JP5467815B2

JP5467815B2 - 高周波スイッチ回路

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Publication number: JP5467815B2
Application number: JP2009193384A
Authority: JP
Inventors: 伸明今井
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2029-08-24
Also published as: JP2011045019A

Description

本発明は、高周波帯において広帯域にわたってＯＮ／ＯＦＦ比が大きくとれる高周波スイッチ回路に関する。

近年、各種ＬＡＮ無線などの高周波数帯を扱う通信機器においては、ダイオードを利用した高周波スイッチ回路が多用されている（例えば特許文献１参照）。

図８は、従来の高周波スイッチ回路１１０の一例を示す。

この高周波スイッチ回路１１０は、信号入力端子Ｔ_ＩＮにアノードが接続され、信号出力端子Ｔ_ＯＵＴにカソードが接続されたスイッチング用のダイオード１１１を備え、電源１１２からチョークコイル１１３、１１４を介して上記ダイオード１１１に印加される制御電圧Ｖｃが制御されることにより、上記ダイオード１１１がオン・オフ動作して、スイッチとして動作するようになっている。

ここで、上記スイッチング用のダイオード１１１としては、一般にＰＩＮダイオードが使用されている。

ＰＩＮダイオードは、バイアス電圧を印加して所定の直流バイアス電流を流すと、高周波抵抗がほぼゼロとなり、また、印加するバイアス電圧を０Ｖ又は逆バイアス状態とすると、高周波抵抗が高インピーダンスとなる性質がある。

上記図８に示す高周波スイッチ回路１１０では、上記ダイオード１１１に印加する制御電圧Ｖｃを制御して、上記ダイオード１１１を順方向バイアス状態して所定バイアス電流を流し、上記ダイオード１１１をオン動作状態とすることにより、信号入力端子Ｔ_ＩＮと信号出力端子Ｔ_ＯＵＴとの間が導通状態となり、また、バイアス電流を零、あるいは逆バイアス状態とすることにより、信号入力端子Ｔ_ＩＮと信号出力端子Ｔ_ＯＵＴとの間が不導通状態となる。

特開２００６−１２９１０８号公報

ところで、上記高周波スイッチ回路１１０の挿入損失特性とアイソレーション特性をシミュレーションした結果を図９の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、上記高周波スイッチ回路１１０では、ダイオード１１１をオフ動作させた場合の寄生容量のためにオフ時に信号が信号出力端子Ｔ_ＯＵＴに漏れるので、オン／オフ比の取り得る値に限界がある。さらに、高いオン／オフ比をとるためには、図１０や図１１に示す高周波スイッチ回路１２０、１３０ように、スイッチとしての段数を増やせばよい。

図１０に示す高周波スイッチ回路１２０は、上記図９に示した高周波スイッチ回路１１０のスイッチング用のダイオード１１１を順方向に直列接続した２個のダイオード１１１Ａ，１１１Ｂとしたもので、信号入力端子Ｔ_ＩＮと信号出力端子Ｔ_ＯＵＴとの間に順方向に直列接続した２個のスイッチング用のダイオード１１１Ａ，１１１Ｂを備え、電源１１２からチョークコイル１１３、１１４を介して上記ダイオード１１１Ａ，１１１Ｂに印加される制御電圧Ｖｃが制御されることにより、上記ダイオード１１１Ａ，１１１Ｂがオン・オフ動作して、２段スイッチとして動作するようになっている。

さらに、図１１に示す高周波スイッチ回路１３０は、図１０に示した高周波スイッチ回路１２０の直列接続した２個のダイオード１１１Ａ，１１Ｂの間にダイオード１１１Ｃによるシャントスイッチを設けたもので、信号入力端子Ｔ_ＩＮと信号出力端子Ｔ_ＯＵＴとの間に順方向に直列接続した２個のスイッチング用のダイオード１１１Ａ，１１１Ｂと、上記２個のスイッチング用のダイオード１１１Ａ，１１１Ｂの接続点に直流阻止用のコンデンサ１１５を介してアノードが接続され、カソードがグランドに接続されたダイオード１１１Ｃを備え、電源１１２Ａからチョークコイル１１３、１１４を介して上記ダイオード１１１Ａ，１１１Ｂに印加される制御電圧Ｖｃａと電源１１２Ａからチョークコイル１１５を介して上記ダイオード１１１Ｃに印加される制御電圧Ｖｃｂが制御されることにより、上記ダイオード１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃがオン・オフ動作して、３段スイッチとして動作するようになっている。

