JPWO2019207836A1 - 高周波スイッチ及びアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

インターフェース１０と出力インターフェース２０との間にリアクタンスＳＷ３０を介挿する。リアクタンスＳＷ３０は、例えば通過帯域が固定の第１リアクタンス回路３１と、リアクタンスが変化することで通過帯域が変化する第２リアクタンス回路３３とを有する。ＯＮ状態にするときは第１リアクタンス回路３１と第２リアクタンス回路３３の通過帯域を共通にする。これにより、入力インターフェース１０に入力された高周波信号が出力インターフェース２０に導かれる。他方、ＯＦＦ状態にするときは、第２リアクタンス回路３３のリアクタンスを変化させ、第１リアクタンス回路３１を通過した高周波信号を反射させる。

Description

本発明は、マイクロ波帯以上、特に準ミリ波帯・ミリ波帯の高周波信号の状態切替に適した高周波スイッチ、及び、アンテナ装置に関する。

ミリ波帯で用いられる高周波スイッチとして、特許文献１，２に開示されたものが知られている。一般的な高周波スイッチとしては、例えば、特許文献１の図８に示される回路などが挙げられる。ゲートに印加する電圧により、ソース−ドレイン間を電気的に接続又は遮断する。特許文献１に開示された高周波スイッチは、ドレイン、ソース、ゲート及びバックゲートを有するトランジスタで構成され、ドレイン−ソース間を電気的に接続又は遮断する。バックゲートと接地間に抵抗器が接続されており、ドレイン−バックゲート間、ソース−バックゲート間の容量に起因する高周波電流を、上記の抵抗器で減衰させる。これにより、ミリ波帯でも遮断性能が維持される。特許文献２に開示された高周波スイッチは、電界効果トランジスタのソース端子が接地され、ゲート端子が入力端子と接続され、ドレイン端子に出力整合回路が接続されている。ゲートバイアス電圧を変化させることで、ソース端子からドレイン端子への高周波信号の伝達をＯＮ／ＯＦＦする。

特開平１０−２４２８２６号公報 特開平９−１９１２６６号公報

特許文献１，２に開示された高周波スイッチは、高周波信号が伝搬するチャネル（経路）の抵抗成分を大きくすることで、その高周波信号の入出力間を遮断し、抵抗成分を小さくすることにより、入出力間を接続する。特許文献１，２に開示された高周波スイッチは、いわゆる抵抗型のスイッチといえる。このような抵抗型のスイッチでは挿入損失が不可避となり、通過する高周波信号のレベル低下を招く。例えば、数Ωの抵抗でも２〜３ｄＢの低下となり、影響が大きい。
また、特許文献１に開示された高周波スイッチのように、ＯＦＦ状態のときは信号が抵抗器などにより吸収されるスイッチは、吸収型スイッチと呼ばれる。吸収型スイッチは、ＯＮ，ＯＦＦでの反射特性が大きく変わらないため、動作が安定するという利点がある。しかし、吸収型スイッチでは信号が吸収される際に発熱を生じ、これがノイズ発生の要因になる。

本発明は、マイクロ波帯のみならずミリ波帯のような高周波帯においても損失やノイズを少なくすることができ、かつ動作も高速となる高周波スイッチを提供することを主たる課題とする。

本発明の高周波スイッチは、高周波信号が入力される入力インターフェースと、前記高周波信号を外部へ出力する出力インターフェースと、前記入力インターフェースと前記出力インターフェースとの間に介挿されたリアクタンススイッチとを備えており、前記リアクタンススイッチは、前記入力インターフェースと前記出力インターフェースとの間に縦続され、それぞれ所定値のリアクタンスにより前記高周波信号に対する共通の通過帯域を形成可能な複数のリアクタンス回路を含み、少なくとも一つの前記リアクタンス回路は、外部入力される制御信号により前記リアクタンスが変化することで前記通過帯域が変わる可変リアクタンス回路であることを特徴とする。

本発明の高周波スイッチでは、抵抗の大小により入出力の状態が変化するのでなく、抵抗成分と無関係なリアクタンスの変化によりスイッチ機能が実現される。従って、ミリ波帯のような高周波帯においても、高速で低損失の高周波スイッチを提供することができる。

第１実施形態に係る高周波スイッチの構成図。 スイッチ機能の概念説明図。 第１実施例のリアクタンス回路の例示図。 高周波スイッチのＯＦＦ状態を示す特性図。 高周波スイッチのＯＮ状態を示す特性図。 第２実施例のリアクタンス回路の他の例示図。 高周波スイッチのＯＦＦ状態を示す特性図。 高周波スイッチのＯＮ状態を示す特性図。 第２実施例のリアクタンス回路を有する高周波スイッチの構成図。 図５に示す高周波スイッチのスイッチング特性例。 図５に示す高周波スイッチのスイッチング特性例。 第２実施形態に係る高周波スイッチの構成図。 第２実施形態に係る高周波スイッチのスイッチング特性例。 第３実施形態に係る高周波スイッチの構成図。 第４実施形態となるアンテナ装置の構成図。

