JP5822660B2

JP5822660B2 - 高周波スイッチ

Info

Publication number: JP5822660B2
Application number: JP2011240263A
Authority: JP
Inventors: 竜太幸丸; 中原　和彦; 和彦中原; 山中　宏治; 宏治山中; 大塚　浩志; 浩志大塚; 正敏中山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2031-11-01
Also published as: JP2013098771A

Description

本発明は、送信時と受信時とで送信信号と受信信号との径路を切替える高周波スイッチに関する。

図６は従来の高周波スイッチを示す回路図である。
図において、入出力端子１１ａから入出力端子１１ｂの経路に、直列接続されたトランジスタ１２ａと、シャント接続されたトランジスタ１２ｂとを備え、入出力端子１１ａから入出力端子１１ｃの経路に、直列接続された高周波線路１３と、シャント接続されたトランジスタ１２ｃとを備える。なお、高周波線路１３は、電気長が所要中心周波数において９０度に設定される。

トランジスタ１２ａおよびトランジスタ１２ｃのゲートは、抵抗１５ａおよび抵抗１５ｃを介して制御信号入力端子１４ａに接続され、トランジスタ１２ｂのゲートは、抵抗１５ｂを介して制御信号入力端子１４ｂに接続される。また、トランジスタ１２ｂおよびトランジスタ１２ｃのソースは、グランド１６ａ，１６ｂに接地される。

次に動作について説明する。
送信時には、制御信号入力端子１４ａから入力される制御信号に応じてトランジスタ１２ａおよびトランジスタ１２ｃをオフ状態にし、制御信号入力端子１４ｂから入力される制御信号に応じてトランジスタ１２ｂをオン状態にする。

トランジスタ１２ｃをオフ状態にしたことから、高周波線路１３の入出力端子１１ｃ側をほぼオープンにすることができ、入出力端子１１ａから入出力端子１１ｃ側を見た入力インピーダンスをほぼ０にすることで、入出力端子１１ａと入出力端子１１ｃとの間を通過状態にし、送信信号を伝送する。また、トランジスタ１２ａをオフ状態にしたことから、入出力端子１１ａと入出力端子１１ｂとの間を遮断状態にする。

受信時には、制御信号入力端子１４ａから入力される制御信号に応じてトランジスタ１２ａおよびトランジスタ１２ｃをオン状態にし、制御信号入力端子１４ｂから入力される制御信号に応じてトランジスタ１２ｂをオフ状態にする。

トランジスタ１２ｃをオン状態にしたことから、高周波線路１３の入出力端子１１ｃ側をほぼショートにすることができ、入出力端子１１ａから入出力端子１１ｃ側を見た入力インピーダンスをほぼ∞にすることで、入出力端子１１ａと入出力端子１１ｃとの間を遮断状態にする。また、トランジスタ１２ａをオン状態にしたことから、入出力端子１１ａと入出力端子１１ｂとの間を通過状態にし、受信信号を伝送する。

このように、図６に示した従来の高周波スイッチでは、送信時において、入出力端子１１ａと入出力端子１１ｃとの間を通過状態にしたときに、大電流が流れるトランジスタが存在しないため、ゲート幅の大きなトランジスタを用いる必要が無く、入出力端子１１ａと入出力端子１１ｂとの間を通過状態としたときの低損失化に有効である（下記特許文献１）。

特開２００７−１６６５９６号公報

従来の高周波スイッチは以上のように構成されているので、高耐電力特性が必要な送信時において、入出力端子１１ａと入出力端子１１ｃとの間を通過状態とし、低損失特性が必要な受信時において、入出力端子１１ａと入出力端子１１ｂとの間を通過状態にする。

よって、送信時においては、トランジスタ１２ａ，１２ｃがオフ状態であるため、入力電力が大きくなるほど、オフ状態のトランジスタに印加される電圧が大きくなる。そのため、高耐電力を得るためには高耐圧なトランジスタが必要となる。

しかしながら、トランジスタの特性として耐圧とオン抵抗とは、トレードオフの関係にあるため、高耐圧なトランジスタになるほどオン抵抗が大きくなり、低損失特性が必要な受信時において、高周波スイッチの損失が大きくなる課題があった。