この高周波スイッチ回路１３０では、上記制御電圧Ｖｃａと制御電圧Ｖｃｂを制御して、上記ダイオード１１１Ａ，１１１Ｂをオン動作状態とした時に上記ダイオード１１１Ｃをオフ動作状態とし、上記ダイオード１１１Ａ，１１１Ｂをオフ動作状態とした時に上記ダイオード１１１Ｃをオン動作状態とする。

しかしながら、上記高周波スイッチ回路１２０、１３０ように、スイッチとしての段数を増やした場合には、スイッチのオン時の挿入損失が増すという欠点がある。

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の高周波スイッチ回路における問題点に鑑み、従来と比べて高いアイソレーションを得ることができる高周波スイッチ回路を提供することことにある。

本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明に係る高周波スイッチ回路は、一端が入力端とされ、他端が出力端とされた第１のスイッチング素子と、上記第１のスイッチング素子の他端とグランドとの間に直列接続されたインダクタとキャパシタと第２のスイッチング素子と、上記第１のスイッチング素子とともに上記第２のスイッチング素子をオン・オフ動作させる制御回路を備え、上記第１のスイッチング素子のオン・オフ動作に連動して上記第２のスイッチング素子をオン・オフ動作させることにより、上記インダクタとキャパシタと第２のスイッチング素子からなる第１の直列共振回路を阻止帯域が数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚの周波数帯域において切り替わる帯域阻止フィルタとして機能させ、上記第１のスイッチング素子がオン動作の時には、上記第１の直列共振回路の共振周波数を上記第１のスイッチング素子を介して出力端から出力する主信号の周波数帯域よりも高く設定し、上記第１のスイッチング素子がオフ動作の時には、上記第１の直列共振回路の共振周波数を主信号の周波数帯域内に設定するようにしたことを特徴とする。

本発明に係る高周波スイッチ回路は、さらに、上記第１のスイッチング素子の他端に一端が接続され、他端が出力端とされた第３のスイッチング素子を備え、上記制御回路は、上記第１のスイッチング素子とともに上記第２のスイッチング素子及び上記第３のスイッチング素子をオン・オフ動作させることを特徴とする。

本発明に係る高周波スイッチ回路は、さらに、上記第３のスイッチング素子の他端にグランドとの間に直列接続されたインダクタとキャパシタと第４のスイッチング素子からなり、上記第１の直列共振回路よりも高い共振周波数を有する第２の直列共振回路を備え、上記制御回路は、上記第１のスイッチング素子とともに上記第２のスイッチング素子、上記第３のスイッチング素子及び上記第４のスイッチング素子をオン・オフ動作させることにより、上記第１の直列共振回路と上記第２の直列共振回路を阻止帯域が切り替わる２つの帯域阻止フィルタとして機能させることを特徴とする。

本発明に係る高周波スイッチ回路は、例えば、上記各スイッチング素子は、ダイオードであることを特徴とする。

本発明においては、主信号系にある第１のスイッチング素子がオン動作の時には、インダクタとキャパシタおよび第１のスイッチング素子とで構成される直列共振回路の共振周波数を動作周波数帯よりも高く設定し、上記第１のスイッチング素子がオフ動作の時には、上記直列共振回路の共振周波数を動作周波数帯域内に設定することによって、高周波スイッチ回路がオン動作の時には、挿入損失の劣化を防ぎ、高周波スイッチ回路がオフ動作の時には上記直列共振回路の共振特性を利用することによって、スイッチとしてのアイソレーションを高く設定することができる。

すなわち、本発明では、第１のスイッチング素子のオン・オフ動作に連動して第２のスイッチング素子をオン・オフ動作させることにより、上記第１のスイッチング素子の出力端とされた他端とグランドとの間に直列接続されたインダクタとキャパシタと第２のスイッチング素子からなる第１の共振回路を阻止帯域が切り替わる帯域阻止フィルタとして機能させ、従来と比べて高いアイソレーションを得ることができる高周波スイッチ回路を提供することができる。