以下、本発明を２９ＧＨｚ帯で用いられる高周波スイッチ及びそれを用いた装置に適用した場合の実施の形態例を説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る高周波スイッチの構成図である。この高周波スイッチ１は、約１０ｍｍ角以下の四角形状又は略四角形状に成形された絶縁性の基板などに形成された、入力インターフェース１０、出力インターフェース２０及びこれらの間に介挿されたリアクタンスＳＷ（リアクタンススイッチ、以下同じ）３０を備える。

入力インターフェース１０は、例えば接地端と信号端とを有する信号入力端子であり、信号端に２９ＧＨｚ帯の高周波信号が入力される。出力インターフェース２０は、例えば接地端と信号端とを有する信号出力端子である。高周波スイッチ１は、入力インターフェース１０に入力された高周波信号が出力インターフェース２０から出力される第一状態と、入力インターフェース１０に入力された高周波信号がリアクタンスＳＷ３０で反射される第二状態とを形成する。

第一状態と第二状態は、それぞれ異なる状態という意味で区別している。例えば、第一状態は、高周波信号がリアクタンスＳＷ３０を通過して出力インターフェース２０に導かれる状態である。他方、第二状態は、高周波信号が出力インターフェース２０に到達しない状態である。本実施形態では、従来技術と対応させるため、第一状態をＯＮ状態、第二状態をＯＦＦ状態として用いる場合の例を示す。

リアクタンスＳＷ３０は、第１リアクタンス回路３１、整合回路３２及び第２リアクタンス回路３３を含んで構成される。第１リアクタンス回路３１及び第２リアクタンス回路３３は、それぞれが、例えば誘導素子と可変容量素子とを組み合わせることで、例えば通過帯域が可変のフィルタとして動作させることができる。誘導素子及び配線は、絶縁性の基板に分布定数線路などの導電パターンを形成することで実現が容易である。可変容量素子は、外部入力される制御信号（「ｆ制御信号」）に応じてリアクタンスが変化する素子であり、ショットキー・ダイオード、バラクタ・ダイオードのほか、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）又はＦＥＴ（Field effect transistor）などを用いることができる。ＨＥＭＴやＦＥＴは、能動素子として動作できる素子であるが、第１実施形態では、それぞれが呈する容量成分を利用した受動素子として動作させる。例えばＦＥＴの場合、ｆ制御信号により、ゲートと（ソース＋ドレイン）間のショットキー容量・空乏層容量を変化させることで、可変容量素子として動作させる。

整合回路３２は、第１リアクタンス回路３１と第２リアクタンス回路３３との間のリアクタンスを調整する回路である。ここでいう整合回路３２は、インピーダンスがＺ＝Ｒ＋ｊＸで表される場合に、Ｘ＝０に近づけるための回路である。整合回路３２は、導電パターンのみで構成することができる。なお、整合回路３２は、第１リアクタンス回路３１と第２リアクタンス回路３３のリアクタンスとの間のリアクタンス調整が不要の場合は、省略することができる。

本実施形態では、第１リアクタンス回路３１が、第１周波数帯域（ｆ_１〜ｆ_２）の信号を通過させるものとする。また、第２リアクタンス回路３３が、第２周波数帯域（ｆ_３〜ｆ_４）と第３周波数帯域（ｆ_５〜ｆ_６）の一方だけを選択的に通過させるものとする。好ましい実施の態様では、ＯＮ状態のときは、第２リアクタンス回路３３の１ポート素子としてのインピーダンスがスミスチャートの横軸直線の左端（抵抗成分が０Ω）となる。そして、ＯＦＦ状態のときは、スミスチャートの横軸直線の右端（抵抗成分が無限大）に近づくように、第２リアクタンス回路３３の回路定数を定める。入力インターフェース１０に入力される高周波信号の変動幅を所望周波数帯域（ｆ_Ｌ〜ｆ_Ｈ）とすると、各周波数は、以下の関係になる。
ｆ_１＜ｆ_３＜ｆ_Ｌ・・・ｆ_Ｈ＜ｆ_４＜ｆ_２
つまり、各周波数帯域は、所望周波数帯域＜第２周波数帯域，第３周波数帯域＜第１周波数帯域の関係となる。

次に、高周波スイッチ１のスイッチ機能について説明する。スイッチ機能は、ｆ制御信号により制御される。ｆ制御信号は、入力インターフェース１０又は出力インターフェース２０に接続される電子機器より所定のタイミングで入力される。
なお、入力インターフェース１０、出力インターフェース２０以外の制御インターフェースを設けても良い。

図２はスイッチ機能の概念説明図である。図２左側の図は、第１周波数帯域（ｆ_１〜ｆ_２）と第２周波数帯域（ｆ_３〜ｆ_４）が、いずれも所望周波数帯域（ｆ_Ｌ〜ｆ_Ｈ）を通過する状態を示す。この状態では、入力インターフェース１０に入力された高周波信号がリアクタンスＳＷ３０を通過して、出力インターフェース２０に到達する。つまり、高周波スイッチ１がＯＮ状態となる。