本発明は前記のような課題を解決するためのものであり、高耐電力特性が必要な送信時において、高耐圧なトランジスタを不要にすると共に、低損失特性が必要な受信時において、信号経路にオン状態のトランジスタが存在しないため低損失化に有効な高周波スイッチを得ることを目的とする。

本発明の高周波スイッチは、一端が第１の入出力端子に接続され、他端が第２の入出力端子に接続された第１のトランジスタと、一端が第１のトランジスタと第２の入出力端子との接続部に接続された第１の高周波線路と、一端が第１の高周波線路の他端に接続され、他端がグランドに接地された第２のトランジスタと、一端が第１の入出力端子に接続され、他端が第３の入出力端子に接続された第２の高周波線路と、一端が第２の高周波線路と第３の入出力端子との接続部に接続され、他端がグランドに接地された第３のトランジスタとを備え、第１のトランジスタの制御端子は、第１の抵抗を介して、第２のトランジスタの制御端子は、第２の抵抗を介して、第３のトランジスタの制御端子は、第３の抵抗を介して、制御信号入力端子にそれぞれ接続され、送信時には、制御信号入力端子から入力される制御信号に応じて第１のトランジスタから第３のトランジスタをオン状態にして、第１の入出力端子と第２の入出力端子との間を通過状態にさせ、受信時には、制御信号入力端子から入力される制御信号に応じて第１のトランジスタから第３のトランジスタをオフ状態にして、第１の入出力端子と第３の入出力端子との間を通過状態にさせるものである。

本発明によれば、高耐電力特性が必要な送信時において、全てのトランジスタをオン状態にする。このとき、高周波スイッチの耐電力は、トランジスタのゲート幅および飽和電流によって決定されるため、トランジスタの耐圧には依存しない。よって、送信時において、高耐圧なトランジスタは不要になる。

一方、高耐電力特性が必要でなく、低損失な通過特性が必要な受信時において、全てのトランジスタをオフ状態にする。このとき、受信信号の通過経路にオン状態のトランジスタが存在しないため、受信時の通過損失の低損失化に有効となる。

さらに、トランジスタの特性として、オン抵抗と耐圧とはトレードオフの関係にあることから、高耐圧特性が必要でない場合に、オン抵抗の小さなトランジスタが使用可能になる。よって、オン抵抗の小さいトランジスタを使用できるため、トランジスタがオン状態で動作する送信時において、送信信号が受信側の第３の入出力端子に漏洩するアイソレーションを良好にすることができる効果がある。

この発明の実施の形態１における高周波スイッチを示す回路図である。送信時の高周波スイッチの等価回路を示す回路図である。受信時の高周波スイッチの等価回路を示す回路図である。この発明の実施の形態２における高周波スイッチを示す回路図である。この発明の実施の形態３における高周波スイッチを示す回路図である。従来の高周波スイッチを示す回路図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における高周波スイッチを示す回路図である。
図において、電界効果トランジスタ（以下、単にトランジスタと言う）２ａは、ドレインが入出力端子１ａに接続され、ソースが入出力端子１ｂに接続される。高周波線路３ａは、一端がトランジスタ２ａのソースと入出力端子１ｂとの接続部に接続される。トランジスタ２ｂは、ドレインが高周波線路３ａの他端に接続され、ソースがグランド５ａに接地される。

高周波線路３ｂは、一端が入出力端子１ａに接続され、他端が入出力端子１ｃに接続される。トランジスタ２ｃは、ドレインが高周波線路３ｂと入出力端子１ｃとの接続部に接続され、ソースがグランド５ｂに接地される。トランジスタ２ａ〜２ｃのゲートは、抵抗６ａ〜６ｃを介して制御信号入力端子４ａに接続される。なお、高周波線路３ａ，３ｂは、電気長が所要中心周波数において９０度に設定される。

また、制御信号入力端子４ａを通じてトランジスタ２ａ〜２ｃに印加する電圧は、ピンチオフ電圧以上を印加することにより、トランジスタ２ａ〜２ｃのドレイン・ソース間をオン状態とし、ピンチオフ電圧以下を印加することにより、トランジスタ２ａ〜２ｃのドレイン・ソース間をオフ状態とする。なお、オン状態のトランジスタは抵抗、オフ状態のトランジスタは容量として見なすことができる。以後、これらの抵抗および容量を、トランジスタのオン抵抗およびオフ容量と呼ぶ。

