7776084 高周波回路

(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】

(24)【登録日】2025-11-17

(45)【発行日】2025-11-26

(54)【発明の名称】高周波回路

(51)【国際特許分類】

   H01P 1/10 20060101AFI20251118BHJP

   H01P 1/15 20060101ALI20251118BHJP

【ＦＩ】

H01P1/10

H01P1/15

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2023566214

(86)(22)【出願日】2022-11-22

(86)【国際出願番号】 JP2022043197

(87)【国際公開番号】W WO2023106092

(87)【国際公開日】2023-06-15

【審査請求日】2024-04-03

(31)【優先権主張番号】P 2021200757

(32)【優先日】2021-12-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】599016431

【氏名又は名称】学校法人 芝浦工業大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100189430

【弁理士】

【氏名又は名称】吉川 修一

(74)【代理人】

【識別番号】100190805

【弁理士】

【氏名又は名称】傍島 正朗

(72)【発明者】

【氏名】前多 正

(72)【発明者】

【氏名】神藤 始

【審査官】白井 亮

(56)【参考文献】

【文献】特表２０２１－５２７３５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１２７１３８６０（ＣＮ，Ａ）

【文献】NAGULU, Aravind，Fully-Integrated Non-Magnetic 180nm SOI Circulator with >1W P1dB, >+50dBm IIP3 and High Isolation Across 1.85 VSWR，2018 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC)，2018年06月12日，pp. 104-107

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｐ １／１０

Ｈ０１Ｐ １／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１伝送線路と、
前記第１伝送線路の一端に接続され、前記第１伝送線路の一端と複数の第１回路との接続を切り替える第１切り替え回路と、
前記第１伝送線路の他端に接続され、前記第１伝送線路の他端と複数の第２回路との接続を切り替える第２切り替え回路と、を備え、
ｆ_ｍ０を前記第１切り替え回路および前記第２切り替え回路の切り替え周波数とし、ｆを前記第１伝送線路を伝播する信号の周波数とし、λ_ｍ０を前記切り替え周波数に対する波長とし、ｍを１以上の整数とし、ｎを０以上の整数とし、前記第１伝送線路の長さをｍλ_ｍ０／４とした場合に、ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍである、
高周波回路。

【請求項2】

前記第１伝送線路の一端は、前記第１切り替え回路によって前記複数の第１回路のうちの１つの第１回路と排他的に接続され、
前記第１伝送線路の他端は、前記第２切り替え回路によって前記複数の第２回路のうちの１つの第２回路と排他的に接続される、
請求項１に記載の高周波回路。

【請求項3】

複数の第１伝送線路と、
前記複数の第１伝送線路のそれぞれの一端に接続され、前記複数の第１伝送線路のそれぞれの一端と第１回路との接続を切り替える第１切り替え回路と、
前記複数の第１伝送線路のそれぞれの他端に接続され、前記複数の第１伝送線路のそれぞれの他端と第２回路との接続を切り替える第２切り替え回路と、を備え、
ｆ_ｍ０を前記第１切り替え回路および前記第２切り替え回路の切り替え周波数とし、ｆを前記第１伝送線路を伝播する信号の周波数とし、λ_ｍ０を前記切り替え周波数に対する波長とし、ｍを１以上の整数とし、ｎを０以上の整数とし、前記第１伝送線路の長さをｍλ_ｍ０／４とした場合に、ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍである、
高周波回路。

【請求項4】

前記第１回路は、前記第１切り替え回路によって前記複数の第１伝送線路のうちの１つの第１伝送線路の一端と排他的に接続され、
前記第２回路は、前記第２切り替え回路によって前記複数の第１伝送線路のうちの１つの第１伝送線路の他端と排他的に接続される、
請求項３に記載の高周波回路。

【請求項5】

前記第１切り替え回路および前記第２切り替え回路は、それぞれ制御信号によって導通および非導通が制御される半導体素子によって構成される、
請求項１～４のいずれか１項に記載の高周波回路。

【請求項6】

前記切り替え周波数は、前記第１伝送線路を伝播する信号の周波数と異なる、
請求項１～４のいずれか１項に記載の高周波回路。

【請求項7】

前記第１回路および前記第２回路は、それぞれ第２伝送線路により構成される、
請求項１～４のいずれか１項に記載の高周波回路。

【請求項8】

前記第１回路および前記第２回路は、それぞれ受動素子により構成される、
請求項１～４のいずれか１項に記載の高周波回路。

【請求項9】

前記第１回路および前記第２回路は、それぞれ受動素子で構成された遅延回路により構成される、
請求項８に記載の高周波回路。

【請求項10】

前記第１伝送線路は、縦続接続された複数の回路によって構成されており、
前記複数の回路は、それぞれ受動素子で構成される、
請求項１～４のいずれか１項に記載の高周波回路。