本発明を適用した高周波スイッチ回路の構成例を示す回路図である。上記高周波スイッチ回路に備えられた直列共振回路単体の通過特性のシミュレーション結果を示す特性図である。上記高周波スイッチ回路の通過特性のシミュレーション結果を示す特性図である。本発明を適用した高周波スイッチ回路の他の構成例を示す回路図である。上記他の構成例の高周波スイッチ回路の通過特性のシミュレーション結果を示す特性図である。本発明を適用した高周波スイッチ回路のさらに他の構成例を示す回路図である。上記さらに他の構成例の高周波スイッチ回路の通過特性のシミュレーション結果を示す特性図である。従来の高周波スイッチ回路の一例を示す回路図である。上記従来の高周波スイッチ回路の挿入損失特性とアイソレーション特性をシミュレーションした結果を示す特性図である。２段スイッチ構成の高周波スイッチ回路を示す回路図である。３段スイッチ構成の高周波スイッチ回路を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、例えば図１に示すように、一端が入力端とされ、他端が出力端とされた第１のダイオード１１をスイッチング素子として備える高周波スイッチ回路１０に適用される。

この高周波スイッチ回路１０は、信号入力端子Ｔ_ＩＮにアノードが接続され、カソードが信号出力端子Ｔ_ＯＵＴに接続された第１のダイオード１１と、上記第１のダイオード１１のカソードとグランドとの間に直列接続されたインダクタ１２とキャパシタ１３と第２のダイオード１４とからなる直列共振回路１５と、上記第１のダイオード１１とともに上記第２のダイオード１４をオン・オフ動作させる制御回路１９を備える。

ここで、第１及び第２のダイオード１１、１４としては、ＰＩＮダイオードが使用されている。

上記制御回路１９は、上記第１のダイオード１１にチョークコイル１６Ａ、１６Ｂを介して第１の電源１７Ａから印加する制御電圧Ｖ１の極性を切り替える第１の切替回路１９Ａと、上記第２のダイオード１４にチョークコイル１６Ｃを介して第２の電源１７Ｂから印加する制御電圧Ｖ２の極性を切り替える第２の切替回路１９Ｂからなり、上記第１のダイオード１１のオン・オフ動作に連動して上記第２のダイオード１４をオン・オフ動作させるようになっている。

上記インダクタ１２とキャパシタ１３と第２のダイオード１４とからなる直列共振回路１５において、上記第２のダイオード１４は、上記制御回路１９により印加する制御電圧Ｖ２が制御されることによってオン・オフ動作する。この時、上記第２のダイオード１４は、その寄生成分も含めて考えると、オン・オフ動作させることによって等価的に誘導性（インダクティブ）に見えたり、容量性（キャパシティブ）に見えたりする。したがって、上記制御回路１９は、上記第２のダイオード１４に印加する制御電圧Ｖ２を制御することによって、上記直列共振回路１５の共振周波数を変化させることができる。

上記直列共振回路１５は、主信号系に対して並列に挿入されているので、基本的に帯域阻止フィルタとしての働きを有している。したがって、主信号系にある第１のダイオード１１がオフ状態の時、すなわち、スイッチ回路としての動作がオフ状態の時に上記直列共振回路１５の共振周波数が動作帯域になるように設定すれば、スイッチオフ時のアイソレーション量を従来よりも大きく設定することができる。しかしながら、この直列共振回路１５の共振周波数が一定値のままだと逆に主信号系にある上記第１のダイオード１１がオン状態の時、すなわち、スイッチ回路としての動作がオン状態の時に帯域内の挿入損失を大きく劣化させてしまうという欠点が生じる。これを防ぐために、この高周波スイッチ回路１０では、スイッチ回路としての動作がオン状態の時には、第２のダイオード１４の動作を切り替えて、上記直列共振回路１５の共振周波数を高く設定し、挿入損失への影響がでないように設定を行う。これによって、この高周波スイッチ回路１０では、スイッチ回路のオン時の挿入損失を低く設定し、オフ時のアイソレーション量を大きく設定することができる。

すなわち、上記高周波スイッチ回路１０では、主信号系にある第１のダイオード１１がオン動作の時には、インダクタ１２とキャパシタ１３と第２のダイオード１４とからなる直列共振回路１５の共振周波数を動作周波数帯、すなわち、主信号の周波数帯域よりも高く設定し、上記第１のダイオード１１がオフ動作の時には、上記直列共振回路１５の共振周波数を上記主信号の周波数帯域、すなわち、動作周波数帯域内に設定することによって、スイッチ回路がオン動作の時には、挿入損失の劣化を防ぎ、スイッチ回路がオフ動作の時には上記直列共振回路１５の共振特性を利用することによって、スイッチとしてのアイソレーションを高く設定することができる。

