WO2018190034A1

WO2018190034A1 - 高周波スイッチ

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Publication number: WO2018190034A1
Application number: PCT/JP2018/008348
Authority: WO
Inventors: 哲成齋藤; 竜太幸丸; 中原　和彦
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2018-10-18
Also published as: EP3444890A1; US10700682B2; US20200044651A1; EP3444890A4; EP3444890B1; JP6651056B2; JPWO2018190034A1

Abstract

高周波スイッチ（１００）は、入力端子（１）に接続され第一の出力端子（３）に接続された第一のトランジスタ（７）と、第一の出力端子に接続された第二のトランジスタ（９）と、第二のトランジスタに接続され接地された第三のトランジスタ（１０）と、第二と第三のトランジスタとの接続部に接続され接地された抵抗器（１１）と、入力端子と第二の出力端子（２）との間の送受信信号を通過する状態と遮断する状態とに切替え可能な切替回路と、第一、第二、第三のトランジスタおよび切替回路を制御する制御部（１０１）を備え、制御部は、受信時は、切替回路を送受信信号を遮断する状態に、第一および第三のトランジスタをオン状態に、第二のトランジスタをオフ状態に、送信時および自動利得制御動作を伴う受信時は、切替回路を送受信信号を通過する状態に、第一および第三のトランジスタをオフ状態に、第二のトランジスタをオン状態にする。

Description

高周波スイッチ

　本発明は、高周波モジュールなどに使用される高周波スイッチに関する。

　レーダなどのシステムでは送受信で共通のアンテナを用いており、高周波スイッチを備えた送受信モジュールは送信回路および受信回路からなり、アンテナの入出力端、受信回路の入力端および送信回路の出力端をサーキュレータで接続した構造をとることがある。

　上記のような送受信モジュールの受信回路において、高周波スイッチは入力端子にサーキュレータが接続され、第一の出力端子にＬＮＡ（Low　Noise　Amplifier）が接続され、第二の出力端子は終端器が接続される。高周波スイッチは、信号受信時には入力端子と第一の出力端子との間を通過状態にさせ受信信号を後段のＬＮＡへ出力する機能を持ち、信号送信時には入力端子と第二の出力端子との間を通過状態にさせサーキュレータを介した漏洩信号またはアンテナから反射した送信信号を第二の出力端子に接続された終端器に出力し、後段のＬＮＡを送信信号から保護する機能を持つ。

　また、レーダでは対象物との距離により送受信モジュールに入力される受信信号電力は大きく異なり、受信信号の電力が大きい場合、ＬＮＡに過大な電力が入力し破壊することを防ぐため、ＬＮＡの前段に電力を調整する自動利得制御（Automatic　Gain　Control、以下ではＡＧＣと称する）回路を設ける、あるいは、高周波スイッチ自体にＡＧＣ機能を持たせることが考えられる。高周波スイッチをＡＧＣ回路として用いる場合、高周波スイッチは入力端子と第一の出力端子との間を遮断状態にさせ、高周波スイッチのアイソレーションを用いて受信信号を十分に減衰させＬＮＡへ出力するような機能を持たせる必要がある。

　特許文献１の図１に記載の回路構成の高周波スイッチにおいては、信号受信時は全てのトランジスタをオフ状態とし、信号送信時は全てのトランジスタをオン状態とする。特許文献１の図１において、信号送信時はＬＮＡの接続された入出力端子１ｃから高周波スイッチ側を見たときに、トランジスタ２ｃのオン抵抗が十分小さく短絡と見なせる。このため、ＬＮＡの接続された入出力端子１ｃから高周波スイッチ側を見た反射が全反射となり受信特性の劣化またはＬＮＡの不安定動作が生じる。したがって、特許文献１の図１のような回路構成の高周波スイッチをＡＧＣとして使用することは困難であり、ＬＮＡ前段に別にＡＧＣ回路を設ける必要がある。

