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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6795452
(24)【登録日】2020年11月16日
(45)【発行日】2020年12月2日
(54)【発明の名称】分布スイッチ
(51)【国際特許分類】
H03K 17/687 20060101AFI20201119BHJP
H03H 11/28 20060101ALI20201119BHJP
【ＦＩ】
H03K17/687 G
H03H11/28
【請求項の数】5
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2017-98770(P2017-98770)
(22)【出願日】2017年5月18日
(65)【公開番号】特開2018-196003(P2018-196003A)
(43)【公開日】2018年12月6日
【審査請求日】2019年6月25日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100153006
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 勇三
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(72)【発明者】
【氏名】濱田 裕史
(72)【発明者】
【氏名】徐 照男
(72)【発明者】
【氏名】矢板 信
【審査官】
工藤 一光
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１７−７３６３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−２３６８３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−１７９３８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００１−１６０７２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平２−６５４０２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０３Ｈ７／０７５
Ｈ０３Ｈ７／２１
Ｈ０３Ｈ１１／２８
Ｈ０３Ｋ１７／６８７−１７／６９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
一端が入力端子に接続され、他端が出力端子に接続された第１の伝送線路と、
一端が制御端子に接続された第２の伝送線路と、
この第２の伝送線路の他端を終端する終端回路と、
前記第１、第２の伝送線路に沿って並ぶように前記第１の伝送線路と接地との間に挿入され、各々の制御信号入力端子が前記第２の伝送線路に接続された複数の単位スイッチと、
各単位スイッチの制御信号入力端子に接続され、所望の周波数においてインピーダンスが０近傍となる複数のインピーダンス回路とを備えることを特徴とする分布スイッチ。
一端が制御端子に接続された第２の伝送線路と、
この第２の伝送線路の他端を終端する終端回路と、
前記第１、第２の伝送線路に沿って並ぶように前記第１の伝送線路と接地との間に挿入され、各々の制御信号入力端子が前記第２の伝送線路に接続された複数の単位スイッチと、
各単位スイッチの制御信号入力端子に接続され、所望の周波数においてインピーダンスが０近傍となる複数のインピーダンス回路とを備えることを特徴とする分布スイッチ。
【請求項2】
請求項１記載の分布スイッチにおいて、
前記単位スイッチは、前記制御信号入力端子となるゲート端子が前記第２の伝送線路に接続され、ドレイン端子が前記第１の伝送線路に接続され、ソース端子が接地されたソース接地電界効果トランジスタからなることを特徴とする分布スイッチ。
前記単位スイッチは、前記制御信号入力端子となるゲート端子が前記第２の伝送線路に接続され、ドレイン端子が前記第１の伝送線路に接続され、ソース端子が接地されたソース接地電界効果トランジスタからなることを特徴とする分布スイッチ。
【請求項3】
請求項１記載の分布スイッチにおいて、
前記単位スイッチは、前記制御信号入力端子となるベース端子が前記第２の伝送線路に接続され、コレクタ端子が前記第１の伝送線路に接続され、エミッタ端子が接地されたエミッタ接地バイポーラトランジスタからなることを特徴とする分布スイッチ。
前記単位スイッチは、前記制御信号入力端子となるベース端子が前記第２の伝送線路に接続され、コレクタ端子が前記第１の伝送線路に接続され、エミッタ端子が接地されたエミッタ接地バイポーラトランジスタからなることを特徴とする分布スイッチ。
