JPS6058717A - 超高周波信号の切替マトリクス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超高周波範囲で作動するモノリシック切替マト
リクスに係る。マトリクスのすべての交点は同一であシ
、かつ特に個々の切替点または接続点で損失を補正また
は平衡化することを可能にする利得をもつ電界効果トラ
ンジスタ（以下ＦＥＴと略記〕より々る能動素子で構成
される。

超高周波切替マトリクスは電気通信においてビームの通
路をベースバンドでの復調なしに切替えるために使用さ
れる。このシステムはハイプリツｒ構造をもち、従って
その面積および体積は集積回路より大きなものとなる。

さらに固有利得をもたない受動素子をもつ切替マトリク
スでは、個々のカップラの損失を考慮する必要があるた
め、交点はマトリクス内での位置に従つてすべて異なシ
、従って結合は各点で異なシ、カップラも同様に違う。

モノリシック技術は切替マトリクスの製造に完壁に適し
ており、体積の面でも熱放散の面でも節約が可能である
。２つの基本素子、主としてＰＩＮダイオードとＦＥＴ
　、が用いられる。

これら２ｆｌの素子は、超音周波電気通信の工業化にと
って独創的かつ興味深い解決法をもたらすモノリシック
集積回路よりなる２種の異なる構造に対応する。

本発明の切替マトリクスはモノリシックであり。

切替信号を前記の方法によシ切替損失とは無関係に平衡
化しうる利得を有する能動素子を使用している。本発明
の切替マトリクスは切替点が全部同一であり、従って集
積回路の製造が容易化されるという利点を有する。本発
明の切替マトリクスでは、第１通路すなわちチャンネル
から送出される信号は、少くとも１個の２ドレインまた
は２ソース形ＦＥＴか、もしくは２個の並列形Ｆ’ＥＴ
かを用いる第１システムすなわち分割器によって分割さ
れる。この信号の第２通路すなわちチャンネルへの伝送
は、１個の２グリツドＦＥＴか、２個の直列形ＦＥＴか
、もしくは１個のＰＩＮダイオードかによって制御され
る。、第１チヤンネルの信号と第２チヤンネルとの結合
は第２システムすなわち電力結合器により得られるが、
この電力結合器は切替システム、すなわち１個の多重グ
リッドトランジスタまたは複数個の直列形トランジスタ
と同一でありうる。モノリシック集積回路では、集積回
路チップの基板面上に金属ラインの形で形成された切替
マトリクスの通路の交点は、誘電層によシ絶縁されたブ
リッジ、２本の通路を空中で交差させるエアブリッジ、
または半導体材料で２本の通路を交差させるかまたはメ
タリゼーションポ　−ルを用いて集積回路チップの第１
面から第２而に伝ワる多重レベルシールディングによる
公知形の絶縁ブリッジ技術によって製造することができ
る。

従って本発明の切替マトリクスを製造するために使用さ
れる手段は１、それらが集積回路であり、ＦＥＴ　であ
シ、導電性の金属付着部、好ましくはＰＩＮダイオード
であることから、これら全部が１個の半導体材料チップ
上に作りつけられる。このことは、酸化ベリリウムまた
はアルミナの基板上にマイクロストリップを形成するハ
イブリッド技術を用いる公知形切替マトリクスと比較し
て明らかに有利である。

本発明は特に、第１の複数個の入力チャンネルすなわち
列から第２の複数個の出力チャンネルすなわち行へ超高
周波電気信号を切替えるためのマトリクスであって、入
力チャンネルから出力チャンネルへの信号の伝達が交点
でおこなわれ、夫々−人力チャンネルによシ伝送される
信号を入力側で受信し、複数個の等信号に分割された信
号を出力側で送出する電力分割器 一外剖信号により制御され、電力分割器から送出される
信号を電力結合器に転送する制御スイッチ（前記電力結
合器は前記スイッチにより伝達された信号を出力チャン
ネルに伝達し、電力分割器、制御スイッチおよび電力結
合器により構成されるシステムはＦＥＴ形能動素子によ
り得られる。） を包有することを特徴とする。