特開２０１３－９８７７１号公報

　上で述べたように、特許文献１の図１に記載されるような従来の高周波スイッチをＡＧＣとして使用した場合、ＬＮＡの接続された第一の出力端子から高周波スイッチへの反射が全反射となり、受信系特性の低下またはＬＮＡの不安定動作が生じる。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＬＮＡが接続される端子からみた反射を低減することが可能な高周波スイッチを得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る高周波スイッチは、ドレイン端子が入力端子に接続され、ソース端子が第一の出力端子に接続された第一のトランジスタと、ドレイン端子が第一の出力端子に接続された第二のトランジスタと、ドレイン端子が第二のトランジスタのソース端子に接続され、ソース端子が接地された第三のトランジスタと、一端が第二のトランジスタのソース端子と第三のトランジスタのドレイン端子との接続部に接続され、他端が接地された抵抗器と、入力端子と第二の出力端子との間に接続され、入力端子と第二の出力端子との間の送受信信号を通過する状態と送受信信号を遮断する状態とに切替え可能な切替回路と、第一のトランジスタ、第二のトランジスタ、第三のトランジスタおよび切替回路を制御する制御部と、を備える。制御部は、自動利得制御動作を伴わない受信時には、切替回路を送受信信号を遮断する状態にして、第一のトランジスタおよび第三のトランジスタをオン状態にして、第二のトランジスタをオフ状態にし、送信時および自動利得制御動作を伴う受信時には、切替回路を送受信信号を通過する状態にして、第一のトランジスタおよび第三のトランジスタをオフ状態にして、第二のトランジスタをオン状態にすることを特徴とする。

　本発明によれば、ＬＮＡが接続される端子からみた反射を低減することが可能な高周波スイッチが得られるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる高周波スイッチを示す回路図実施の形態１にかかる高周波スイッチのＡＧＣ動作を伴わない受信時の等価回路図実施の形態１にかかる高周波スイッチの送信時およびＡＧＣ動作を伴う受信時の等価回路図本発明の実施の形態２にかかる高周波スイッチを示す回路図実施の形態２にかかる高周波スイッチのＡＧＣ動作を伴わない受信時の等価回路図実施の形態２にかかる高周波スイッチの送信時およびＡＧＣ動作を伴う受信時の等価回路図本発明の実施の形態３にかかる高周波スイッチを示す回路図実施の形態３にかかる高周波スイッチのＡＧＣ動作を伴わない信号受信時の等価回路図実施の形態３にかかる高周波スイッチの送信時およびＡＧＣ動作を伴う受信時の等価回路図

　以下に、本発明の実施の形態にかかる高周波スイッチを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１にかかる高周波スイッチ１００を示す回路図である。高周波スイッチ１００は、電界効果トランジスタであるトランジスタ７，８，９，１０と、抵抗器１１と、伝送線路６と、制御部１０１と、を備える。なお、トランジスタ７，８，９，１０は、電界効果トランジスタ以外のトランジスタであってもかまわない。制御部１０１は、トランジスタ７，８，９，１０のゲート電圧を制御する制御回路である。

　図１において、入力端子１は図示せぬアンテナに接続され、第一の出力端子である出力端子３は図示せぬＬＮＡに接続され、第二の出力端子である出力端子２は図示せぬ終端器に接続される。

　伝送線路６の一端は入力端子１に接続され、伝送線路６の他端は出力端子２に接続される。第一のトランジスタであるトランジスタ７のドレイン端子は、入力端子１と伝送線路６の一端との接続部に接続され、トランジスタ７のソース端子は出力端子３に接続される。トランジスタ８のドレイン端子は伝送線路６の他端と出力端子２との接続部に接続され、トランジスタ８のソース端子は接地される。第二のトランジスタであるトランジスタ９のドレイン端子はトランジスタ７のソース端子と出力端子３との接続部に接続され、トランジスタ９のソース端子はトランジスタ１０のドレイン端子と接続される。第三のトランジスタであるトランジスタ１０のドレイン端子はトランジスタ９のソース端子と接続され、トランジスタ１０のソース端子は接地される。抵抗器１１の一端はトランジスタ９のソース端子とトランジスタ１０のドレイン端子との接続部に接続され、抵抗器１１の他端は接地される。