一方、図２右側の図は、第２リアクタンス回路３３のリアクタンスが変化することにより、第２リアクタンス回路３３を通過する周波数帯域が、第１周波数帯域（ｆ_１〜ｆ_２）から大きく逸脱する第３周波数帯域（ｆ_５〜ｆ_６）となっている。また、入力インターフェース１０に入力された高周波信号が第１リアクタンス回路３１を通過しても第２リアクタンス回路３３で反射される。そのため、高周波信号が出力インターフェース２０に到達することがなく、高周波スイッチ１がＯＦＦ状態となる。

すなわち、本実施形態の高周波スイッチ１では、スイッチ機能が、リアクタンスの大きさを変えるだけで実現される。そのため、本実施形態の高周波スイッチ１は、リアクタンス型スイッチといえるものである。リアクタンス型スイッチでは、スイッチ機能を果たす部分に抵抗成分が存在しない。そのため、多段接続しても、従来のように抵抗成分に起因する損失がほとんど生じない。また、抵抗成分が存在する場合であっても、リアクタンスを変化させることで高反射状態とすることができる。このため、抵抗の損失への寄与が抑制可能となる。さらに、リアクタンスの大きさ、特にキャパシタンスの大きさは瞬時に変わることから状態変化が高速であり、スイッチング速度がきわめて高速である。したがって、準ミリ波帯やミリ波帯における高周波信号の伝送路上の通過又は遮断の高速切替に適したものとなる。

高周波スイッチ１は、また、ＯＦＦ状態のときは、信号が吸収されず、全反射される。そのため、上述した吸収型スイッチのように発熱に起因するノイズの発生を無くすことができる。さらに、可変容量素子以外は導電パターンで実現できることから、導体パターンの誘導性リアクタンスと可変容量の容量性インダクタンスとを組み合わせて反射を大きくすることが可能となり、抵抗が損失として影響することを抑制できる。そのため、アイソレーションの高い高周波スイッチを簡易に実現することができる。

なお、第１実施形態では、第１リアクタンス回路３１を通過する周波数帯域を、後段の第２リアクタンス回路３３を通過する周波数帯域よりも広くしているが、通過する周波数帯域は同じであっても良い。むしろ、多段接続する場合、前段回路を通過する周波数帯域を、後段回路を通過する周波数帯域よりも狭くすることにより、後段回路のリアクタンスの大きさの変化幅を小さくして、スイッチ機能の動作速度を高めることができる場合もある。

また、図２の例では、第１リアクタンス回路３１を通過する周波数帯域を固定し、第２リアクタンス回路３３を通過する周波数帯域を可変にする場合の例を説明したが、固定−可変の関係は逆であっても良い。また、第１リアクタンス回路３１を通過する周波数帯域と第２リアクタンス回路３３を通過する周波数帯域の双方を可変にしても良い。

＜リアクタンス回路例１＞
次に、第１リアクタンス回路３１及び第２リアクタンス回路３３の実施例について説明する。図３Aは、第１実施例に係るリアクタンス回路４０の例示図である。リアクタンス回路４０は、入力端ＩＮと出力端ＯＵＴとの間に、誘導素子４１と可変容量素子４３の並列共振回路で構成したものである。抵抗成分４２，４４は、誘導素子４１と可変容量素子４３のそれぞれの寄生抵抗４２，４４であり、それぞれ無視できる大きさのものである。誘導素子４１は０．１５ｎＨのインダクタンスが生じるように、基板の表面に様々な形状で形成された導体パターンである。可変容量素子４３は、０．０５〜０．２ｐＦの範囲でキャパシタンスが変化する素子であり、例えば市販のＨＥＭＴ（ゲート幅２００μｍ程度）やショットキー・ダイオードなどを用いることができる。上記のキャパシタンスの変化は、外部入力されるｆ制御信号でゲート印加電圧を＋０．７〜−３Ｖ程度変化させることで、実現が可能である。

以下、図３Aに例示されるリアクタンス回路４０を、図１の第１リアクタンス回路３１及び第２リアクタンス回路３３とした例を説明する。この例において、第１リアクタンス回路３１を通過する周波数帯域を固定、第２リアクタンス回路３３を通過する周波数帯域を可変とし、図２のように動作させたときの特性例を、Ｓパラメータを用いて説明する。Ｓパラメータは、周知の通り、分布定数回路の入出力における電流・電圧特性を入射波、反射波、通過波の間の関係として表現したものである。入力インターフェース１０と出力インターフェース２０が、それぞれ信号端が５０Ωで、接地端が接地電位であるものとすると、Ｓパラメータは、Ｓ_１１、Ｓ_１２、Ｓ_２１、Ｓ_２２で表される。Ｓ_１１は入力インターフェース１０側からみた高周波信号の反射係数である。Ｓ_２１は入力インターフェース１０側からみた順方向伝達関数、すなわち高周波信号の通過係数である。Ｓ_２１が小さくなるほど高周波信号は通過しにくくなる。また、Ｓ_１１が大きいほど全反射に近い状態となる。なお、Ｓ_１２、Ｓ_２２は、出力インターフェース２０側からみた係数である。

