JPH0748603B2 - Semiconductor phase shifter - Google Patents

Semiconductor phase shifter

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JPH0748603B2
JPH0748603B2 JP63135958A JP13595888A JPH0748603B2 JP H0748603 B2 JPH0748603 B2 JP H0748603B2 JP 63135958 A JP63135958 A JP 63135958A JP 13595888 A JP13595888 A JP 13595888A JP H0748603 B2 JPH0748603 B2 JP H0748603B2
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semiconductor
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義忠 伊山
憲治 末松
明夫 飯田
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、マイクロ波の伝搬径路を切り換えてマイク
ロ波の位相を変える半導体移相器に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor phase shifter that switches a microwave propagation path to change a microwave phase.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

マイクロ波ん伝搬径路を切り換えてマイクロ波の位相を
変える半導体移相器には種々のものがあるが、ここでは
シリコン、GaAsなどの半導体基板に構成した電解効果ト
ランジスタ(以下FETと称す)をスイッチとして用い、
同一の半導体基板に構成したマイクロストリップ線路の
径路を切り換えてマイクロ波の位相を変える半導体移相
器を例にとって説明する。
There are various types of semiconductor phase shifters that change the microwave phase by switching the microwave propagation path. Here, the field effect transistor (hereinafter referred to as FET) configured on a semiconductor substrate such as silicon or GaAs is switched. Used as
A semiconductor phase shifter that changes the phase of the microwave by switching the paths of the microstrip lines formed on the same semiconductor substrate will be described as an example.

第6図に例えば1981年GaAsIC Symposiumpp37に開示され
た従来の半導体移相器の構造を示す。図において、
(1)は半導体基板、(2)は地導体、(3)はこの地
導体(2)と共にマイクロストリップ線路を構成するス
トリップ導体、(4)は2個のFETからなる第1の単極
単投スイッチ(以下SPDTスイッチと称す)、(5)は同
じく2個のFETからなる第2のSPDTスイッチ、(6)はF
ETのドレイン電極、(7)はFETのゲート電極、(8)
はFETのソース電極である。またFETのゲート電極(7)
にはゲートバイアス電圧を印加するため所要の周波数で
1/4波長となる高インピーダンス線路(9)および所要
の周波数で1/4波長となる低インピーダンス線路(10)
からなるバイアス回路(11)を介して、バイアス端子
(12)からバイアス電圧が印加される。なおFETのスイ
ッチ動作のためには、FETのドレイン電圧、ソース電圧
は直流的に同電位となるためドレイン電極、ソース電極
を通常接地して用いるが、図ではそのためのバイアス回
路は省略している。
FIG. 6 shows the structure of a conventional semiconductor phase shifter disclosed in, for example, 1981 GaAsIC Symposium pp37. In the figure,
(1) is a semiconductor substrate, (2) is a ground conductor, (3) is a strip conductor that constitutes a microstrip line together with this ground conductor (2), and (4) is a first unipolar single pole composed of two FETs. Throw switch (hereinafter referred to as SPDT switch), (5) is a second SPDT switch also composed of two FETs, and (6) is F
ET drain electrode, (7) FET gate electrode, (8)
Is the source electrode of the FET. Also the gate electrode of the FET (7)
At the required frequency to apply the gate bias voltage to
1/4 wavelength high impedance line (9) and 1/4 wavelength low impedance line at the required frequency (10)
A bias voltage is applied from the bias terminal (12) via the bias circuit (11). For the FET switching operation, the drain voltage and source voltage of the FET have the same DC potential, so the drain electrode and source electrode are normally grounded and used, but the bias circuit for this is omitted in the figure. .

第7図は、第6図に示した従来の半導体移相器の動作説
明のための図である。図中、(13)はマイクロストリッ
プ線路の主線路、(14)は電気長θの第1の分岐線
路、(15)は電気長θの第1の分岐線路である。今、
ドレイン電圧、ソース電圧を直流的に同電位例えば0Vに
したとすると、ゲート電圧を0Vとピンチオフ電圧に切り
換えることにより、FETのドレイン電極(6)とソース
電極(8)間はマイクロ波が通過・遮断のスイッチ動作
をする。従って、2個のFETをドレイン電極を共通して
配置し、かつそれぞれのゲートバイアス電圧を一方は0
V、他方はピンチオフ電圧とし、同時に互いに他方のバ
イアス電圧にバイアスを切り換えるならばSPDTスイッチ
が構成できる。
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the conventional semiconductor phase shifter shown in FIG. In the figure, (13) is the main line of the microstrip line, (14) is the first branch line having an electrical length of θ 1 , and (15) is the first branch line having an electrical length of θ 2 . now,
Assuming that the drain voltage and the source voltage have the same DC potential of 0 V, for example, switching the gate voltage between 0 V and the pinch-off voltage allows microwaves to pass between the drain electrode (6) and the source electrode (8) of the FET. It operates as a shutoff switch. Therefore, two FETs are arranged with the drain electrode in common, and the gate bias voltage of each is set to 0
The SPDT switch can be configured if the bias voltage is switched to the other bias voltage at the same time with V and the other pinch-off voltage.