次に動作について説明する。
図２に送信時の高周波スイッチの等価回路を示す。
送信時には、制御信号入力端子４ａからトランジスタ２ａ〜２ｃのゲートに、ピンチオフ電圧以上の電圧が印加され、全てのトランジスタ２ａ〜２ｃをオン状態にする。

このとき、トランジスタ２ａ〜２ｃのオン抵抗７ａ〜７ｃが十分小さく、高周波線路３ａ，３ｂの電気長が所要中心周波数において９０度に設定されていると、高周波線路３ａの他端Ｂ側をほぼショートにすることができ、高周波線路３ａの一端Ａ側から他端Ｂ側を見た入力インピーダンスをほぼ∞にすることで、高周波線路３ａを遮断状態にし、入出力端子１ａから入出力端子１ｂに送信信号を伝送する。

また、高周波線路３ｂの他端Ｃ側をほぼショートにすることができ、入出力端子１ａから入出力端子１ｃ側を見た入力インピーダンスをほぼ∞にすることで、入出力端子１ａと入出力端子１ｃとの間を遮断状態にし、入出力端子１ａからの送信信号を遮断する。

次に、送信時の耐電力特性について示す。
送信時には、全てのトランジスタ２ａ〜２ｃをオン状態にする。
このとき、各トランジスタには、入力電力Ｐ_ｉｎに対しＲＦ電流Ｉ_ＲＦが流れる。この電流値は、オン抵抗が十分に小さい場合に、次式（１）と表すことができる。

オン状態のトランジスタの最大許容電力Ｐ_ｍａｘは、ゲート電圧０Ｖでの飽和電流Ｉ_ｄｓｓを用いて、次式（２）と表すことができる。

ここで、Ｚ_０は系のインピーダンスである。

さらに、トランジスタの飽和電流Ｉ_ｄｓｓは、トランジスタのゲート幅Ｗ_ｇおよび単位ゲート幅辺りの飽和電流Ｉ_ｄｓｓ０から次式（３）と表すことができる。

よって、この実施の形態１における高周波スイッチの耐電力は、ゲート幅および飽和電流によって決定されるため、トランジスタの耐圧には依存しない。したがって、送信時において、高耐圧なトランジスタは不要になる。

図３に受信時の高周波スイッチの等価回路を示す。
受信時には、制御信号入力端子４ａからトランジスタ２ａ〜２ｃのゲートに、ピンチオフ電圧以下の電圧が印加され、全てのトランジスタ２ａ〜２ｃをオフ状態にする。

このとき、トランジスタ２ａ〜２ｃのオフ容量８ａ〜８ｃが十分小さく、高周波線路３ａ，３ｂの電気長が所要中心周波数において９０度に設定されていると、高周波線路３ａの他端Ｂ側をほぼオープンにすることができ、高周波線路３ａの一端Ａ側から他端Ｂ側を見た入力インピーダンスをほぼ０にすることで、高周波線路３ａを通過状態にする。しかし、トランジスタ２ａがオフ状態であることから、入出力端子１ａから入出力端子１ｂへの受信信号を遮断する。

また、高周波線路３ｂの他端Ｃ側をほぼオープンにすることができ、入出力端子１ａから入出力端子１ｃ側を見た入力インピーダンスをほぼ０にすることで、入出力端子１ａと入出力端子１ｃとの間を通過状態にし、入出力端子１ａから入出力端子１ｃに受信信号を伝送する。

次に、受信時の通過特性について示す。
受信時には、全てのトランジスタ２ａ〜２ｃをオフ状態にする。
よって、受信信号の伝送経路にオン状態のトランジスタが存在しないため、低損失な通過特性を得ることが可能となる。

また、全てのトランジスタがオフ状態となるため、入力電力Ｐ_ｉｎに対し、印加されるＲＦ電圧の振幅Ｖ_ＲＦを次式（４）と表すことができる。

しかし、通常、受信信号の電力は小さいため、トランジスタには高耐圧特性は要求されない。

以上のように、この実施の形態１によれば、高耐電力特性が必要な送信時において、全てのトランジスタ２ａ〜２ｃをオン状態にする。このとき、高周波スイッチの耐電力は、トランジスタのゲート幅および飽和電流によって決定されるため、トランジスタの耐圧には依存しない。よって、送信時において、高耐圧なトランジスタは不要になる。