図３Bは可変容量素子４３のキャパシタンスが０．２ｐＦの場合、図３Cは０．０５ｐＦの場合の例であり、それぞれ横軸が周波数（ＧＨｚ）、縦軸がＳ_２１，Ｓ_１１の絶対値の２乗（ｄＢ)である。図３Bに示されるように、可変容量素子４３のキャパシタンスが０．２ｐＦのときは、２９ＧＨｚ帯の所望通過帯域で通過係数Ｓ_２１（実線）が最小で、反射係数Ｓ_１１（破線）が最大となる。そのため、入力インターフェース１０に入力され、第１リアクタンス回路３１を通過した高周波信号が第２リアクタンス回路３３で全反射される。つまり高周波スイッチ１がＯＦＦ状態となる。
なお、本実施形態では、入力インターフェース１０を通過した高周波信号が入力インターフェース１０側に実質的に全反射される（例えば高周波信号が実質的に全反射されるまでにＳ_１１が十分に大きい）状態を全反射状態と記載する。

可変容量素子４３のキャパシタンスが０．０５ｐＦのときは、図３Cに示されるように、２９ＧＨｚ帯の所望通過帯域における通過係数Ｓ_２１（実線）が反射係数Ｓ_１１（破線）よりも大きい。そのため、入力インターフェース１０に入力された高周波信号が第１リアクタンス回路３１及び第２リアクタンス回路３３を通過して出力インターフェース２０に到達する。つまり高周波スイッチ２がＯＮ状態となる。

＜リアクタンス回路例２＞
図４Aは第２実施例に係るリアクタンス回路５０の例示図である。リアクタンス回路５０は、入力端ＩＮと出力端ＯＵＴとの間の伝送路パターン（導体パターンの一例）に接続される誘導素子５１と、その一端が誘導素子５１の他端と直列に接続されその他端が接地される（シャント接続される）の可変容量素子５２とを含む。可変容量素子５２の他端と接地端子との間には無視できる大きさの寄生抵抗５３がある。

誘導性素子５１は、例えば、第１実施例と同様、０．１５ｎＨのインダクタンスが生じるように、絶縁性の基板の表面に形成された導体パターンである。可変容量素子５２は、外部入力されるｆ制御信号に従って０．０５〜０．２ｐＦの範囲でキャパシタンスが変化する。可変容量素子５２としてＨＥＭＴを用いる場合、２９ＧＨｚ帯での寄生抵抗５３は約２〜２０Ωである。しかしながら、ＯＮ状態では誘導素子５１とＨＥＭＴの可変容量素子５２との直列回路のリアクタンスが理想的には無限大の高インピーダンスとなるため、抵抗の大きさを無視することができる。

以下、図４Aに例示されるリアクタンス回路５０を、図１の第１リアクタンス回路３１及び第２リアクタンス回路３３とした例を説明する。この例において、第１リアクタンス回路３１を通過する周波数帯域を固定、第２リアクタンス回路３３を通過する周波数帯域を可変とし、図２のように動作させたときの特性例を図４B，図４Cに示す。図４Bは可変容量素子５２のキャパシタンスが０．２ｐＦの場合、図４Cは０．０５ｐＦの場合の例であり、それぞれ横軸が周波数（ＧＨｚ）、縦軸がＳ_２１，Ｓ_１１の絶対値の２乗（ｄＢ)である。
図４Bに示されるように、可変容量素子５２のキャパシタンスが０．２ｐＦのときは、２９ＧＨｚ帯の所望通過帯域で通過係数Ｓ_２１（実線）が最小で、反射係数Ｓ_１１（破線）が最大となる。そのため、入力インターフェース１０に入力され、第１リアクタンス回路３１を通過した高周波信号が第２リアクタンス回路３３で全反射される。つまり高周波スイッチ３はＯＦＦ状態となる。

また、図４Cに示されるように、可変容量素子５２のキャパシタンスが０．０５ｐＦのときは、２９ＧＨｚ帯の所望通過帯域における通過係数Ｓ_２１（実線）が反射係数Ｓ_１１（破線）よりも大きい。そのため、入力インターフェース１０に入力された高周波信号が第１リアクタンス回路３１及び第２リアクタンス回路３３を通過して出力インターフェース２０に到達する。つまり高周波スイッチ３はＯＮ状態となる。

＜リアクタンス回路例３＞
第１，２実施例では、同じ構成の二つのリアクタンス回路の一方の通過周波数帯域を固定、他方を可変にした場合の例であるが、二つのリアクタンス回路の構成は、同じである必要はない。図５は、図１の第１リアクタンス回路３１の例として３次のチェビシェフ型Ｂ．Ｐ．Ｆ（帯域通過フィルタ）６１、第２リアクタンス回路３３の例として第２実施例のリアクタンス回路５０を用いたリアクタンススイッチＳＷ３０の例である。整合回路３２は図１に示したものと同じである。チェビシェフ型Ｂ．Ｐ．Ｆ６１は、後段のフィルタよりもリップルが少ない帯域通過フィルタであり、所望通過帯域外の雑音を安定的に除去するために用いられる特殊なフィルタである。リアクタンス回路５０は、外部入力されるｆ制御信号に従ってリアクタンスが変化することで、図２に示されるように、所望通過帯域の高周波信号を変化させる。