ここで、上記高周波スイッチ回路１０における直列共振回路１５だけでの通過特性のシミュレーション結果の一例を図２の（Ａ）、（Ｂ）に示す。

図２の（Ａ）は、第２のダイオード１４をオン動作状態にした時の上記直列共振回路１５の通過特性のシミュレーション結果を示し、図２の（Ｂ）は、上記第２のダイオード１４をオフ動作状態にした時の上記直列共振回路１５の通過特性のシミュレーション結果を示している。上記直列共振回路１５は、上記第２のダイオード１４のオン・オフ動作によって、共振周波数が大きく変化している。

また、上記高周波スイッチ回路１０の通過特性のシミュレーション結果の一例を、図３の（Ａ）、（Ｂ）に、直列共振回路を備えない高周波スイッチ回路すなわち第１のダイオード１１単体でオン・オフさせた場合の特性と比較して示す。

図３の（Ａ）は、スイッチオン時の上記高周波スイッチ回路１０の通過特性のシミュレーション結果を、直列共振回路を備えない高周波スイッチ回路の通過特性のシミュレーション結果とともに示し、図３の（Ｂ）は、スイッチオフ時の上記高周波スイッチ回路１０の通過特性のシミュレーション結果を、直列共振回路を備えない高周波スイッチ回路の通過特性のシミュレーション結果とともに示している。このように、上記高周波スイッチ回路１０では、オン時の帯域内の挿入損失を劣化させることなく、オフ時のアイソレーション量を改善することができる。

また、上記高周波スイッチ回路１０は、上記第１のダイオード１１のカソードに第３のダイオードを接続し、図４に示す高周波スイッチ回路２０のように、信号入力端子Ｔ_ＩＮと信号出力端子Ｔ_ＯＵＴの間に、第１のダイオード１１Ａと第３のダイオード１１Ｂを順方向に直列接続した構成とすることにより、さらにアイソレーション量を大きくとることができる。

なお、図４に示す高周波スイッチ回路２０において、上記高周波スイッチ回路１０と同一の構成要素については、図面中に同一符号を付して詳細な説明を省略する。

この高周波スイッチ回路２０において、制御回路１９は、第１のダイオード１１Ａとともに第２のダイオード１４及び第３のダイオード１１Ｂをオン・オフ動作させ、インダクタ１２とキャパシタ１３と第２のダイオード１４からなる第１の共振回路１５を阻止帯域が切り替わる帯域阻止フィルタとして機能させ、上記第１及び第３のダイオード１１Ａ，１１Ｂがオン動作状態の時には、上記直列共振回路１５の共振周波数を上記第１及び第３のダイオード１１Ａ，１１Ｂを介して信号出力端子Ｔ_ＯＵＴから出力する主信号の周波数帯域よりも高く設定し、上記第１のダイオード１１Ａがオフ動作の時には、上記直列共振回路１５の共振周波数を主信号の周波数帯域内に設定する。

上記高周波スイッチ回路２０の通過特性のシミュレーション結果の一例を、図５の（Ａ）、（Ｂ）に、直列共振回路を備えない高周波スイッチ回路すなわち第１のダイオード１１Ａと第３のダイオード１１Ｂのみでオン・オフさせた場合の特性と比較して示す。

図５の（Ａ）は、スイッチオン時の上記高周波スイッチ回路１０の通過特性のシミュレーション結果を、直列共振回路を備えない高周波スイッチ回路の通過特性のシミュレーション結果とともに示し、図５の（Ｂ）は、スイッチオフ時の上記高周波スイッチ回路１０の通過特性のシミュレーション結果を、直列共振回路を備えない高周波スイッチ回路の通過特性のシミュレーション結果とともに示している。このように、上記高周波スイッチ回路２０では、オフ時のアイソレーション量を上記高周波スイッチ回路１０よりも改善することができる。

さらに、上記高周波スイッチ回路２０は、図６に示す高周波スイッチ回路３０のように、上記第３のダイオード１１Ｂのアノードとグランドとの間に直列接続されたインダクタ２２とキャパシタ２３と第４のダイオード２４からなり、上記第１の共振回路１５よりも高い共振周波数を有する第２の共振回路２５を備える構成とすることにより、さらにアイソレーション量を大きくとることができる。

なお、図６に示す高周波スイッチ回路３０において、上記高周波スイッチ回路２０と同一の構成要素については、図面中に同一符号を付して詳細な説明を省略する。

この高周波スイッチ回路３０において、制御回路１９は、上記第４のダイオード２４にチョークコイル１６Ｄを介して第３の電源１７Ｃから印加する制御電圧Ｖ３の極性を切り替える第３の切替回路１９Ｃを備え、第１のダイオード１１Ａとともに第２のダイオード１４、第３のダイオード１１Ｂ及び第４のダイオード２４をオン・オフ動作させることにより、上記第１の共振回路１５と上記第２の共振回路２５を阻止帯域が切り替わる２つの帯域阻止フィルタとして機能させる。