一方、低損失な通過特性が必要な受信時において、全てのトランジスタ２ａ〜２ｃをオフ状態にする。このとき、受信信号の通過経路にオン状態のトランジスタが存在しないため、受信時の通過損失の低損失化に有効となる。

さらに、トランジスタの特性として、オン抵抗と耐圧とはトレードオフ関係にあることから、高耐圧特性が必要でない場合に、オン抵抗の小さなトランジスタが使用可能になる。よって、オン抵抗の小さいトランジスタを使用できるため、トランジスタがオン状態で動作する送信時において、送信信号が受信側の入出力端子１ｃに漏洩するアイソレーションを良好にすることが可能となる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２における高周波スイッチを示す回路図である。
図において、高周波線路３ｃは、一端が高周波線路３ｂの他端に接続され、他端が入出力端子１ｃに接続される。トランジスタ２ｄは、ドレインが高周波線路３ｃと入出力端子１ｃとの接続部に接続され、ソースがグランド５ｃに接地される。トランジスタ２ｄのゲートは、抵抗６ｄを介して制御信号入力端子４ａに接続される。なお、高周波線路３ｃは、電気長が所要中心周波数において９０度に設定される。
その他の構成については、実施の形態１と同様である。

次に動作について説明する。
送信時には、制御信号入力端子４ａからトランジスタ２ａ〜２ｄのゲートに、ピンチオフ電圧以上の電圧が印加され、全てのトランジスタ２ａ〜２ｄをオン状態にする。

このとき、トランジスタ２ａ〜２ｄのオン抵抗が十分小さく、高周波線路３ａ〜３ｃの電気長が所要中心周波数において９０度に設定されていると、入出力端子１ａから入出力端子１ｂに送信信号を伝送する。

また、高周波線路３ｂに加えて、高周波線路３ｃの他端側をほぼショートにすることができ、入出力端子１ａから入出力端子１ｃ側を見た入力インピーダンスをほぼ∞にすることで、入出力端子１ａと入出力端子１ｃとの間を遮断状態にし、入出力端子１ａからの送信信号を遮断する。

受信時には、制御信号入力端子４ａからトランジスタ２ａ〜２ｄのゲートに、ピンチオフ電圧以下の電圧が印加され、全てのトランジスタ２ａ〜２ｄをオフ状態にする。

このとき、トランジスタ２ａ〜２ｄのオフ容量が十分小さく、高周波線路３ａ〜３ｃの電気長が所要中心周波数において９０度に設定されていると、入出力端子１ａから入出力端子１ｂへの受信信号を遮断する。

また、高周波線路３ｂに加えて、高周波線路３ｃの他端側をほぼオープンにすることができ、入出力端子１ａから入出力端子１ｃ側を見た入力インピーダンスをほぼ０にすることで、入出力端子１ａと入出力端子１ｃとの間を通過状態にし、入出力端子１ａから入出力端子１ｃに受信信号を伝送する。

以上のように、この実施の形態２によれば、実施の形態１の構成に加えて、高周波線路３ｃおよびトランジスタ２ｄによる回路を接続したので、送信時に、より高いアイソレーションを得ることが可能となる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３における高周波スイッチを示す回路図である。
図において、インダクタ９ａは、トランジスタ２ａのドレインとソースとの間に接続され、トランジスタ２ａのオフ状態におけるオフ容量と所要中心周波数において並列共振するように設定される。インダクタ９ｂは、トランジスタ２ｂのドレインとソースとの間に接続され、トランジスタ２ｂのオフ状態におけるオフ容量と所要中心周波数において並列共振するように設定される。インダクタ９ｃは、トランジスタ２ｃのドレインとソースとの間に接続され、トランジスタ２ｃのオフ状態におけるオフ容量と所要中心周波数において並列共振するように設定される。
その他の構成については、実施の形態１と同様である。

次に動作について説明する。
この実施の形態３においても、送信時には、全てのトランジスタ２ａ〜２ｃをオン状態にし、受信時には、全てのトランジスタ２ａ〜２ｃをオフ状態にする。

送信時では、トランジスタ２ａ〜２ｃのオン抵抗が十分に小さい場合、トランジスタとインダクタの並列回路は、ほぼスルーと見なすことができ、並列接続されたインダクタの影響はない。