図６Ａ及び図６Ｂは、図５の構成例に係る高周波スイッチの特性例であり、図６AはＯＦＦ状態、図６BはＯＮ状態の例である。それぞれ横軸が周波数（ＧＨｚ）、縦軸がＳ_２１，Ｓ_１１の絶対値の２乗（ｄＢ)である。図６Aは可変容量素子５２のキャパシタンスが０．２ｐＦの場合、図６Bは可変容量素子５２のキャパシタンスが０．０５ｐＦの場合の例である。それぞれ横軸が周波数（ＧＨｚ）、縦軸がＳ_２１，Ｓ_１１の絶対値の２乗（ｄＢ)である。反射係数Ｓ_２２については反射係数Ｓ_１１と同じ次元となるので省略してある。
図６Aに示されるように、可変容量素子５２のキャパシタンスが０．２ｐＦのときは、２９ＧＨｚ帯の所望通過帯域で通過係数Ｓ_２１（実線）が、反射係数Ｓ_１１（長破線）及びＳ_２２（長破線）がよりも小さくなる。そのため、入力インターフェース１０に入力された高周波信号のほぼ全てが反射される。つまり高周波スイッチはＯＦＦ状態となる。

また、図６Bに示されるように、可変容量素子５２のキャパシタンスが０．０５ｐＦのときは、２９ＧＨｚ帯の所望通過帯域における通過係数Ｓ_２１（実線）が最大となり、反射係数Ｓ_１１（破線）及びＳ_２２（長破線）よりも大きくなる。そのため、入力インターフェース１０に入力された高周波信号が出力インターフェース２０に到達する。つまり高周波スイッチはＯＮ状態となる。ＯＮ状態の通過損失は、チェビシェフ型Ｂ．Ｐ．Ｆ６１の挿入損失（＋１ｄＢ以下）程度であり、ほぼ無視できるレベルである。

チェビシェフ型Ｂ．Ｐ．Ｆ（帯域通過フィルタ）６１は、所望通過帯域外の雑音を安定的に除去することができるので、アンテナ直下に設ける際に好適となる高周波スイッチを実現することができる。また、サイドカップリングのない導通のとれたパターンであり、比較的製作しやすいという利点がある。ただし、チェビシェフ型Ｂ．Ｐ．Ｆ６１に代えて、後段の第２リアクタンス回路５０よりもリップルが小さい他の種類のフィルタを用いても良い。

［第２実施形態］
第１実施形態の高周波スイッチ１は、ＳＰＳＴ（Single Pole, Single Throw）型のスイッチとして動作させる場合に適した例であるが、本発明の高周波スイッチは、ＳＰｎＴ型スイッチ（ｎは２以上の自然数）として実施することもできる。
図７は、第２実施形態に係る高周波スイッチ２の構成図である。この高周波スイッチ２は、一つの入力インターフェース１０と、リアクタンスＳＷ７０と、三つ（三組）の出力インターフェース２１，２２，２３とを備えている。

リアクタンスＳＷ７０は、入力インターフェース１０に接続される第１リアクタンス回路７１、第１リアクタンス回路７１を通過した高周波信号を三つの伝送路に分岐する分岐回路７２、分岐された伝送路と出力インターフェース２１，２２，２３との間に設けられた整合回路７３１，７３２，７３３及び第２リアクタンス回路７４１，７４２，７４３を含んで構成される。これらの回路は、絶縁性の基板に形成された導電パターンと、スイッチ機能を果たす受動素子とで具現化することができる。

以下において、便宜上、入力インターフェース１０をポート１、出力インターフェース２１をポート２、出力インターフェース２２をポート３、出力インターフェース２３をポート４とする。そして、ポート１からポート２への経路がＯＮ状態であり、ポート１からポート３への経路及びポート１からポート４への経路がＯＦＦ状態である場合について説明する。
分岐回路７２は、単純には導電パターンの一例となる一つの伝送路パターンを三分岐させた分岐線路であっても良いが、その場合、分岐点から第２リアクタンス回路７４１，７４２，７４３までの分岐線路のパターン長を等長とする。整合回路７３１，７３２，７３３は、第２リアクタンス回路７４１，７４２，７４３がＯＦＦ状態になるようにリアクタンスが調整されている場合に、分岐回路７２の分岐点から見た各第２リアクタンス回路７４１，７４２，７４３のインピーダンスの絶対値が最大となる。すなわち、反射が最大となるように設計されている。これにより、ＯＦＦ状態のポートに入り込む信号を最小とすることが可能となる。例えば、第２リアクタンス回路７４１，７４２，７４３を図４Aに示すリアクタンス回路５０（第２実施例のリアクタンス回路）とした場合、ＯＦＦ状態では誘導素子５１と可変容量素子５２との直列共振によってリアクタンスが０Ωとなり、低インピーダンスである。また、例えば、整合回路として所望周波数での１／４波長の電気長の伝送線路を用いる場合、分岐点から可変容量素子を含むリアクタンス回路を見込むインピーダンスを最大とすることができる。ＯＮ状態ではリアクタンスが大きい状態となるため、整合回路の特性は損失に影響しない。
これにより、いずれかの分岐線路で反射した高周波信号が、他の分岐線路に回り込む事態を回避することができる。整合回路７３１，７３２，７３３は、上記のリアクタンス調整のほか、分岐線路間のパターン長の微調整を行うことでインピーダンス変換の機能を持つ導電パターンである。