第7図において、主線路(13)を伝搬する電波は第1の
SPTDスイッチ(4)、第1の分岐線路(14)、第2のSP
DTスイッチ(5)を通過していく。ここで、両SPDTスイ
ッチ(4)(5)を切り換え、電波伝搬径路を第2の分
岐線路(15)側に切り換えると、電波の位相は径路の電
気長の差Δθ(=θ−θ)だけ遅れることになり移
相器が構成される。
In FIG. 7, the radio wave propagating through the main line (13) is the first
SPTD switch (4), first branch line (14), second SP
Go through the DT switch (5). Here, when both the SPDT switches (4) and (5) are switched and the radio wave propagation path is switched to the second branch line (15) side, the phase of the radio wave is a difference in electrical length of the path Δθ (= θ 2 −θ 1 ) Will be delayed and the phase shifter will be configured.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

上記のような従来の半導体移相器は、第1、第2の分岐
線路(14)、(15)の長さの差で移相量が決まるため、
ストリップ導体(3)の寸法を正確に工作することによ
り精度の良い移相量特性が得られる。しかし、伝搬径路
の切り換えに必要な2個のSPDTスイッチを電波が通過す
るため挿入損失が大きいという課題があった。
In the conventional semiconductor phase shifter as described above, the amount of phase shift is determined by the difference between the lengths of the first and second branch lines (14) and (15).
By precisely machining the dimensions of the strip conductor (3), accurate phase shift amount characteristics can be obtained. However, there is a problem that the insertion loss is large because the radio wave passes through the two SPDT switches necessary for switching the propagation path.

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、低損失な半導体移相器を得ることを目的と
する。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to obtain a low-loss semiconductor phase shifter.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

この発明に係わる半導体移相器は3個の単極単投スイッ
チと1/2波長の長さのマイクロストップ線路および1/4波
長の長さのマイクロストップ線路とを組み合わせたもの
である。
The semiconductor phase shifter according to the present invention is a combination of three single-pole single-throw switches, a microstop line having a half wavelength and a microstop line having a quarter wavelength.

〔作用〕[Action]

この発明における半導体移相器は電波の通過するスイッ
チの数が1個であるので低損失な90度移相器が得られ
る。
Since the semiconductor phase shifter according to the present invention has only one switch through which radio waves pass, a low-loss 90-degree phase shifter can be obtained.

〔実施例〕〔Example〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。なお
この実施例では半導体素子と線路が同一の半導体基板を
用いて構成されたモノリシック構造の場合について示し
ている。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that this embodiment shows the case of a monolithic structure in which the semiconductor element and the line have the same semiconductor substrate.

第1図において、FETで構成された第1の単極単投スイ
ッチ(16)(以下SPSTスイッチと称す)のドレイン電極
(6)、ソース電極(8)それぞれに、入出力マイクロ
ストリップ線路を構成するストリップ導体(3)が接続
され、かつ、上記ドレイン電極(6)にソース電極
(8)をバイアホール(図示せず)等で接地した第2の
SPSTスイッチ(17)のドレイン電極(6)を接続してい
る。さらにこの第2のSPSTスイッチ(17)のドレイン電
極(6)から概略1/4波長離れた位置に、上記マイクロ
ストリップ線路(3)から分岐して概略1/2波長の長さ
のマイクロストリップ線路を構成するストリップ導体
(3)を設けて上記第1のSPSTスイッチ(16)のソース
電極(8)に接続し、かつ、この概略1/2波長の長さの
マイクロストリップ線路を構成するストリップ導体
(3)の概略中間位置に、ソース電極(8)をバイアホ
ール(図示せず)等で接地した第2のSPSTスイッチ(1
7)のドレイン電極(6)を接続した構成である。
In FIG. 1, an input / output microstrip line is formed for each of the drain electrode (6) and the source electrode (8) of the first single-pole single-throw switch (16) (hereinafter referred to as SPST switch) composed of FET. To the drain electrode (6) and the source electrode (8) is grounded by a via hole (not shown) or the like.
The drain electrode (6) of the SPST switch (17) is connected. Further, a microstrip line having a length of approximately 1/2 wavelength is branched from the microstrip line (3) at a position approximately 1/4 wavelength away from the drain electrode (6) of the second SPST switch (17). A strip conductor (3) that forms a microstrip line that is connected to the source electrode (8) of the first SPST switch (16) and that forms a microstrip line having a length of about 1/2 wavelength. A second SPST switch (1) in which the source electrode (8) is grounded by a via hole (not shown) or the like at an approximately intermediate position of (3).
This is a configuration in which the drain electrode (6) of 7) is connected.