受信時では、トランジスタのオフ容量と、並列接続されたインダクタとにより、所要中心周波数にて並列共振するため、トランジスタとインダクタの並列回路は、所要中心周波数にてオープンと見なすことができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、実施の形態１の構成に加えて、トランジスタのオフ容量と、並列接続されたインダクタにより、所要中心周波数において並列共振するので、受信時の高周波線路の他端側をよりオープンにすることができ、高周波線路の入力インピーダンスを更に０に近付けることで、小信号特性を良好にすることが可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意な構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意な構成要素の省略が可能である。

１ａ〜１ｃ，１１ａ〜１１ｃ入出力端子、２ａ〜２ｄ，１２ａ〜１２ｃトランジスタ、３ａ〜３ｃ，１３高周波線路、４ａ，１４ａ，１４ｂ制御信号入力端子、５ａ〜５ｃ，１６ａ，１６ｂグランド、６ａ〜６ｄ，１５ａ〜１５ｃ抵抗。

Claims

一端が第１の入出力端子に接続され、他端が第２の入出力端子に接続された第１のトランジスタと、
一端が前記第１のトランジスタと前記第２の入出力端子との接続部に接続された第１の高周波線路と、
一端が前記第１の高周波線路の他端に接続され、他端がグランドに接地された第２のトランジスタと、
一端が前記第１の入出力端子に接続され、他端が第３の入出力端子に接続された第２の高周波線路と、
一端が前記第２の高周波線路と前記第３の入出力端子との接続部に接続され、他端がグランドに接地された第３のトランジスタとを備え、
前記第１のトランジスタの制御端子は、第１の抵抗を介して、
前記第２のトランジスタの制御端子は、第２の抵抗を介して、
前記第３のトランジスタの制御端子は、第３の抵抗を介して、制御信号入力端子にそれぞれ接続され、
送信時には、前記制御信号入力端子から入力される制御信号に応じて前記第１のトランジスタから前記第３のトランジスタをオン状態にして、前記第１の入出力端子と前記第２の入出力端子との間を通過状態にさせ、
受信時には、前記制御信号入力端子から入力される制御信号に応じて前記第１のトランジスタから前記第３のトランジスタをオフ状態にして、前記第１の入出力端子と前記第３の入出力端子との間を通過状態にさせることを特徴とする高周波スイッチ。
一端が第１の入出力端子に接続され、他端が第２の入出力端子に接続された第１のトランジスタと、
一端が前記第１のトランジスタと前記第２の入出力端子との接続部に接続された第１の高周波線路と、
一端が前記第１の高周波線路の他端に接続され、他端がグランドに接地された第２のトランジスタと、
一端が前記第１の入出力端子に接続された第２の高周波線路と、
一端が前記第２の高周波線路の他端に接続され、他端が第３の入出力端子に接続された第３の高周波線路と、
一端が前記第２の高周波線路と前記第３の高周波線路との接続部に接続され、他端がグランドに接地された第３のトランジスタと、
一端が前記第３の高周波線路と前記第３の入出力端子との接続部に接続され、他端がグランドに接地された第４のトランジスタとを備え、
前記第１のトランジスタの制御端子は、第１の抵抗を介して、
前記第２のトランジスタの制御端子は、第２の抵抗を介して、
前記第３のトランジスタの制御端子は、第３の抵抗を介して、
前記第４のトランジスタの制御端子は、第４の抵抗を介して、制御信号入力端子にそれぞれ接続され、
送信時には、前記制御信号入力端子から入力される制御信号に応じて前記第１のトランジスタから前記第４のトランジスタをオン状態にして、前記第１の入出力端子と前記第２の入出力端子との間を通過状態にさせ、
受信時には、前記制御信号入力端子から入力される制御信号に応じて前記第１のトランジスタから前記第４のトランジスタをオフ状態にして、前記第１の入出力端子と前記第３の入出力端子との間を通過状態にさせることを特徴とする高周波スイッチ。
少なくとも１つのトランジスタの一端と他端との間にインダクタを接続し、
前記インダクタは、
前記トランジスタのオフ状態におけるオフ容量と所要中心周波数において並列共振するように設定されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波スイッチ。
高周波線路の電気長が所要中心周波数において９０度に設定されたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の高周波スイッチ。