第１リアクタンス回路７１は、チェビシェフ型Ｂ．Ｐ．Ｆ（帯域通過フィルタ）６１を用いることができる。第２リアクタンス回路７４１，７４２，７４３は、図３Aあるいは図 ４Aに示したリアクタンス回路４０，５０を用いることができる。つまり、外部入力されるｆ制御信号で、各分岐線路における第２リアクタンス回路７４１，７４２，７４３のリアクタンスを独立に変化させる。これにより、当該分岐線路におけるスイッチング特性を、それぞれ図３B，図３C、あるいは図４B，図４Cのように切り替えることができる。また、ｆ制御信号で各分岐線路をＯＮ状態にするタイミングを分岐線路間で変えることで、分岐線路間における高周波信号の回り込みなどを回避することができる。

図８は、第２実施形態におけるスイッチング特性例を示した図であり、図中の第２リアクタンス回路７４１，７４２，７４３は図４Ａに示すリアクタンス回路５０（第２実施例のリアクタンス回路）を用いている。第１分岐線路がＯＮ状態のときの第２，第３分岐線路のスイッチング特性例を示した図である。縦軸及び横軸は図３B，図３C等と同じである。図８中、実線は第１分岐線路における通過係数Ｓ_２１、長破線と短破線は、第２，第３分岐線路における通過係数Ｓ_２１である。ＯＦＦ状態の第２，３分岐線路の反射係数Ｓ_３１（ポート３である出力端子２２からみた反射係数：次元は他のＳパラメータと同じ）、Ｓ_４１（ポート４である出力端子２３からみた反射係数：次元は他のＳパラメータと同じ）は、ＯＮ状態の第１分岐線路よりも２２ｄＢ以上低くすることができる。従って、第２，３分岐線路からの反射波が第１分岐線路に与える影響を抑制することができる。

このように、第２実施形態の高周波スイッチ２も、抵抗成分は固定でリアクタンスだけを変化させることで高周波信号のＯＮ／ＯＦＦ切替が可能になるので、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、第１リアクタンス回路７１を共用することで、所望通過帯域外の雑音を安定的に除去することができる。さらに、三つの分岐線路をそれぞれ独立にＯＮ状態又はＯＦＦ状態に選択的に切り替え、かつ、いずれかの分岐線路の第２リアクタンス回路の入力端から見て他の分岐線路の第２リアクタンス回路の入力端が高インピーダンスになる。したがって、ＯＮ状態の分岐線路における電力損失の増加を抑制することができる。そのため、例えば送信のみを行うアンテナ、受信のみを行うアンテナ、送受可能なアンテナなど、複数種類のアンテナを一つの高周波スイッチ２で独立に動作させることができる。

なお、第２実施形態では、分岐線路が三つの場合の例を説明したが、分岐線路を二つ、あるいは四つ以上にすることもできる。

［第３実施形態］
第２実施形態では、入力インターフェースが一つで、出力インターフェースが複数の場合の例を説明したが、入力インターフェースを複数とし、出力インターフェースを一つにしても良い。第３実施形態では、このような高周波スイッチの例について説明する。

図９は、第３実施形態に係る高周波スイッチの構成図である。第３実施形態の高周波スイッチ３は、図７に示した第２実施形態の高周波スイッチ２の入出力関係を逆にするとともに、第２実施形態のリアクタンスＳＷ７０の分岐回路７２を、合成回路８２として用いるものである。すなわち、高周波スイッチ２は、三つの入力インターフェース１１，１２，１３を備える。これは、第２実施形態の高周波スイッチ２の出力インターフェース２１，２２，２３に対応する。また、高周波スイッチ３は、出力インターフェース２０を備える。これは第２実施形態の高周波スイッチ２の入力インターフェース１０に対応する。

第３実施形態の高周波スイッチ３が有するリアクタンスＳＷ８０は、三つの第１リアクタンス回路８４１，８４２，８４３と、整合回路８３１，８３２，８３３と、合成回路８２（図７の分波回路７２に対応）と、第２リアクタンス回路８１とを備える。各回路の構成及びその動作は、入出力の関係が逆になるだけで、第２実施形態で説明した内容と同様になる。分岐線路数を代えても良い点は第２実施形態と同様である。