以下に本発明の切替マトリクスのいくつかの具体例につ
き添付図面を参照してさらに詳しく説明する。

第１図は直列式に接続された切替マトリクスの概略図で
ある。この切替マトリクスでは、簡単のため列と呼称す
る複数のチャンネル、たとえば、Ｌ、〜Ｌ４が、行と呼
称する第２の複数のチャンネルＣ１〜Ｃ４と切替え可能
である。第１列、たとえば、Ｌｓは、所定数の切替交点
Ｐ１〜Ｐ４で、第２行Ｃｉ〜Ｃ４の任意の１行と切替え
ることができる。夫々の切替交点で、第１図の矢印は１
列し！からの信号が、行Ｃ１−０４のうち１行又はそれ
以上に切替えられうる制御動作をおられす。

第１図は、図を理解しやすくするための切替マトリクス
のごく１部だけを示しておシ、従って、実際は、切替マ
トリクスは多数のチャンネルを有している。

今まで、とくに本発明がカッ９−する超高周波範囲では
、切替マトリクスは、第２図に示す変動手段を用いて製
作されてきた。

第１図では、列Ｌｓは、たとえば、行Ｃｓと切替光られ
る・先行技術によれば、列Ｌ１は、列Ｌ１に属するマイ
クロストリップよシなるカップラと、第１マイクロスト
リツプ１と並列に配置された第２マイクロストリツプ２
を包有する。マイクロストリップ１，２よシなるカップ
ラの抽出する電力は、行ｃ３へ向かい、行ｃ３は、さら
に、列Ｌ１のマイクロストリップ２と結合するマイクロ
ストリップ４および行Ｃ３に属するマイクロストリップ
５によシ構成される第２カツプラを有する。

列Ｌ１と行Ｃ３との間の結合は、スイッチ３によって制
御される。スイッチが開くと、交点Ｐ３には結合がなく
、このスイッチ３が閉じると、結合がおこなわれる。今
までは、スイッチは主として。

ＰＩＮダイオードで構成され、また時には、電界効果ト
ランジスタで構成されている。

このタイプの交点は受動手段にょシ全体が構成され、電
界効果トランジスタがスイッチとして使用される場合は
、結合損失を補償するための利得は何ら供給しない。従
って、先行技術の切替マトリクスは、各交点Ｐ１．　Ｐ
ｇ　、　Ｐａ・・・Ｐｉで損失があシ、電力がスイッチ
のすべての行に均等に分配されるためには、カップラ内
のこれらの損失を考慮しなければならない。従って、マ
イクルストリップの寸法が各交点について差があるとす
れば、結合レベルは、種々の交点に対して１／１０．１
／８．１／２である。

本発明によれば、切替マトリクスのすべての交点は、全
く同じである。なぜならば、これらの交点が、利得をも
ち、かつマトリクス行内に分配された電力にノ々ランス
をつけるため電気信号によシ制御されうゐ能動素子、す
なわち、電界効果トランジスタで構成されるからである
。

第３図は、切替マトリクスを直列分配するだめの本発明
に従う交点の構成を示す。第３図は、比較を容易にする
ため、同じ列Ｌ１が同じ行ＣＳ上で切替えられる第２図
と比較すれば有利である。

列Ｌ＋から送られる信号は、２個の出カフ、８をもつ増
幅器６としてあられされている電力２分割器によシ各交
点について先ず分割される。第１の出カフは、列Ｌ！を
連続させ、第３図は、交点Ｐ３を例として示しているか
ら、次の交点Ｐ４に向けられる。第２の出力８は、制御
スイッチ９に向かい、このスイッチ９は第１人力口で分
割器６からの信号を受信し、第２人力口で制御信号１ｏ
を受信する。制御スイッチ９の出力信号は、電力結合器
１２に伝えられ、との電力結合器１２は電力分割器６と
制御スイッチ９を介して列Ｌ１からの第１人力信号１１
を第１人力口で受信する。第２人力口では、行Ｃ３から
の信号１３を受信し、電力結合器１２からの出力信号は
、行Ｃｓの出力となる。

第３図の電力分割器、電力結合器および制御スイッチは
信号的に示されている。電力分割器は、事実上は、２ド
レインまたは２ソーストランジスタである〃ζこの場合
は、利得は何ら得られない。

電力分割器６は、差動増幅器、あるいは並列接続した２
個の増幅器でもよい。重要なことは、電力分割器６の入
力口に伝送される信号が２個の出カフおよび８の間で細
分割されることである。