【請求項4】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の分布スイッチにおいて、
前記インピーダンス回路は、前記制御信号入力端子と接地との間に設けられた、インダクタと容量とを直列に接続したＬＣ直列共振器からなることを特徴とする分布スイッチ。
前記インピーダンス回路は、前記制御信号入力端子と接地との間に設けられた、インダクタと容量とを直列に接続したＬＣ直列共振器からなることを特徴とする分布スイッチ。
【請求項5】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の分布スイッチにおいて、
前記インピーダンス回路は、一端が前記制御信号入力端子に接続され、他端が開放されたオープンスタブからなることを特徴とする分布スイッチ。
前記インピーダンス回路は、一端が前記制御信号入力端子に接続され、他端が開放されたオープンスタブからなることを特徴とする分布スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高周波電気信号を扱う回路技術、特に分布スイッチに関するものである。
【背景技術】
【0002】
高周波回路において、広帯域にわたって平坦なスイッチ動作が可能な回路構成として、分布スイッチが知られている（非特許文献１）。図１０は、一般的な分布スイッチの概念を説明する回路図である。分布スイッチは、一端が入力端子ＩＮに接続され、他端が出力端子ＯＵＴに接続された伝送線路である信号線路Ｔ１と、一端が制御端子ＣＴＬに接続され、他端が抵抗Ｒ１によって終端された伝送線路である制御線路Ｔ２と、信号線路Ｔ１および制御線路Ｔ２に沿って配置され、第１の端子ａが信号線路Ｔ１に接続され、第２の端子ｂが接地され、制御信号入力端子ｃが制御線路Ｔ２に接続された複数の単位スイッチＳＷ１とから構成される。
【0003】
このように、分布スイッチは、単位スイッチＳＷ１および線路Ｔ１，Ｔ２が信号伝搬方向に縦属接続された構成（進行波構成）をとっている。進行波構成では、単位スイッチＳＷ１が有する容量と、線路Ｔ１，Ｔ２が有するインダクタンスとを適切な値に調節することで、入力端子ＩＮ、出力端子ＯＵＴ、制御端子ＣＴＬから回路側を見込んだインピーダンスを、広い周波数帯域にわたって一定の値（通常は５０Ω）にすることができる。そのため、分布スイッチは非常に広帯域なスイッチングが可能となっている。
【0004】
ここで、スイッチングは、単位スイッチＳＷ１の、入出力端子ＩＮ，ＯＵＴから見た時の抵抗値を可変とすることで実現される。すなわち、単位スイッチＳＷ１がオンになった時（導通時）には、入出力端子ＩＮ，ＯＵＴは接地電位に接続されるため、入力端子ＩＮに入力された高周波信号は出力端子ＯＵＴに到達する前に接地され、分布スイッチとしての動作は遮断動作となる。また、単位スイッチＳＷ１がオフになった時（開放時）には、入出力端子ＩＮ，ＯＵＴは障害なく接続されるため、分布スイッチとしての動作は導通動作となる。
【0005】
スイッチの重要な性能指標として、オン時とオフ時の通過特性の比であるオンオフ比がある。しかしながら、分布スイッチには、信号線路を伝搬する信号の周波数が高くなると、十分なオンオフ比を確保できなくなるという課題があった。この課題が生じる原因について説明する。
【0006】
分布スイッチの上記の課題は、図１１に示すように、信号線路Ｔ１と制御線路Ｔ２との間の寄生容量Ｃｘの存在に由来する。図１２に、寄生容量Ｃｘを考慮した分布スイッチの等価回路を示す。Ｒｓは単位スイッチＳＷ１の可変抵抗、Ｃｓは単位スイッチＳＷ１が有する容量を示している。
【0007】
分布スイッチは、制御端子ＣＴＬに入力される制御信号によって単位スイッチＳＷ１がオン／オフし、それによって可変抵抗Ｒｓの値が変化する。すなわち、Ｒｓが大きい時には単位スイッチＳＷ１は信号線路Ｔ１から見て開放に近いインピーダンスを有するため、分布スイッチの特性は導通となる。一方、Ｒｓが小さい時には単位スイッチＳＷ１は信号線路Ｔ１から見て短絡に近いインピーダンスを有するため、分布スイッチの特性は遮断となる。
【0008】
ここで、図１２に示すように、本来ならば電気的に絶縁されるべき信号線路Ｔ１と制御線路Ｔ２とが、寄生容量Ｃｘを介して電気的に結合することを考える。これにより、図１３に示すような信号線路Ｔ１から制御線路Ｔ２への漏洩経路Ｐ２が生じる。この漏洩経路Ｐ２を通る信号は、可変抵抗Ｒｓを通過しないため、制御信号によってオンオフさせることができない。したがって、従来の分布スイッチでは、入力端子ＩＮに入力された高周波信号のうち、寄生容量Ｃｘによって漏洩しなかった一部の信号（図１３に示した通常の信号経路Ｐ１を通る信号）のみしかオンオフさせることができない。以上が、分布スイッチのオンオフ比が低下する理由である。信号線路Ｔ１を通る信号の周波数が高くなると、寄生容量Ｃｘのインピーダンスが低下するため、１００ＧＨｚを超えるような高周波信号をオンオフさせる場合に本課題は顕著となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0009】