第３実施形態の高周波スイッチ３は、ｎＰＳＴ（nPole, Single Throw）型のスイッチとして実施することができる。そのため、例えば複数種類のアンテナを一つの無線通信機で共用する場合において、第２実施形態の高周波スイッチ２を送信系、第３実施形態の高周波スイッチ３を受信系の高周波スイッチとして独立して使用することができる。あるいは、所望通過帯域が２９ＧＨｚの場合、実装する絶縁性の基板のサイズがそれぞれ１０ｍｍ角前後なので、一つの基板ないし二つの基板を収容した一つのパッケージに高周波スイッチ２，３を収容するようにしても良い。この場合は、外部入力されるｆ制御信号の入力端子を一つにすることができるので、構成をより簡易かつ小型で、多くの用途に適用可能な高周波スイッチとすることができる利点がある。

なお、本発明の高周波スイッチは、ＳＰｎＴ型のスイッチ、ｎＰＳＴ型のスイッチとしての実施のほか、ｍＰｎＴ型のスイッチ（ｍは２以上の自然数）として実施することも可能である。また、ＳＰＳＴ型、ＳＰｎＴ型、ｍＰｎＴ型の各スイッチを縦続させたマトリクス・スイッチとしての実施も可能である。マトリクス・スイッチには結節点を切替えるタイプとパスを切替えるタイプとが想定されるが、高周波ではインピーダンス整合しやすさとアイソレーションの取りやすさからパス切替型とすることが望ましい。

［第４実施形態］
第４実施形態では、本発明の高周波スイッチを搭載したアンテナ装置の実施の形態例を説明する。図１０は、第４実施形態に係るアンテナ装置の構成図である。このアンテナ装置は、それぞれ３０度ずつ方向を変えて全方位（３６０度）をカバーできるように等間隔で配置された１２個のアンテナＡ１〜Ａ１２と、これらのアンテナＡ１〜Ａ１２を共用する送信系回路と受信系回路とを、電波透過性のアンテナケースに収容して構成される。

アンテナＡ１〜Ａ１２は、それぞれ２９ＧＨｚ帯の高周波信号を送受信できる高指向性をもつホーンアンテナであり、指向性の中心軸の方向を３０度ずつ変えた三つの組ごとに一つのセクタとして水平方向に等間隔に４組配置して構成される。これにより水平方向で全方位（３６０度）をカバーできるように配置されている。

送信系回路は、送信機ＴＸから送信された送信信号を選択的に切り替えて、アンテナＡ１〜Ａ１２のいずれかに供給（給電）するための四つの高周波スイッチ２（第２実施形態の高周波スイッチ２）を有する。
受信系回路は、四つの高周波スイッチ１（第１実施形態の高周波スイッチ１）を有する。高周波スイッチ１を用いることで、アンテナＡ１〜Ａ１２からの受信信号を選択的に切り替えて、受信機ＲＸに入力するための四つの高周波スイッチ３（第３実施形態の高周波スイッチ３）と、各アンテナＡ１〜Ａ１２を送信用アンテナとして使用するか、受信用アンテナとして使用するかを切り替えることができる。

高周波スイッチ１と高周波スイッチ３は、スイッチ機能を実現する部分に能動素子が存在せず、受動素子だけで実現でき、リアクタンスを最大化することによりＯＦＦ状態の出力端子への信号漏洩を抑制することができる。従って、高周波スイッチ１と高周波スイッチ３とを並列接続しても挿入損失が僅かである。高周波スイッチ２も同様である。そのため、送信時及び受信時に、所望の方向のアンテナＡ１〜Ａ１２を低損失で任意に選択することができる。これにより、Ｆｕｌｌ Ｄｕｐｌｅｘ（全二重）通信が可能となる。また、ＭＩＭＯ (multiple-input and multiple-output）用アンテナとすることもできる。なお、アンテナＡ１〜Ａ１２は、水平偏波用と垂直偏波用を交互に配置しても良い。

［変形例］
第１〜第４実施形態では、所望通過帯域が２９ＧＨｚ帯の例を説明したが、他の周波数帯域を所望通過帯域としても良い。例えば、３０ＧＨｚ帯以上、５ＧＨｚ帯、２．５ＧＨｚ帯、マイクロ波帯においても本発明の高周波スイッチあるいはアンテナ装置を実施することができる。

Claims (14)