第2図はこの発明の動作説明図である。第1のSPSTスイ
ッチ(16)の第1、第2の両電極には、入出力線路とな
る主線路(13)が接続され、さらに、上記両電極のうち
一方の電極(第1の電極)には、一方の電極を接地した
SPSTスイッチ(17)が接続され、SPSTスイッチ(16)の
他方の電極(第2の電極)には1/2波長の長さを有する
分岐線路(19)の一端が接続されている。この分岐線路
(19)の他端は、SPSTスイッチ(16)から1/4波長離れ
た位置で主線路(13)に接続され、分岐線路(19)の概
略中間位置に一方の電極を接地したSPSTスイッチ(18)
が接続されている。
FIG. 2 is an operation explanatory diagram of the present invention. The first and second electrodes of the first SPST switch (16) are connected to a main line (13) which is an input / output line, and one of the electrodes (first electrode) is further connected. Has one electrode grounded
The SPST switch (17) is connected, and one end of a branch line (19) having a length of ½ wavelength is connected to the other electrode (second electrode) of the SPST switch (16). The other end of this branch line (19) is connected to the main line (13) at a position 1/4 wavelength away from the SPST switch (16), and one electrode is grounded at a roughly intermediate position of the branch line (19). SPST switch (18)
Are connected.

第2図(a)では、第1、第3のSPSTスイッチ(16)
(18)を構成するFETのゲートバイアスが0Vに設定さ
れ、第2のSPSTスイッチ(17)を構成するFETのゲート
バイアスがピンチオフ電圧に設定された状態である。第
1、第3のSPSTスイッチ(16)(18)は導通状態となっ
ており、第2のSPSTスイッチ(17)は遮断状態となって
いる。そのため分岐線路(19)の各端から第2のSPSTス
イッチ(17)側をみたインピーダンスは高ンピーダン
ス、即ち開放状態となり、電波は分岐線路(19)および
第2のSPSTスイッチ(17)の影響を受けず第1のSPSTス
イッチ(16)を通過する。
In FIG. 2A, the first and third SPST switches (16)
The gate bias of the FET configuring the (18) is set to 0V, and the gate bias of the FET configuring the second SPST switch (17) is set to the pinch-off voltage. The first and third SPST switches (16) and (18) are in a conducting state, and the second SPST switch (17) is in a shutoff state. Therefore, the impedance seen from each end of the branch line (19) to the side of the second SPST switch (17) is in a high impedance state, that is, in an open state, and the radio waves are affected by the branch line (19) and the second SPST switch (17). Passes through the first SPST switch (16) without receiving it.

一方第2図(b)では、第1、第3のSPSTスイッチ(1
6)(18)を構成するFETのゲートバイアスがピンチオフ
に設定され、第2のSPSTスイッチ(17)を構成するFET
のゲートバイアスが0V電圧に設定された状態である。第
1、第3のSPSTスイッチ(16)(18)は遮断状態となっ
ており、第2のSPSTスイッチ(17)は導通となってい
る。そのため第2のSPSTスイッチ(17)から1/4波長離
れた分岐線路(19)の分岐点から第1のSPSTスイッチ
(16)側をみたインピーダンスは高ンピーダンス、即ち
開放状態となる。このため主線路(13)を伝搬する電波
は上記分岐点と第2のSPSTスイッチ(17)との間にある
主線路(13)の影響を受けず分岐線路(19)を経由して
伝搬するようになる。この際に伝搬経路長の違いによ
り、第2図(a)に示した場合に比べて位相が90度遅れ
る。
On the other hand, in FIG. 2B, the first and third SPST switches (1
6) FET constituting the second SPST switch (17) with the gate bias of the FET constituting the (18) set to pinch-off
The gate bias of is set to 0V voltage. The first and third SPST switches (16) and (18) are in a cutoff state, and the second SPST switch (17) is in a conductive state. Therefore, the impedance seen from the branch point of the branch line (19), which is 1/4 wavelength away from the second SPST switch (17), to the first SPST switch (16) side is high impedance, that is, the open state. Therefore, the radio wave propagating through the main line (13) propagates through the branch line (19) without being affected by the main line (13) between the branch point and the second SPST switch (17). Like At this time, the phase is delayed by 90 degrees compared to the case shown in FIG. 2A due to the difference in the propagation path length.