　伝送線路６およびトランジスタ８は、入力端子１と出力端子２との間に接続された切替回路を構成する。切替回路は、入力端子１と出力端子２との間の送受信信号を通過する状態と送受信信号を遮断する状態とに切替え可能な回路であれば、伝送線路６およびトランジスタ８といった構成に限定されない。切替回路が送受信信号を通過する状態または送受信信号を遮断する状態のいずれの状態となるかは制御部１０１により制御される。具体的には、制御部１０１がトランジスタ８のゲート電圧を制御することにより、切替回路の状態を切替える。

　制御端子４は、トランジスタ７，８，１０それぞれのゲート端子に接続され、制御端子５はトランジスタ９のゲート端子に接続される。制御端子４および制御端子５は制御部１０１に接続される。制御端子はトランジスタのゲート端子にピンチオフ電圧以上のゲート電圧を印加することでトランジスタをオン状態とし、ピンチオフ電圧未満のゲート電圧を印加することでトランジスタをオフ状態とする。このとき、オン状態のトランジスタは等価的に抵抗とみなせるので、以下ではこれをオン抵抗と呼称する。そして、オフ状態のトランジスタは等価的に容量とみなせるので、以下ではこれをオフ容量と呼称する。

　図１に示した高周波スイッチ１００は、ＡＧＣ動作を伴わない受信時には、制御部１０１が制御端子４および制御端子５を介してゲート電圧を制御することにより、トランジスタ７，８，１０をオン状態にすると共に、トランジスタ９をオフ状態にする。このとき、上記切替回路は、送受信信号を遮断する状態になる。送信時およびＡＧＣ動作を伴う受信時には、制御部１０１が制御端子４および制御端子５を介してゲート電圧を制御することにより、トランジスタ７，８，１０をオフ状態にすると共に、トランジスタ９をオン状態にする。このとき、上記切替回路は、送受信信号を通過する状態になる。

　送受信を切替えるときの他に、ＡＧＣ動作を伴わない受信時に受信信号の電力がＬＮＡにとって過大になる可能性があると判断したときにも、ＡＧＣ動作を実行するために、制御部１０１は、トランジスタ７，８，９，１０のオン状態またはオフ状態を上記に従って切替える。

　図２は、実施の形態１にかかる高周波スイッチ１００のＡＧＣ動作を伴わない受信時の等価回路図である。

　伝送線路６は、送受信信号の中心周波数において電気長が９０°になるよう設定されており、トランジスタ８のオン抵抗１３が出力端子２に接続された終端器のインピーダンスに比べて十分に小さければ伝送線路６の出力端子２との接続部は短絡と見なせ、入力端子１から見た伝送線路６のインピーダンスは無限大と近似できるため、入力端子１から出力端子２へ伝送される受信信号は遮断される。そして、トランジスタ９のオフ容量１４のインピーダンスは送受信信号の中心周波数の近傍において十分高くなるように設定されており、受信信号は入力端子１から出力端子３へ伝送される。

　図３は、実施の形態１にかかる高周波スイッチ１００の送信時およびＡＧＣ動作を伴う受信時の等価回路図である。

　トランジスタ７のオフ容量１６のインピーダンスは送受信信号の中心周波数の近傍で十分高くなるよう設定されているため入力端子１と出力端子３との間は遮断状態となる。加えて、トランジスタ８のオフ容量１７のインピーダンスは送受信信号の中心周波数の近傍において十分高くなるよう設定されているため、送信時の送信信号は入力端子１から出力端子２へ通過可能な状態になっており、入力端子１から出力端子２へ送信信号が伝送される。また、ＡＧＣ動作を伴う受信時は、受信信号は十分に減衰されて出力端子３へ伝送される。

　トランジスタ１０のオフ容量１９は送受信信号の中心周波数の近傍において十分にインピーダンスが高くなるよう設定されているため、出力端子３から高周波スイッチ１００を見込んだインピーダンスはトランジスタ９のオン抵抗１８と抵抗器１１の合成抵抗で終端されているように見える。したがって、オン抵抗１８と抵抗器１１の合成抵抗がＬＮＡの特性インピーダンスと等しくなるように抵抗器１１の値を決めることで、出力端子３からみた高周波スイッチ１００は低反射化される。