1. 高周波信号が入力される入力インターフェースと、
   前記高周波信号を外部へ出力する出力インターフェースと、
   前記入力インターフェースと前記出力インターフェースとの間に介挿されたリアクタンススイッチと、を備え、
   前記リアクタンススイッチは、前記入力インターフェースと前記出力インターフェースとの間に縦続され、それぞれ所定値のリアクタンスにより前記高周波信号に対する共通の通過帯域を形成可能な複数のリアクタンス回路を含み、
   少なくとも一つの前記リアクタンス回路は、外部入力される制御信号により前記リアクタンスが変化することで前記通過帯域が変わる可変リアクタンス回路であることを特徴とする、高周波スイッチ。
2. 前記リアクタンススイッチは、前記制御信号によって前記可変リアクタンス回路における前記通過帯域が変わることにより、前記入力インターフェースに入力された前記高周波信号が前記出力インターフェースに導かれる第１状態と、前記高周波信号が反射される第２状態とが選択的に形成さ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. 前記第２状態は、前記入力インターフェースを通過した前記高周波信号が前記入力インターフェース側に全反射される全反射状態であ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. 前記複数のリアクタンス回路のうち前段のリアクタンス回路が形成する通過帯域が後段のリアクタンス回路の通過帯域よりも狭いことを特徴とする、
   請求項２または３に記載の高周波スイッチ。
5. 前記可変リアクタンス回路が、容量性リアクタンス素子と誘導性リアクタンス素子との組み合わせにより構成されることを特徴とする、
   請求項１ないし４のいずれか一項に記載の高周波スイッチ。
6. 前記容量性リアクタンス素子及び前記誘導性リアクタンス素子が受動素子として動作することを特徴とする、
   請求項５に記載の高周波スイッチ。
7. 前記複数のリアクタンス回路は、前記入力インターフェースと前記出力インターフェースとの間に縦続された第１リアクタンス回路とその後段の第２リアクタンス回路とで構成されており、
   前記第１リアクタンス回路は帯域通過フィルタであり、
   前記第２リアクタンス回路は帯域通過フィルタ、高域通過フィルタ、低域通過フィルタ、帯域阻止フィルタのいずれかであることを特徴とする、
   請求項１ないし６のいずれか一項に記載の高周波スイッチ。
8. 高周波信号が入力される入力インターフェースと、
   前記高周波信号を外部へ出力する出力インターフェースと、
   前記入力インターフェースと前記出力インターフェースとの間に介挿されたリアクタンススイッチと、を備え、
   前記リアクタンススイッチは、
   外部入力される制御信号に応じてリアクタンスが変化することにより、前記高周波信号が前記出力インターフェースに導かれる第１状態と、前記高周波信号が反射される第２状態とが選択的に形成される可変リアクタンス回路を含むことを特徴とする、
   高周波スイッチ。
9. 高周波信号が入力される入力インターフェースと、
   入力された前記高周波信号をｎ（ｎは２以上の自然数）個の線路に分岐する分岐回路と、
   ｎ個の線路ごとに設けられ当該線路の前記高周波信号をそれぞれ外部へ出力するｎ個の出力インターフェースと、
   前記分岐回路と前記ｎ個の出力インターフェースとの間にそれぞれ介挿されたリアクタンススイッチと、を備え、
   前記リアクタンススイッチは、
   当該線路の入力側と出力側との間に縦続され、それぞれ所定値のリアクタンスにより前記入力側の高周波信号に対する共通の通過帯域を形成可能な複数のリアクタンス回路を含み、少なくとも一つの前記リアクタンス回路は、外部入力される制御信号により前記リアクタンスが変化することで前記通過帯域が変わる可変リアクタンス回路であることを特徴とする、高周波スイッチ。
10. それぞれ高周波信号が独立の線路で入力されるｎ（ｎは２以上の自然数）個の入力インターフェースと、
    入力されたｎ個の線路の前記高周波信号を一つの線路の高周波信号に合成する合成回路と、
    前記合成された前記高周波信号を外部へ出力するための出力インターフェースと、
    前記ｎ個の入力インターフェースの各々と前記合成回路との間に介挿されたリアクタンススイッチと、を備え、
    前記リアクタンススイッチは、
    当該線路の入力側と出力側との間に縦続され、それぞれ所定値のリアクタンスにより前記入力側の高周波信号に対する共通の通過帯域を形成可能な複数のリアクタンス回路を含み、少なくとも一つの前記リアクタンス回路は、外部入力される制御信号により前記リアクタンスが変化することで前記通過帯域が変わる可変リアクタンス回路であることを特徴とする、高周波スイッチ。
11. 絶縁性の基板をさらに備え、
    前記リアクタンススイッチのうち前記可変リアクタンス回路以外の回路部品が前記基板上に形成された導電パターンにより形成されることを特徴とする、
    請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の高周波スイッチ。
12. 前記可変リアクタンス回路が、前記基板に形成された導電パターン上に実装される可変容量素子を含んで構成されることを特徴とする、
    請求項１１に記載の高周波スイッチ。
13. 前記高周波信号がミリ波帯の信号であることを特徴とする、
    請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の高周波スイッチ。
14. 電波透過性のアンテナケースと、
    前記アンテナケースに収容され、それぞれ異なる指向性を有するｎ個のアンテナと、
    前記ｎ個のアンテナを共用する送信系回路と受信系回路と、を備え、
    前記送信系回路は請求項９に記載された高周波スイッチを含み、
    前記受信系回路は請求項１０に記載された高周波スイッチを含み、
    前記送信系回路と前記受信系回路との間に請求項１ないし８のいずれか一項に記載された高周波スイッチが介在することを特徴とする、
    アンテナ装置。

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