、半導体スイッチ４１１、４１２をスイッチ手段４２０ａ、４２０ｂに連動させて制御するように構成している。

半導体スイッチ４１１は、スイッチ手段４２０ａ、４２０ｂがオンのときにオフとなるように構成する必要があり、半導体スイッチ４１１のバイアス電流を逆バイアスとする必要がある。そこで、半導体スイッチ４１１に対してはカソード側にＲＦＣ４１３を介して第３電源４３３を接続している。一方、半導体スイッチ４１２は、スイッチ手段４２０ａ、４２０ｂがオンのときにオンとなるように構成する必要があり、半導体スイッチ４１２のバイアス電流を順バイアスとする必要がある。そこで、半導体スイッチ４１２に対してはＲＦＣ４１４を介してカソード側を接地するように構成している。

半導体スイッチ４１１、４１２を上記のような構成としてスイッチ手段４２０ａ、４２０ｂに連動させるようにすることにより、半導体スイッチ４１１、４１２を制御する制御部を個別に設ける必要がなくなり、回路構成を簡素化してコスト低減を図ることができるといった効果が得られる。

（第５実施形態）
本発明の第５の実施の形態に係る高周波スイッチを図９を用いて以下に説明する。図９は、本実施形態の高周波スイッチに備えられた逓倍器５１０の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の逓倍器５１０は、第３の実施形態で用いていた共振回路の第３スタブ２１３及び第４スタブ２１４を、共用スタブ５１３に置き換えている。第３スタブ２１３及び第４スタブ２１４は、制御手段１２０の状態に応じていずれか一方のみが第１スタブ２１１または第２スタブ２１２に接続され、他方はいずれにも接続されていない。そこで、本実施形態では、第３スタブ２１３及び第４スタブ２１４の２つのスタブを設ける代わりに、共用スタブ５１３のみを設けることで回路構成を簡略化しており、制御手段１２０の状態に応じて共用スタブ５１３を第１スタブ２１１または第２スタブ２１２に接続するように構成している。

共用スタブ５１３を第１スタブ２１１及び第２スタブ２１２のいずれか一方に接続するために、第１スタブ２１１と共用スタブ５１３との間に入力側スタブ切替スイッチとしてＰＩＮダイオード５１１を設け、第２スタブ２１２と共用スタブ５１３との間に出力側スタブ切替スイッチとしてＰＩＮダイオード５１２を設けている。

制御手段１２０に連動させてＰＩＮダイオード５１１、５１２のアノード側に印加されている電圧Ｖａ１、Ｖａ２をオン／オフするための電源スイッチ５１４，５１５を設けており、ＰＩＮダイオードのアノード側、カソード側の電位差を制御してＰＩＮダイオードをオン／オフさせている。以下では、本実施形態の高周波スイッチの動作について説明する。

第２の高周波信号１２を出力するために制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオン状態にしたときは、半導体スイッチ５１４をオフにするとともに電源スイッチ５１５をオンにすることで、ＰＩＮダイオード５１１をオフ、５１２をオン状態とする。これにより、共用スタブ５１３は第２スタブ２１２に接続された状態となり、入力側スタブが第１スタブ２１１のみで構成されてスタブ電気長がλ／４となり、出力側スタブ部は第２スタブ２１２と共用スタブ５１３を直列に接続してスタブ電気長がｎ×λ／４となる。これにより、逓倍器５１０の入力側から第２の高周波信号１２が漏出するのを防止するとともに、出力側から第１の高周波信号１１が漏出するのを防止しており、高いアイソレーションが得られる。

一方、第２の高周波信号１２の出力を停止するために制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオフにしたときは、電源スイッチ５１４をオンにするとともに電源スイッチ５１５をオフにすることで、ＰＩＮダイオード５１１をオン、５１２をオフ状態とする。このため、入力側スタブ部は第１スタブ２１１と共用スタブ５１３を直列に接続してスタブ電気長がｎ×λ／４となり、出力側スタブ部は第２スタブ２１２のみで構成されてスタブ電気長がλ／４となる。これにより、逓倍器５１０の入力側で第１の高周波信号１２の入力を遮断するとともに、出力側で第２の高周波信号１２の出力を遮断しており、高いアイソレーションが得られる。