【非特許文献1】Hiroshi Mizutani and Yoichiro Takayama，“A DC-60 GHz GaAs MMIC Switch Using Novel Distributed FET”，IEEE MTT-S International，June 1997
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高周波領域で従来よりもオンオフ比が高い分布スイッチを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の分布スイッチは、一端が入力端子に接続され、他端が出力端子に接続された第１の伝送線路と、一端が制御端子に接続された第２の伝送線路と、この第２の伝送線路の他端を終端する終端回路と、前記第１、第２の伝送線路に沿って並ぶように前記第１の伝送線路と接地との間に挿入され、各々の制御信号入力端子が前記第２の伝送線路に接続された複数の単位スイッチと、各単位スイッチの制御信号入力端子に接続され、所望の周波数においてインピーダンスが０近傍となる複数のインピーダンス回路とを備えることを特徴とするものである。また、本発明の分布スイッチの１構成例において、前記単位スイッチは、前記制御信号入力端子となるゲート端子が前記第２の伝送線路に接続され、ドレイン端子が前記第１の伝送線路に接続され、ソース端子が接地されたソース接地電界効果トランジスタからなることを特徴とするものである。
また、本発明の分布スイッチの１構成例において、前記単位スイッチは、前記制御信号入力端子となるベース端子が前記第２の伝送線路に接続され、コレクタ端子が前記第１の伝送線路に接続され、エミッタ端子が接地されたエミッタ接地バイポーラトランジスタからなることを特徴とするものである。
また、本発明の分布スイッチの１構成例において、前記インピーダンス回路は、前記制御信号入力端子と接地との間に設けられた、インダクタと容量とを直列に接続したＬＣ直列共振器からなることを特徴とするものである。
また、本発明の分布スイッチの１構成例において、前記インピーダンス回路は、一端が前記制御信号入力端子に接続され、他端が開放されたオープンスタブからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、高周波領域で従来よりもオンオフ比が高い分布スイッチを実現することができる。また、本発明では、単位スイッチの段数を増加させることなくオンオフ比を向上させることができるので、分布スイッチの回路規模を縮小し、低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
［発明の原理］本発明は、上記で述べた、信号線路と制御線路との間の寄生容量に起因する分布スイッチの特性劣化を解決する回路構成を提供するものである。
以下に本発明の原理を説明する。本発明では、図１３に示した漏洩経路Ｐ２を遮断し、入力端子ＩＮに入力される高周波信号をすべて信号線路Ｔ１に留める（図１３に示した通常の信号経路Ｐ１に留める）ことによって、従来の分布スイッチよりもオンオフ比を改善する。その手法は次のようなものである。
【0015】
従来と同様に、信号線路Ｔ１は、一端が入力端子ＩＮに接続され、他端が出力端子ＯＵＴに接続されている。制御線路Ｔ２は、一端が制御端子ＣＴＬに接続され、他端が終端抵抗Ｒ１（終端回路）によって終端されている。複数の単位スイッチＳＷ１は、信号線路Ｔ１および制御線路Ｔ２に沿って並ぶように信号線路Ｔ１と接地との間に挿入され、各々の制御信号入力端子ｃが制御線路Ｔ２に接続されている（図１）。
【0016】
そして、本発明では、図１に示すように、各単位スイッチＳＷ１の制御信号入力端子ｃにそれぞれインピーダンス回路Ｘを付加する。単位スイッチＳＷ１の制御信号入力端子ｃから見たインピーダンス回路ＸのインピーダンスＺｘ（制御信号入力端子ｃと接地との間のインピーダンス）は、所望の周波数において０（もしくは０近傍）になるように設定されている。ここで、所望の周波数とは、分布スイッチでオン／オフしたい信号の周波数のことを言う。
【0017】
図１の等価回路を図２に示す。入力端子ＩＮに入力された高周波信号のうち、寄生容量Ｃｘを介して漏洩した信号は、すぐさまインピーダンス回路Ｘによって接地される。そのため、この信号は制御線路Ｔ２側に漏洩することができず、図１３に示したような漏洩経路Ｐ２が形成されることはない。
【0018】