　以上説明したように、ＡＧＣ動作を伴う受信時にＬＮＡが接続される出力端子３から高周波スイッチ１００を見込んだインピーダンスはトランジスタ９のオン抵抗１８と抵抗器１１の合成抵抗で終端されているように見えるため、ＬＮＡが接続される出力端子３からみた高周波スイッチ１００による反射を全反射させずに低減する効果が得られる。すなわち、実施の形態１にかかる高周波スイッチ１００によれば、送信時および受信時における出力端子３から高周波スイッチ１００への信号の反射を同等にでき、出力端子３からみた高周波スイッチ１００による反射を低減できる。したがって、実施の形態１にかかる高周波スイッチ１００によれば、ＡＧＣ動作を伴う受信時に、後段に接続されたＬＮＡを安定に動作させることが可能となり、受信特性の向上が図れる。また、ＡＧＣ回路を新たに設ける必要がないので、回路規模削減による小型化が図れる。

実施の形態２．
　図４は、本発明の実施の形態２にかかる高周波スイッチ２００を示す回路図である。高周波スイッチ２００は、高周波スイッチ１００が備えるトランジスタ７，８，９，１０と、抵抗器１１と、伝送線路６と、に加えて、第四のトランジスタであるトランジスタ２０および伝送線路２１を備える。また、高周波スイッチ２００には、制御部１０１の代りに制御部２０１が備えられている。以下では、高周波スイッチ１００と同様な点の説明は省いて、異なる点を主に説明する。

　トランジスタ７のソース端子は、伝送線路２１の一端に接続される。伝送線路２１の他端は出力端子３に接続される。すなわち、トランジスタ７のソース端子は伝送線路２１を介して出力端子３に接続される。なお、伝送線路２１は、送受信信号の中心周波数において電気長が９０°になるよう設定されている。トランジスタ２０のドレイン端子はトランジスタ７のソース端子と伝送線路２１との接続部に接続され、トランジスタ２０のソース端子は接地される。トランジスタ９のドレイン端子は伝送線路２１の他端と出力端子３との接続部に接続される。制御端子５０はトランジスタ９，２０のゲート端子に接続される。制御端子４および制御端子５０は制御部２０１に接続される。

　図４に示した高周波スイッチ２００は、ＡＧＣ動作を伴わない受信時には、制御部２０１が制御端子４および制御端子５０を介してゲート電圧を制御することにより、トランジスタ７，８，１０をオン状態にすると共に、トランジスタ９，２０をオフ状態にする。このとき、伝送線路６およびトランジスタ８からなる切替回路は、送受信信号を遮断する状態になる。送信時およびＡＧＣ動作を伴う受信時には、制御部２０１が制御端子４および制御端子５０を介してゲート電圧を制御することにより、トランジスタ７，８，１０をオフ状態にすると共に、トランジスタ９，２０をオン状態にする。このとき、伝送線路６およびトランジスタ８からなる切替回路は、送受信信号を通過する状態になる。

　送受信を切替えるときの他に、ＡＧＣ動作を伴わない受信時に受信信号の電力がＬＮＡにとって過大になる可能性があると判断したときにも、ＡＧＣ動作を実行するために、制御部２０１は、トランジスタ７，８，９，１０，２０のオン状態またはオフ状態を上記に従って切替える。

　図５は、実施の形態２にかかる高周波スイッチ２００のＡＧＣ動作を伴わない受信時の等価回路図である。

　伝送線路６は、送受信信号の中心周波数において電気長が９０°になるよう設定されており、トランジスタ８のオン抵抗１３が出力端子２に接続された終端器のインピーダンスに比べて十分に小さければ伝送線路６の出力端子２との接続部は短絡と見なせ、入力端子１から見た伝送線路６のインピーダンスは無限大と近似できるため、入力端子１から出力端子２へ伝送される受信信号は遮断される。そして、トランジスタ９のオフ容量１４およびトランジスタ２０のオフ容量２５それぞれのインピーダンスは送受信信号の中心周波数の近傍において十分に高くなるように設定されているため、受信信号は入力端子１から出力端子３へ伝送される。