上記のように、第２の高周波信号１２の出力時と停止時のいずれにおいても高いアイソレーションが得られることから、本実施形態においても高周波スイッチとして高いオン／オフ比が得られる。なお、ＰＩＮダイオードはスタブ切り替え手段の一例であり、高速なオン／オフが可能な半導体スイッチであればよい。

（第６実施形態）
本発明の第６の実施の形態に係る高周波スイッチを図１０を用いて以下に説明する。図１０は、本実施形態の高周波スイッチに備えられた逓倍器６１０の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の逓倍器６１０は、第２の実施形態の別の実施形態で用いていた共振回路の第１スタブ２１１と第２スタブ２１２と第３スタブ２１３と第４スタブ２１４を、それぞれ共用スタブ６１１、６１２に置き換えている。本実施形態では、第１スタブ２１１から第４スタブ２１４の４つのスタブを設ける代わりに、スタブ電気長がλ／４の第１の共用スタブ６１１とスタブ電気長がn×λ／４の第２の共有スタブ６１４を設けることで回路構成を簡略化しており、制御手段１２０によるトランジスタ１１１のオン／オフ状態に応じてそれぞれの共有スタブを切り替える構成としている。以下では、本実施形態の高周波スイッチの動作について説明する。

第２の高周波信号１２を出力するために制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオン状態にしたときは、スイッチ手段２１５をオンにするとともにスイッチ手段２１６をオフにする。これにより、第１の共用スタブ６１１は入力側に接続された状態となり、入力側スタブのスタブ電気長がλ／４となる。さらにスイッチ手段２１７をオフにするとともにスイッチ手段２１８をオンにする。これにより、第２の共用スタブ６１２は出力側に接続された状態となり、出力側スタブのスタブ電気長がｎ×λ／４となる。これにより、逓倍器６１０の入力側から第２の高周波信号１２が漏出するのを防止するとともに、出力側から第１の高周波信号１１が漏出するのを防止しており、高いアイソレーションが得られる。

一方、第２の高周波信号１２の出力を停止するために制御手段１２０によりトランジスタ１１１をオフにしたときは、スイッチ手段２１５をオフにするとともにスイッチ手段２１６をオンにする。これにより、第１の共用スタブ６１１は出力側に接続された状態となり、出力側スタブのスタブ電気長がλ／４となる。さらにスイッチ手段２１７をオンにするとともにスイッチ手段２１８をオフにする。これにより、第２の共用スタブ６１２は入力側に接続された状態となり、入力側スタブのスタブ電気長がｎ×λ／４となる。これにより、逓倍器６１０の入力側で第１の高周波信号１２の入力を遮断するとともに、出力側で第２の高周波信号１２の出力を遮断しており、高いアイソレーションが得られる。

上記のように、第２の高周波信号１２の出力時と停止時のいずれにおいても高いアイソレーションが得られることから、本実施形態においても高周波スイッチとして高いオン／オフ比が得られる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る高周波スイッチの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における高周波スイッチの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１０、９０１ 高周波源
１１、１２ 高周波信号
１００、２００、９００ 高周波スイッチ
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０ 逓倍器
１１１ トランジスタ
１１２、１１３ 共振回路
１１４、１１５、４１３、４１４ ＲＦＣ
１１６、１１７、３１５、３１６、３１７、３１８、５１６、５１７、５１８、５１９ 直流カット手段
１１９、１２０ 制御手段
４２０ａ、４２０ｂ、９０２ スイッチ手段
１３１ 第１電源
１３２ 第２電源
２１５、２１６、３１１、３１２、４１１、４１２、５１１、５１２ 半導体スイッチ
２１１、２１２、２１３、２１４ スタブ
３１３，３１４、５１４，５１５ 電源スイッチ
４１５、４１６ バイアス電流
４２１ａ、４２１ｂ 制御部
４３３ 第３電源
５１３ 共用スタブ

Claims (6)