制御スイッチ９は、よシ有利には、２グリツド形電界効
果トランジスタであって、これらの１つは電力分割器６
からの入力信号を集めるためのものでｓｂ、制御信号１
０は、他のスイッチに送られる。この制御スイッチは、
さらに２個の直列電界効果トランジスタを含むことがで
き、これらは２個で１個の２グリツド形電界効果トラン
ジスタに相当する。制御スイッチ９は、２つの２進状態
０および１に適合されることが望ましい。開路状態での
絶縁はきわめて重要で、４０ｄＢ以上でなければならな
い。

電力結合器１２は、２個の入力と１個の出力を備える増
幅器であって、入力と出力の間に相互作用が存在しない
ことが必要である。電力結合器の好ましい具体例は、２
グリツド形Ｆ’ＥＴであって、ここでは、電力分割器６
、制御スイッチ９及び電力結合器１２はＦＥＴによって
、すなわち同一技術を用いて形成されるから、集積回路
の製造を簡単化するととができる。電力結合器１２は、
２グリツＰ形ＦＥＴであるか、または制御スイッチの場
合と同様、直列接続された単一グリッド形の２個のＦＥ
Ｔで構成してもよい。

第４図は、並列接続した切替マトリックスの概略図であ
る。この切替マトリックスの構造によれば、Ｅｌのよう
な第１チヤンネルは、出力チャネルＳ！、　Ｓ！　、　
Ｓｓのような複数個の他チャネルと並列ではなく直列に
接続されうる。入力チャネルＥ１から送出される信号は
、電力分割器ＤＩによって複数個の信号に分割され、こ
れらの信号は夫々、再結合デバイスＲ４、＆　−Ｒｓを
介して出力チャネルに付加されるが、その前に制御スイ
ッチ３を通過する。少数の入力チャンネルＥ１〜Ｅ３お
よび出力チャネル５ｌ−８ｓが図面を簡単にするため使
用されているだけだが、本発明のスイッチの範囲はこれ
のみに限定され々い。並列接続では、第１図の直列接続
での交点Ｐ１〜Ｐ４のような交点は存在しない。また各
信号は出力信号の数に等しい数に再分割される。各チャ
ンネルは別個に切換えられ、出力は単一の操作でマトリ
クスの１つの出力上に再集合され、再結合される。

先行技術では、第４図の電力分割器Ｄ１〜Ｄ３は、縦続
接続形のウィルキンソン式分割結合器である。本発明で
は、それらは多重入力または多重出力ＦＥＴ、すなわち
多重ソース、多重ドレインまたは多重グリッド形ＦＥＴ
であるが、この種のトランジスタについては、信号レベ
ルを一定に維持する利得をもたせるのが有利である。

制御スイッチ３はことでも２グリツドＦＥＴである。

再結合装置Ｒ，〜ｉは好ましくは多重入力または多重出
力ＦＥＴ、すなわち多重ソース、多重ドレインまたは多
重グリッド形ＦＥＴである。分割または再結合システム
は多重ソース、多１ドレインまたは多重グリッド、トラ
ンジスタであることは明らかである。夫々の接続法は夫
々の可能性と欠点があシ、本発明の集積回路を形成する
だめの好ましい接続形式については後に検討する。これ
らは、集積回路の構造を簡単化する接続法であって、好
ましくは反復装置内の交点の同一機能についてはすべて
同形のトランジスタを使用するのが好ましい。

第５図は、本発明の切替マトリクスの直列接続構造の非
限定的な第１の具体例をあられす。第５図は第３図を正
確に引写したものであるが、さらに細部を記入しである
。従って列Ｌ１からの信号は、交点Ｐ３で行Ｃ３と接続
する。第３図と比較すれば、電力結合システム１２は、
電圧Ｖ−を電源とする２グリツドＦＥＴであシ、第１グ
リツド、では、制御スイッチ９からの信号１１を、第２
グリツドではコラムＣ３がらの信号１３を受信すること
がわかる。

第３図の制御スイッチ９は、電圧Ｖ＋を印加される２グ
リツドＦＥＴによシ構成され、第１グリツドでは電力分
割システムからの信号８を、第２グリツＰでは制御信号
１０を受信する。制御累子９および結合累子１２は同一
技術で構成された２グリツｒＦＥＴであることが有利で
ある。

最後に、第３図の分割増幅器６け、２個のＦＥＴ１４．
１５によ多形成される差分増幅器の形状である。これら
は共通ソース方式で接続され、電流ソース方式の第３の
ＦＥＴ　１６によって給電される。切替マトリクス列Ｌ
１にょシ搬送される信号はトランジスタ１４．１５の２
個のグリッドに同時に付毒され、２個の等信号、すなわ
ち列Ｌ１の７に送られる１ｆｌｉｆｆｉと制御スイッチ
９の８に送られる１個に分割される。