従って、SPSTスイッチ(16)(17)(18)を構成するFE
Tのゲートバイアスをピンチオフ電圧と0Vとに切り換え
ることにより、電波の伝搬位相は90度変化し、90度移相
器が構成できる。
Therefore, the FE that constitutes the SPST switch (16) (17) (18)
By switching the gate bias of T between the pinch-off voltage and 0V, the propagation phase of radio waves changes by 90 degrees, and a 90-degree phase shifter can be constructed.

この構成による半導体移相器では、電波はFETからなるS
PSTスイッチを一個通過するのみで90度に移相量を得る
ことができ、従来の2個のスイッチを通過しているもの
に比べて挿入損失を1/2近くに低減できる。
In the semiconductor phase shifter with this configuration, the electric wave is S
The amount of phase shift can be obtained at 90 degrees by passing only one PST switch, and the insertion loss can be reduced to nearly half that of the conventional one that passes through two switches.

なお、以上の説明ではSPSTスイッチ(17)(18)のソー
ス電極(8)はバイアホール(図示せず)等接地される
場合について説明したが、この発明はこれに限らず、第
3図に示す他の実施例のように、先端を開放した概略1/
4波長の長さのストリップ導体(20)をソース電極
(8)に接続してもよい。
In the above description, the source electrodes (8) of the SPST switches (17) and (18) are grounded such as via holes (not shown), but the present invention is not limited to this, and is illustrated in FIG. As in the other examples shown, the outline 1 /
A strip conductor (20) having a length of four wavelengths may be connected to the source electrode (8).

また、以上の説明では所要の電気長を実現するための回
路として分布定数線路を用いた場合について説明した
が、この発明はこれに限らず、第4図に示す他の実施例
のように、所要の電気長を実現するためスパイダルイン
ダクタ(21)、キャパシタ(22)等の集中定数素子を用
いて構成してもよい。
Further, in the above description, the case where the distributed constant line is used as the circuit for realizing the required electric length has been described, but the present invention is not limited to this, and as in another embodiment shown in FIG. A lumped constant element such as a spiral inductor (21) or a capacitor (22) may be used to realize a required electric length.