すなわち、信号の周波数帯域においてインピーダンス回路ＸのインピーダンスＺｘが０であり、かつ、単位スイッチＳＷ１の制御信号入力端子ｃから見てインピーダンス回路Ｘは制御端子ＣＴＬと並列に接続されている。このため、制御端子ＣＴＬ側にいかなるインピーダンスの回路があったとしても、この回路とインピーダンス回路Ｘの並列インピーダンスは０となるから、単位スイッチＳＷ１の制御信号入力端子ｃから見たときに制御端子ＣＴＬ側の回路が存在しない場合と等価の構成となる。
【0019】
したがって、寄生容量Ｃｘにより漏洩した信号は、インピーダンス回路Ｘに存在する接地端によって全て反射され、信号線路Ｔ１側に戻り、通常の信号経路Ｐ１に合流することになる。通常の信号経路Ｐ１を通る信号は、制御信号に応じて適切にオンオフされる。以上の理由により、寄生容量Ｃｘの存在によって高周波領域で分布スイッチのオンオフ比が低下するという課題が解決される。
【0020】
［第１の実施例］以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。本発明の第１の実施例では、図３に示すように、単位スイッチとしてソース接地電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）を用いた分布スイッチに本発明を適用する例を説明する。ＦＥＴは、ゲート端子に印加する電圧によってドレイン−ソース間の抵抗を変化させることができるため、可変抵抗として用いることができる。したがって、ソース接地のＦＥＴＱ１を図３のように配置することで分布スイッチを構成することができる。ＦＥＴＱ１は、ゲート端子Ｇ（制御信号入力端子ｃ）が制御線路Ｔ２に接続され、ドレイン端子Ｄ（第１の端子ａ）が信号線路Ｔ１に接続され、ソース端子Ｓ（第２の端子ｂ）が接地されている。図３に示した構成では、ＦＥＴＱ１のドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇが図１１における寄生容量Ｃｘに相当する。
【0021】
本実施例は、図４に示すように、ＦＥＴＱ１のゲート端子Ｇ（制御信号入力端子ｃ）と接地との間に、インダクタＬ１と容量Ｃ１とを直列に接続したＬＣ直列共振器からなるインピーダンス回路Ｘを付加したものである。ＬＣ直列共振器は、インダクタＬ１のインダクタンスをＬ、容量Ｃ１のキャパシタンスをＣとすれば、１／（２π（ＬＣ）1/2）に相当する共振周波数でそのインピーダンスが０となる。したがって、このＬＣ直列共振器によって、上記の発明の原理で述べたインピーダンス回路Ｘを構成することができる。
【0022】
本実施例の有効性を確認するために、回路シミュレータを用いて図３と図４の構成のオンオフ比の比較を行った。計算では、ＦＥＴＱ１として、ゲート幅１０μｍのＩｎＰ−ＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor）を用いた。図３、図４に共通する信号線路Ｔ１および制御線路Ｔ２としては、特性インピーダンス６５Ω、２９０ＧＨｚにおける電気長３０°のものを用いた。信号線路Ｔ１および制御線路Ｔ２の導電率は２×１０7Ｓ／ｍとした。また、ＬＣ直列共振器のインダクタＬ１として伝送線路を用い、２９０ＧＨｚでＬＣ直列共振器のインピーダンスが０になるようにインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣの値を調節した。また、計算では、図３、図４のＦＥＴＱ１の個数を６個（単位スイッチの段数が６段）とした。
【0023】
図３、図４の分布スイッチのオン時およびオフ時の入力端子ＩＮから出力端子ＯＵＴへの通過特性を図５に示す。図５の５０は図３に示した従来の分布スイッチのオン時の通過特性を示し、５１は従来の分布スイッチのオフ時の通過特性（損失）を示し、５２は図４に示した本実施例の分布スイッチのオン時の通過特性を示し、５３は本実施例の分布スイッチのオフ時の通過特性（損失）を示している。
【0024】
図５によれば、オン時の通過特性が本実施例では改善されていることが判る。従来の分布スイッチでは、ドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇを介して漏洩した信号の一部が、制御線路Ｔ２の終端抵抗Ｒ１や制御線路Ｔ２自体が持つ有限の抵抗によって消費される。これに対して、本実施例では、そもそも信号が制御線路Ｔ２に漏洩しないため、制御線路Ｔ２に由来する損失を回避することができ、オン時の通過特性を改善することができる。
【0025】