２個のトランジスタ１４．１５よシなる差分増幅器に代
って、列Ｌｌに伝えられる信号が付加される単１グリッ
ドと、列り、の７に対応する第１ドレインと制御スイッ
チの８に対応する第２ドレインの２個のドレインとを有
する単−個のトランジスタを使用することもできょう。

優た１グリツド、２ソースを有する単−個のトランジス
タを使用することもできるが、この場合は切替損失を補
償するための利得は何も存在しない。最後に、２個の増
幅器を並列に接続して使用してもよい。

この場合は、制御スイッチ９は２個のグリッドを有する
単一トランジスタとして示されている。

２個の直列接続した単一グリッドトランジスタは２グリ
ッドトランジスタ１個と等量であることは公知である。

これら２個のトランジスタは１個のドレイン、１個のソ
ースにょ多接続され、第１のトランジスタのグリッドは
電力分割器から信号を受信し、第２のトランジスタのグ
リッドは制御信号を受信し、第１のトランジスタのソー
スはバイアスを受け、第２のトランジスタのドレインは
出力システムを構成し、この出方は信号結合器のグリッ
ドに適用される。

第６図は、第４図の並列切替マ）　ＩＪクスの１具体例
である。但しこの種の切替マトリクスの並列接続構造は
、直列切替マ）　ＩＪクスの場合のように交点を分離す
ることができない。少くとも２個の交点を示す必要があ
シ、第６図は第２図との対応をよくするため非限定的に
そのうちの３個を使用している。

但し、本発明の構成単位を明確にするため、電力分割器
は第６図では６１．６２．６３で示している。これらは
第３図の電力分割器６に対応しておシ、制御スイッチは
９１〜９９で、電力結合器は１２１．１２２．１２３で
示し、第３図の制御スイッチ９および電力結合器１２に
対応している。

３個の入力Ｅ１、Ｅ３、Ｅ３　から発出する信号は、本
発明の並列切替マトリクス内では、第４図の分割システ
ムＤＩ、Ｄ、、Ｄｍに対応する３個のＦＥＴ６１．６２
．６３の３個のグリッドに付加される。

辷れらのトランジスタは複数個のドレインを有し、個々
のトランジスタは、給電される出力チャンネルと同数の
ドレイン、すなわちこの場合は３個の出力チャンネルに
対して３個のドレインを備えている。電力分割器トラン
ジスタ６１．６２．６３よシ発する信号は、入力チャン
ネルに出力チャンネル数を乗じた数と同数のＦＥＴ９１
〜９９に付与される。トランジスタ９１〜９９は制御ス
イッチで、第６図に示した方法で接続され、分割器６１
からの信号はトランジスタ９１のソースに与えられる。

これらのトランジスタはまた第５図のトランジスタ９に
ついて示したように２グリツドトランジスタでもよい。

２ｆ固のグリノＰのうち一方は電力分割器から信号を受
信し他方のグリッドは制御信号を受信する。第６図の場
合、各制御トランジスタのグリッド上の矢印は制御作用
をあられす。

最後に、入力チャンネルからの信号は、個々の場合に入
力チャンネルと同数のグリッドをもつ結合器トランジス
タ１２１．１２２．１２３に付加される。

これらのＦＥＴ１２１．１２２．１２３はアースされた
ソースをもち、出力列Ｓ１．Ｓ＊、Ｓ３はトランジスタ
１２１．１２２．１２３のドレインにそれぞれ接続する
。

第４図を、第６図に適合して観察すれば、３個の入力チ
ャンネルと３１２１の出力チャンネルが見分けられる力
ζこれは限定的なものではなく、可変数の入力２インと
、入力ラインの数に等しくない可変数の出力ラインよ多
構成することもできる。

但し、たとえば、８人力、８出力または１６人力、１６
出力のマトリクスについて、２個ないし３個のグリッド
をもつトランジスタが可変数の信号を結合しうるような
数の結合器トランジスタ１２１゜１２２％１２３を再集
合することが好ましい。