さらに、以上の説明では半導体素子と線路とが同一基板
に構成されるモノリシック構造の場合について説明した
が、この発明はこれに限らず、第5図に示す他の実施例
のように、半導体素子としてPINダイオード(23)を用
い基板として誘電体基板(24)を用いたディスクリート
な構造のマイクロ波ICとしてもよい。
Further, in the above description, the case of the monolithic structure in which the semiconductor element and the line are formed on the same substrate has been described. However, the present invention is not limited to this, and the semiconductor element may be the same as another embodiment shown in FIG. A microwave IC having a discrete structure in which the PIN diode (23) is used as the substrate and the dielectric substrate (24) is used as the substrate may be used.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上のように、この発明によれば、SPSTスイッチの両電
極に入出力線路となる主線路を接続し、この一方の電極
に、一つの電極を接地したSPSTスイッチを接続し、上記
主線路を接続したSPSTスイッチの他方の電極には1/2波
長の長さを有する分岐線路の一端を接続し、かつ上記分
岐線路の他端は上記SPSTスイッチから1/4波長離れた位
置で主線路に接続し、さらに上記分岐線路の概略中間位
置に一方の電極を接地したSPSTスイッチを接続する構成
とすることにより、電波はSPSTスイッチを1個通過する
だけで90度移相器が構成でき低損失な移相器を得ること
ができる。
As described above, according to the present invention, the main line to be the input / output line is connected to both electrodes of the SPST switch, the SPST switch in which one electrode is grounded is connected to this one electrode, and the main line is connected. One end of a branch line having a length of 1/2 wavelength is connected to the other electrode of the connected SPST switch, and the other end of the branch line is connected to the main line at a position 1/4 wavelength away from the SPST switch. By connecting and connecting the SPST switch with one electrode grounded to the approximate middle position of the above branch line, the radio wave can form a 90-degree phase shifter by passing only one SPST switch and low loss. It is possible to obtain a different phase shifter.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図はこの発明の一実施例を示す半導体移相器の構成
図、第2図は第1図に示す半導体移相器の動作説明図、
第3図はこの発明の他の実施例を示す半導体移相器の構
成図、第4図はの発明のまた他の実施例を示す半導体移
相器の構成図、第5図はこの発明のさらに他の実施例を
示す半導体移相器の構成図、第6図は従来の半導体移相
器の構成図、第7図は第6図に示す半導体移相器の動作
説明図である。 図中符号(1)は半導体基板、(2)は地導体、(3)
はストリップ導体、(6)はFETのドレイン電極、
(7)はFETのゲート電極、(8)FETのソース電極、
(9)は高インピーダン線路、(10)は低インピーダン
線路、(11)はバイアス回路、(12)はバイアス端子、
(13)は主線路、(16)は第1のSPSTスイッチ、(17)
は第2のSPSTスイッチ、(18)は第3のSPSTスイッチ、
(19)は分岐線路、(20)は1/4波長の長さのストリッ
プ導体、(21)はスパイタラルインダクタ、(22)はキ
ャパシタ、(23)はPINダイオード、(24)は誘電体基
板である。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。
FIG. 1 is a configuration diagram of a semiconductor phase shifter showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an operation explanatory diagram of the semiconductor phase shifter shown in FIG.
FIG. 3 is a block diagram of a semiconductor phase shifter showing another embodiment of the present invention, FIG. 4 is a block diagram of a semiconductor phase shifter showing another embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 6 is a configuration diagram of a semiconductor phase shifter showing still another embodiment, FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional semiconductor phase shifter, and FIG. 7 is an operation explanatory diagram of the semiconductor phase shifter shown in FIG. In the figure, reference numeral (1) is a semiconductor substrate, (2) is a ground conductor, and (3)
Is the strip conductor, (6) is the drain electrode of the FET,
(7) is the gate electrode of the FET, (8) is the source electrode of the FET,
(9) is a high impedance line, (10) is a low impedance line, (11) is a bias circuit, (12) is a bias terminal,
(13) is the main line, (16) is the first SPST switch, (17)
Is the second SPST switch, (18) is the third SPST switch,
(19) is a branch line, (20) is a 1/4 wavelength strip conductor, (21) is a spiral inductor, (22) is a capacitor, (23) is a PIN diode, and (24) is a dielectric substrate. Is. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−196603(JP,A) 電子情報通信学会創立70周年記念総合全 国大会講演論文集 P.3−199,「FE T直並列接続形X帯MMICスイッチ」, 昭和62年3月 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-59-196603 (JP, A) Proc. 3-199, "FET Series Parallel Connection Type X-Band MMIC Switch", March 1987

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】バイアス印加電圧により遮断または導通す
る半導体で構成され、それぞれ第1、第2の端子を有す
る第1、第2、第3の3個の単極単投スイッチと、所要
周波数で概略90度の電気長を有する第1の伝送路と同じ
く所要周波数で概略180度の電気長を有する第2の伝送
路とを備え、上記第1の単極単投スイッチは第1の端子
が入力線路と第2の伝送路の一端に、第2の端子は上記
第1の伝送路に接続され、上記第2の単極単投スイッチ
の第1の端子は上記第1の単極単投スイッチの第2の端
子に接続され、第2の端子は接地され、上記第3の単極
単投スイッチの第1の端子は上記第2の伝送路の中間点
に接続され、第2の端子は接地され、かつ上記第2の伝
送路と上記第1の伝送路の他端は出力線路に接続されて
なり、上記第1、第2、第3の3個の単極単投スイッチ
にバイアス電圧を印加する手段を備えてなることを特徴
とする半導体移相器
1. A first, a second, and a third single-pole single-throw switch made of a semiconductor which is cut off or made conductive by a bias voltage and has a first terminal and a second terminal, respectively, and a required frequency. The first transmission line having an electric length of about 90 degrees and the second transmission line having an electric length of about 180 degrees at a required frequency are provided, and the first terminal of the first single-pole single-throw switch has a first terminal. A second terminal is connected to the first transmission line at one end of the input line and the second transmission line, and a first terminal of the second single-pole single-throw switch is the first single-pole single-throw switch. A second terminal connected to the second terminal of the switch, a second terminal grounded, a first terminal of the third single-pole single-throw switch connected to an intermediate point of the second transmission line, and a second terminal Is grounded, and the other ends of the second transmission line and the first transmission line are connected to an output line. Semiconductor phase shifter characterized by comprising comprises means for applying a bias voltage to the third of three single pole single throw switch
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