また、図５によれば、オフ時の損失も本実施例の方が大幅に大きいことが判る。上記の発明の原理で述べたように、従来の分布スイッチでは、ドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇを介した漏洩経路を通って入力端子ＩＮから出力端子ＯＵＴに到達する信号が存在するため、この信号をオフ状態のＦＥＴＱ１によって遮断することはできない。これに対して、本実施例では、ドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇを介して漏洩した信号がＬＣ直列共振器によって信号線路Ｔ１に戻されるため、この信号をオフ状態のＦＥＴＱ１によって適切に遮断することができ、オフ時の損失を大きくすることができる。
【0026】
図６に、図５から計算されるオンオフ比を示す。図６の６０は図３に示した従来の分布スイッチのオンオフ比を示し、６１は図４に示した本実施例の分布スイッチのオンオフ比を示している。２５０ＧＨｚ〜３５０ＧＨｚの広帯域にわたって、本実施例ではオンオフ比の改善がみられる。特に、ＬＣ直列共振器のインピーダンスが０になるように設計された２９０ＧＨｚでは、１０ｄＢ以上のオンオフ比改善が得られることが判る。
【0027】
以上のように、本実施例によって、従来よりもオンオフ比が高い分布スイッチを提供することができる。したがって、従来は実現が難しかった、１００ＧＨｚ以上の周波数帯での広帯域な分布スイッチを実現することができる。また、従来の分布スイッチでは、オンオフ比を大きくするために、単位スイッチの段数を増やすことが行われてきた。しかしながら、図６で説明したように、本実施例によれば、単位スイッチの段数を増加させることなくオンオフ比を向上させることができる。したがって、本実施例では、分布スイッチの回路規模を縮小することができる。回路規模の縮小は分布スイッチを量産する際のフットプリント縮小につながり、分布スイッチを含む製品の量産効率向上、すなわち低コスト化に貢献する。
【0028】
なお、現実のＬＣ直列共振器では、回路の抵抗成分のために、ＦＥＴＱ１のゲート端子Ｇから見たときのインピーダンスが完全な０とはならないが、０近傍のインピーダンスを実現することができるため、オンオフ比の十分な改善効果を得ることが可能である。
【0029】
［第２の実施例］次に、本発明の第２の実施例について説明する。図７は本発明の第２の実施例に係る分布スイッチの構成を示す回路図であり、図４と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施例は、第１の実施例と同様に単位スイッチとしてＦＥＴＱ１を用いるものであり、一端がＦＥＴＱ１のゲート端子Ｇ（制御信号入力端子ｃ）に接続され、他端が開放された線路であるオープンスタブＴ３をインピーダンス回路Ｘとして付加したものである。
【0030】
オープンスタブＴ３は、その電気長を９０°に選ぶことにより、所望の周波数においてインピーダンスを０（もしくは０近傍）にすることができる。そのため、本実施例によれば、第１の実施例と全く同等のオンオフ比改善効果を得ることができる。一般に、ＦＥＴＱ１のゲート端子Ｇから見てインピーダンスが０もしくは０近傍となる帯域は、オープンスタブの方がＬＣ直列共振器よりも広い。そのため、本実施例では、第１の実施例よりも広帯域にオンオフ比の改善効果を得ることができる。
【0031】
［第３の実施例］次に、本発明の第３の実施例について説明する。図８は本発明の第３の実施例に係る分布スイッチの構成を示す回路図であり、図４、図７と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施例では、単位スイッチとしてエミッタ接地バイポーラトランジスタ等の電流制御型のトランジスタを用いた分布スイッチに本発明を適用する例を説明する。
【0032】
バイポーラトランジスタは、エミッタ接地にすることでソース接地ＦＥＴと同様に単位スイッチとして利用することができる。図８のバイポーラトランジスタＱ２は、ベース端子Ｂ（制御信号入力端子ｃ）が制御線路Ｔ２に接続され、コレクタ端子Ｃ（第１の端子ａ）が信号線路Ｔ１に接続され、エミッタ端子Ｅ（第２の端子ｂ）が接地されている。図８に示した構成では、バイポーラトランジスタＱ２のコレクタ−ベース間容量Ｃｏｂが図１１における寄生容量Ｃｘに相当する。
【0033】
そして、本実施例では、バイポーラトランジスタＱ２のベース端子Ｂ（制御信号入力端子ｃ）と接地との間に、インダクタＬ１と容量Ｃ１とを直列に接続したＬＣ直列共振器からなるインピーダンス回路Ｘを付加している。このような構成により、本実施例では、第１の実施例と同様に、分布スイッチのオンオフ比を改善することができる。
【産業上の利用可能性】
【0035】
本発明は、高周波電気信号を扱う回路技術に適用することができる。
【符号の説明】
【0036】
Ｔ１…信号経路、Ｔ２…制御線路、Ｔ３…オープンスタブ、ＳＷ１…単位スイッチ、Ｘ…インピーダンス回路、Ｑ１…電界効果トランジスタ、Ｑ２…バイポーラトランジスタ、Ｒ１…終端抵抗、Ｌ１…インダクタ、Ｃ１…容量、ＩＮ…入力端子、ＯＵＴ…出力端子、ＣＴＬ…制御端子。