1. 第１の高周波信号を入力し、該第１の高周波信号を非線形に変換して第２の高周波信号を出力する非線形回路と、
   前記第２の高周波信号の出力をオン／オフするスイッチ手段と、を備え、
   前記第２の高周波信号の周波数及び波長をそれぞれｆ０及びλとするとき、
   前記非線形回路は、第１端子側が第１電源に接続され、第２端子側が第２電源に接続され、第３端子が接地された半導体素子を備え、周波数がｆ０／ｎ（ｎは２以上の整数）の前記第１の高周波信号を前記半導体素子に入力してｎ逓倍して前記第２の高周波信号を出力する逓倍器であり、
   前記スイッチ手段が前記第１電源と前記第２電源の少なくともいずれか一方を制御することで、前記第２の高周波信号の前記第２端子からの出力がオン／オフされ、
   さらに、前記逓倍器は、前記スイッチ手段がオンのときに前記第１の高周波信号の出力側への漏出と前記第２の高周波信号の入力側への漏出を防止し、前記スイッチ手段がオフのときに前記第１の高周波信号の入力を遮断するとともに前記第２の高周波信号の出力を遮断する共振回路を備えており、
   前記スイッチ手段がオフのときには、前記半導体素子の電源がオフにされかつ前記共振回路で前記第１の高周波信号の入力及び前記第２の高周波信号の出力が遮断されることで高いアイソレーションが得られる
   ことを特徴とする高周波スイッチ。
2. 前記共振回路は先端開放スタブからなり、前記逓倍器の入力側に設けられた入力側スタブ部と、出力側に設けられた出力側スタブ部とを備え、
   前記入力側スタブ部は、スタブ電気長が前記スイッチ手段がオンのときにλ／４となりオフのときにｎ×λ／４となるように切り替えられ、
   前記出力側スタブ部は、スタブ電気長が前記スイッチ手段がオンのときにｎ×λ／４となりオフのときにλ／４となるように切り替えられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の高周波スイッチ。
3. 前記入力側スタブ部は、スタブ電気長がλ／４の第１スタブと、スタブ電気長が（ｎ―１）×λ／４の第３スタブと、前記第１スタブと前記第３スタブとの接続をオン／オフする入力側スタブ切替スイッチとを備え、
   前記出力側スタブ部は、スタブ電気長がλ／４の第２スタブと、スタブ電気長が（ｎ―１）×λ／４の第４スタブと、前記第２スタブと前記第４スタブとの接続をオン／オフする出力側スタブ切替スイッチとを備え、
   前記スイッチ手段がオンのときは、前記入力側スタブ切替スイッチをオフにするとともに前記出力側スタブ切替スイッチをオンにし、
   前記スイッチ手段がオフのときは、前記入力側スタブ切替スイッチをオンにするとともに前記出力側スタブ切替スイッチをオフにする
   ことを特徴とする請求項２に記載の高周波スイッチ。
4. 前記共振回路は、スタブ電気長が（ｎ―１）×λ／４の共用スタブをさらに備え、
   前記入力側スタブ部は、スタブ電気長がλ／４の第１スタブと、前記第１スタブと前記共用スタブとの接続をオン／オフする入力側スタブ切替スイッチとを備え、
   前記出力側スタブ部は、スタブ電気長がλ／４の第２スタブと、前記第２スタブと前記共用スタブとの接続をオン／オフする出力側スタブ切替スイッチとを備え、
   前記スイッチ手段がオンのときは、前記入力側スタブ切替スイッチをオフにするとともに前記出力側スタブ切替スイッチをオンにして前記共用スタブを前記第２スタブに接続し、
   前記スイッチ手段がオフのときは、前記入力側スタブ切替スイッチをオンにするとともに前記出力側スタブ切替スイッチをオフにして前記共用スタブを前記第１スタブに接続する
   ことを特徴とする請求項２に記載の高周波スイッチ。
5. 前記スイッチ手段と前記入力側スタブ切替スイッチと前記出力側スタブ切替スイッチとは、前記スイッチ手段のオン／オフに連動して前記入力側スタブ切替スイッチがオフ／オンし前記出力側スタブ切替スイッチがオン／オフするように構成されている
   ことを特徴とする請求項３または４に記載の高周波スイッチ。
6. 前記入力側スタブ切替スイッチ及び出力側スタブ切替スイッチは、高速なオン／オフが可能な半導体素子を用いる
   ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の高周波スイッチ。

Images