上記高周波スイッチ回路３０の通過特性のシミュレーション結果の一例を、図７の（Ａ）、（Ｂ）に、直列共振回路を備えない高周波スイッチ回路すなわち第１のダイオード１１Ａと第３のダイオード１１Ｂのみでオン・オフさせた場合の特性と比較して示す。

図７の（Ａ）は、スイッチオフ時の上記高周波スイッチ回路３０の通過特性のシミュレーション結果を、直列共振回路を１つ備える高周波スイッチ回路２０の通過特性のシミュレーション結果とともに示し、図７の（Ｂ）は、スイッチオン時の上記高周波スイッチ回路１０の通過特性のシミュレーション結果を、直列共振回路を１つ備える高周波スイッチ回路２０の通過特性のシミュレーション結果とともに示している。このように、上記高周波スイッチ回路２０では、オフ時のアイソレーション量を上記高周波スイッチ回路２０よりも改善することができる。

なお、上記高周波スイッチ回路１０、２０、３０では、スイッチ回路を構成するスイッチング素子として、信号入力端子Ｔ_ＩＮと信号出力端子Ｔ_ＯＵＴとの間にダイオードを順方向に接続したが、ダイオードを逆方向に接続した構成とすることもできる。また、スイッチ回路を構成するスイッチング素子として備えられる各ダイオード１１、１１Ａ、１１Ｂ、１４、２４としてＰＩＮダイオードを用い、スイッチング素子に与えるバイアスの極性を切替回路１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃにより切り替えて、各スイッチング素子をオン・オフ動作させるようにしたが、順方向バイアスと零バイアスを切り替えるようにしても、各スイッチング素子をオン・オフ動作させることができる。さらに、スイッチング素子には、ＭＯＳＦＥＴなどを用いることもできる。

Ｔ_ＩＮ信号入力端子、Ｔ_ＯＵＴ信号出力端子、１０、２０、３０高周波スイッチ回路、１１、１１Ａ、１１Ｂ、１４、２４ダイオード、１２、２２インダクタ、１３、２３キャパシタ、１５、２５直列共振回路、１９制御回路、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄチョークコイル、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ電源、１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ切替回路

Claims

一端が入力端とされ、他端が出力端とされた第１のスイッチング素子と、
上記第１のスイッチング素子の他端とグランドとの間に直列接続されたインダクタとキャパシタと第２のスイッチング素子と、
上記第１のスイッチング素子とともに上記第２のスイッチング素子をオン・オフ動作させる制御回路を備え、
上記第１のスイッチング素子のオン・オフ動作に連動して上記第２のスイッチング素子をオン・オフ動作させることにより、上記インダクタとキャパシタと第２のスイッチング素子からなる第１の直列共振回路を数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚの周波数帯域において阻止帯域が切り替わる帯域阻止フィルタとして機能させ、上記第１のスイッチング素子がオン動作の時には、上記第１の直列共振回路の共振周波数を上記第１のスイッチング素子を介して出力端から出力する主信号の周波数帯域よりも高く設定し、上記第１のスイッチング素子がオフ動作の時には、上記第１の直列共振回路の共振周波数を主信号の周波数帯域内に設定するようにしたことを特徴とする高周波スイッチ回路。
上記第１のスイッチング素子の他端に一端が接続され、他端が出力端とされた第３のスイッチング素子を備え、
上記制御回路は、上記第１のスイッチング素子とともに上記第２のスイッチング素子及び上記第３のスイッチング素子をオン・オフ動作させることを特徴とする請求項１記載の高周波スイッチ回路。
上記第３のスイッチング素子の他端にグランドとの間に直列接続されたインダクタとキャパシタと第４のスイッチング素子からなり、上記第１の直列共振回路よりも高い共振周波数を有する第２の直列共振回路を備え、
上記制御回路は、上記第１のスイッチング素子とともに上記第２のスイッチング素子、上記第３のスイッチング素子及び上記第４のスイッチング素子をオン・オフ動作させることにより、上記第１の直列共振回路と上記第２の直列共振回路を阻止帯域が切り替わる２つの帯域阻止フィルタとして機能させることを特徴とする請求項２記載の高周波スイッチ回路。
上記各スイッチング素子は、ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高周波スイッチ回路。