　図６は、実施の形態２にかかる高周波スイッチ２００の送信時およびＡＧＣ動作を伴う受信時の等価回路図である。

　トランジスタ７のオフ容量１６およびトランジスタ８のオフ容量１７はそれぞれ送受信信号の中心周波数の近傍においてインピーダンスが十分に高くなるよう設定されているため、送信時に入力端子１から出力端子３へ伝送される送信信号は遮断され、送信信号は入力端子１から出力端子２へ伝送される。また、ＡＧＣ動作を伴う受信時の受信信号は十分に減衰され出力端子３へ伝送される。

　なお、トランジスタ７のオフ容量１６から漏れ出した送信信号は、トランジスタ２０のオン抵抗２９が十分に小さく短絡と見なせ、反射するため、実施の形態１にかかる高周波スイッチ１００のトランジスタ７のオフ容量１６のみで遮断する場合よりもアイソレーション量を向上させることができる。

　高周波スイッチ２００の伝送線路２１は、送受信信号の中心周波数において電気長が９０°になるよう設定されており、入力端子１からみた伝送線路２１の入力インピーダンスは無限大と近似できる。加えて、トランジスタ１０のオフ容量１９のインピーダンスは送受信信号の中心周波数の近傍において十分高くなるよう設定されているため、出力端子３から高周波スイッチ２００を見込んだインピーダンスはトランジスタ９のオン抵抗１８と抵抗器１１の合成抵抗で終端されているように見える。

　以上説明したように、実施の形態２にかかる高周波スイッチ２００は、実施の形態１にかかる高周波スイッチ１００と同様の効果が得られるとともに、送信時またはＡＧＣ動作を伴う受信時において、トランジスタ２０のオン抵抗２９により、高周波スイッチ１００よりもアイソレーション量を向上させるという効果が得られる。

実施の形態３．
　図７は、本発明の実施の形態３にかかる高周波スイッチ３００を示す回路図である。高周波スイッチ３００は、高周波スイッチ１００が備えるトランジスタ７，８，９，１０と、抵抗器１１と、伝送線路６と、制御部１０１と、に加えて、インダクタ３２および抵抗器３３を備える。以下では、高周波スイッチ１００と同様な点の説明は省いて、異なる点を主に説明する。

　インダクタ３２および抵抗器３３それぞれの一端はトランジスタ７のドレイン端子に接続され、インダクタ３２および抵抗器３３それぞれの他端はトランジスタ７のソース端子に接続される。すなわち、インダクタ３２および抵抗器３３のそれぞれは、トランジスタ７のドレイン端子およびソース端子に両端が接続される。

　図７に示した高周波スイッチ３００は、ＡＧＣ動作を伴わない信号受信時には、制御部１０１が制御端子４および制御端子５を介してゲート電圧を制御することにより、トランジスタ７，８，１０をオン状態にすると共に、トランジスタ９をオフ状態にする。送信時およびＡＧＣ動作を伴う受信時には、制御部１０１が制御端子４および制御端子５を介してゲート電圧を制御することにより、トランジスタ７，８，１０をオフ状態にすると共に、トランジスタ９をオン状態にする。

　図８は、実施の形態３にかかる高周波スイッチ３００のＡＧＣ動作を伴わない信号受信時の等価回路図である。

　伝送線路６は、送受信信号の中心周波数において電気長が９０°になるよう設定されており、トランジスタ８のオン抵抗１３が出力端子２に接続された終端器のインピーダンスに比べて十分に小さければ伝送線路６の出力端子２との接続部は短絡と見なせ、入力端子１から見た伝送線路６のインピーダンスは無限大と近似できるため、入力端子１から出力端子２へ伝送される受信信号は遮断される。そして、トランジスタ９のオフ容量１４のインピーダンスは送受信信号の中心周波数の近傍において十分高くなるように設定されており、受信信号は入力端子１から出力端子３へ伝送される。なお、トランジスタ７のオン抵抗１２は十分に小さいため、並列に接続されているインダクタ３２および抵抗器３３による損失の影響は無視できる。