本発明の切替マトリクスの特徴は、入カー出カライン即
ちマトリクス形式の関数としての行及び列を形成する金
属付着部を交差させることである。

いずれの場合でも、この種の金属付着部は第１の能動素
子を第２の能動素子に結びつけるために交差している。

切替マトリクスは主として極超短波に関係するから、集
積回路を形成する半導体材料のチップには接続の問題が
生じる。このため、考え得る種々の解決方法のうち、エ
アーブリッジまたはチップ内のメタリゼーションホール
ヲ介シて２個の導体を交差させるような公知技術が好ま
しい。２個の交差する金属ライン間の接続を防ぐため、
シールディングをおこなう必要があるだろう。

す々わち、２個の金属ライン間にアースした金属コーテ
ィングを被覆し、この金属コーティングを２つの絶縁層
によって２個の金属ラインから分離する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、直列接続切替マトリクスの概略図、第２図は
先行技術の交点をあられす説明図、第３図は直列接続構
造のための発明に従う交点をあられす説明図、第４図は
並列接続切替マトリクスの概略図、第５図は直列接続構
造のための発明に従う交点をあられす説明図、第６図は
並列接続構造のための発明に従う交点をあられす説明図
である。 Ｌ　ｌ＝　Ｌ４・・・列、 ＣＩ′Ｃ４…行、 Ｐｇ−Ｐ４・・・交点、 １，２　・・・　マイクロストリップ、３　・・・　ス
イッチ、 ４．５　・・・　マイクロストリップ、６　・・・増幅
器、 ７．８　・・・　出力、 ９　・・・　制御スイッチ、 １０・・・制御信号、 １１．１３・・・グリッド信号、 １２・・・電力結合器。 ２３−

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の複数個の入力チャンネル、すなわち、列か
   ら第２の複数個の出力チャンネル、すなわち、行へ超高
   周波電気信号を切替えるためのマトリクスにおいて、入
   力チャンネルから出力チャンネルへの信号伝達が交点で
   実殉され、夫々の切替点が、入力チャンネルにより伝達
   される信号を入力側で受信し、複数個の等信号に分割さ
   れた信号を出力側で送出する電力分割器と、外部信号に
   より制御され、電力分割器から送出される信号を電力結
   合器に転送する制御スイッチとを有してお夛、前記電力
   結合器が前記スイッチによシ伝達された信号を出力チャ
   ンネルに伝達し、電力分割器、告制御スイッチ卦ｋｎ省
   Ｖ力鈷を９唱ｒｈ膚スジステムが電界効果トランジスタ
   形の能動素子によシ得られることを特徴とする切替マト
   リクス。
2. （２）直列接続構造をもち、同一人力チャンネルの切替
   点が複数個の出力チャンネルの方に切替わるため前記入
   力チャンネル上に直列式に接続されて成る特許請求の範
   囲第１項に記載の切替マトリクス。
3. （３）並列接続構造をもち、同−切替点が入力チャネル
   の信号を複数個の出力チャネルに向って細分割する特許
   請求の範囲第１項に記載の切替マトリクス。
4. （４）　夫々の切替点において、電力分割器が多重ドレ
   イン（利得あ＃））マたは多重ソース（利得なし）電界
   効果トランジスタが、電界効果トランジスタを有する差
   動増幅器か、若しくは並列形電界効果トランジスタを有
   する増幅器かである特許請求の範囲第１項に記載の切替
   マトリクス。
5. （５）制御スイッチが１個の２グリッド電界効果トラン
   ジスタ若しくは直列接続された２個の単一グリッド電界
   効果トランジスタである特許請求の範囲第１項に記載の
   切替マトリクス。
6. （６）電力結合器が１個の多重グリッド電界効果トラン
   ジスタか若しくは直列接続された２個の単一グリッド電
   界効果トランジスタである特許請求の範囲第１項に記載
   の切替マトリクス。
7. （７）切替点が全剖同−である特許請求の範囲第１項に
   記載の切替マトリクス。
8. （８）切替点の素子が電界効果トランジスタであシ、電
   力分割器内で分割された信号がトランジスタの利得によ
   り増幅される特許請求の範囲第１項に記載の切替マトリ
   クス。
9. （９）モノリシック集積回路技術によル製造される特許
   請求の範囲第１項に記載の切替マトリクス。 ＧＯ＋　モノリシック集積回路構造において、入力チャ
   ンネルと出力チャンネルを構成する金属付着部間の交点
   が多重レベルシールディングもしくはエアーブリッジに
   よって得られる特許請求の範囲第１項に記載の切替マ）
   　＋７クス。