　図９は、実施の形態３にかかる高周波スイッチ３００の送信時およびＡＧＣ動作を伴う受信時の等価回路図である。

　トランジスタ７のオフ容量１６とインダクタ３２とは、送受信信号の中心周波数で並列共振するように設定されているため入力端子１と出力端子３の間は遮断状態となる。加えて、トランジスタ８のオフ容量１７のインピーダンスは送受信信号の中心周波数の近傍において十分高くなるよう設定されているため、送信時の送信信号は入力端子１から出力端子２へ伝送される。また、ＡＧＣ動作を伴う受信時の受信信号は十分に減衰されて出力端子３へ伝送される。

　トランジスタ７のオフ容量１６とインダクタ３２とからなる共振回路に並列接続された抵抗器３３は、この共振回路のＱ値を下げてアイソレーション特性を広帯域にする機能を有する。オフ容量１６とインダクタ３２とからなる共振回路のインピーダンスは無限大に近似でき、トランジスタ１０のオフ容量１９は送受信信号の中心周波数の近傍において十分にインピーダンスは高くなるよう設定されているため、出力端子３から高周波スイッチ３００を見込んだインピーダンスはトランジスタ９のオン抵抗１８と抵抗器１１の合成抵抗で終端されているように見える。

　以上説明したように、実施の形態３にかかる高周波スイッチ３００は、実施の形態１にかかる高周波スイッチ１００と同様の効果が得られるとともに、トランジスタ７のオフ容量１６とインダクタ３２からなる共振回路によるアイソレーション量の向上の効果が得られる。また、実施の形態２にかかる高周波スイッチ２００で用いた伝送線路２１が不要なので、高周波スイッチ２００と比較すると回路規模の縮小および線路損失の低減というメリットがある。

　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１　入力端子、２，３　出力端子、４，５，５０　制御端子、６，２１　伝送線路、７，８，９，１０，２０　トランジスタ、１１，３３　抵抗器、１２，１３，１５，１８，２９　オン抵抗、１４，１６，１７，１９，２５　オフ容量、３２　インダクタ、１００，２００，３００　高周波スイッチ、１０１，２０１　制御部。

Claims

　ドレイン端子が入力端子に接続され、ソース端子が第一の出力端子に接続された第一のトランジスタと、
　ドレイン端子が前記第一の出力端子に接続された第二のトランジスタと、
　ドレイン端子が前記第二のトランジスタのソース端子に接続され、ソース端子が接地された第三のトランジスタと、
　一端が前記第二のトランジスタのソース端子と前記第三のトランジスタのドレイン端子との接続部に接続され、他端が接地された抵抗器と、
　前記入力端子と第二の出力端子との間に接続され、前記入力端子と前記第二の出力端子との間の送受信信号を通過する状態と送受信信号を遮断する状態とに切替え可能な切替回路と、
　前記第一のトランジスタ、前記第二のトランジスタ、前記第三のトランジスタおよび前記切替回路を制御する制御部と、
　を備え、
　前記制御部は、
　自動利得制御動作を伴わない受信時には、前記切替回路を送受信信号を遮断する状態にして、前記第一のトランジスタおよび前記第三のトランジスタをオン状態にして、前記第二のトランジスタをオフ状態にし、
　送信時および自動利得制御動作を伴う受信時には、前記切替回路を送受信信号を通過する状態にして、前記第一のトランジスタおよび前記第三のトランジスタをオフ状態にして、前記第二のトランジスタをオン状態にする
　ことを特徴とする高周波スイッチ。
　前記第一のトランジスタのソース端子が、前記送受信信号の中心周波数において電気長が９０°になるように設定された伝送線路を介して前記第一の出力端子に接続されており、
　前記第一のトランジスタのソース端子と前記伝送線路との接続部にドレイン端子が接続され、ソース端子が接地された第四のトランジスタをさらに備える
　ことを特徴とする請求項１に記載の高周波スイッチ。
　前記第一のトランジスタのドレイン端子およびソース端子に両端が接続されたインダクタをさらに備え、
　前記第一のトランジスタのオフ容量と前記インダクタとが前記送受信信号の中心周波数で並列共振する
　ことを特徴とする請求項１に記載の高周波スイッチ。
　前記第一のトランジスタのドレイン端子およびソース端子に両端が接続された抵抗器をさらに備える
　ことを特徴とする請求項３に記載の高周波スイッチ。