【請求項11】

前記第１伝送線路の等価特性インピーダンスは、前記第１回路のインピーダンスおよび前記第２回路のインピーダンスよりも小さい、
請求項１０に記載の高周波回路。

【請求項12】

前記第１伝送線路は、ストリップライン系線路によって構成される、
請求項１～４のいずれか１項に記載の高周波回路。

【請求項13】

前記第１伝送線路の特性インピーダンスは、前記第１回路のインピーダンスおよび前記第２回路のインピーダンスよりも大きい、
請求項１２に記載の高周波回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高周波回路に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、伝送線路に接続される回路を切り替えるための線路切替型移相器が記載されている。非特許文献１には、伝送線路に接続される回路を切り替えるための線路切替型ジャイレータが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２１－１３０７１号公報

【非特許文献】

【0004】

【文献】RFIC2018,“Fully-Integrated Non-Magnetic 180nm SOI Circulator with >1W P1dB, >+50dBm IIP3 and High Isolation across 1.85 VSWR”

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載された線路切替型移相器および非特許文献１に記載された線路切替型ジャイレータをマイクロ波帯に適用した場合、伝送線路（λ／４線路）が大型化してしまう。また、伝送線路をインダクタおよびコンデンサなどを用いた集中定数回路で近似して構成した場合においても、素子数が多くなり伝送線路が大型化してしまう。

【0006】

そこで、本発明は、伝送線路を小型化できる高周波回路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】

【0007】

本発明の一態様に係る高周波回路は、第１伝送線路と、第１伝送線路の一端に接続され、第１伝送線路の一端と複数の第１回路との接続を切り替える第１切り替え回路と、第１伝送線路の他端に接続され、第１伝送線路の他端と複数の第２回路との接続を切り替える第２切り替え回路と、を備え、ｆ_ｍ０を第１切り替え回路および第２切り替え回路の切り替え周波数とし、ｆを第１伝送線路を伝播する信号の周波数とし、λ_ｍ０を切り替え周波数に対する波長とし、ｍを１以上の整数とし、ｎを０以上の整数とし、第１伝送線路の長さをｍλ_ｍ０／４とした場合に、ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍである。

【0008】

本発明の一態様に係る高周波回路は、複数の第１伝送線路と、複数の第１伝送線路のそれぞれの一端に接続され、複数の第１伝送線路のそれぞれの一端と第１回路との接続を切り替える第１切り替え回路と、複数の第１伝送線路のそれぞれの他端に接続され、複数の第１伝送線路のそれぞれの他端と第２回路との接続を切り替える第２切り替え回路と、を備え、ｆ_ｍ０を第１切り替え回路および第２切り替え回路の切り替え周波数とし、ｆを第１伝送線路を伝播する信号の周波数とし、λ_ｍ０を切り替え周波数に対する波長とし、ｍを１以上の整数とし、ｎを０以上の整数とし、第１伝送線路の長さをｍλ_ｍ０／４とした場合に、ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍである。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、伝送線路を小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施の形態に係る高周波回路の一例を示す構成図である。

【図2】図２は、実施の形態に係る高周波回路の他の一例を示す構成図である。

【図3】図３は、実施の形態に係る高周波回路の他の一例を示す構成図である。

【図4】図４は、実施の形態に係る高周波回路が適用されたサーキュレータの一例を示す構成図である。

【図5】図５は、伝送線路の入力インピーダンスを説明するための図である。

【図6】図６は、伝送線路の入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。

【図7A】図７Ａは、第１タイミングにおける切り替え回路の駆動信号を示す図である。

【図7B】図７Ｂは、第１タイミングにおける切り替え回路の切り替え状態を示す図である。

【図8A】図８Ａは、第２タイミングにおける切り替え回路の駆動信号を示す図である。

【図8B】図８Ｂは、第２タイミングにおける切り替え回路の切り替え状態を示す図である。

【図9A】図９Ａは、第３タイミングにおける切り替え回路の駆動信号を示す図である。

【図9B】図９Ｂは、第３タイミングにおける切り替え回路の切り替え状態を示す図である。

【図10A】図１０Ａは、第４タイミングにおける切り替え回路の駆動信号を示す図である。

【図10B】図１０Ｂは、第４タイミングにおける切り替え回路の切り替え状態を示す図である。

【図11】図１１は、Ｌ型回路で構成されたラダー型の伝送線路の一例を示す構成図である。

【図12】図１２は、Ｌ型回路で構成されたラダー型の伝送線路が適用されたサーキュレータのアイソレーション特性を示す図である。

【図13】図１３は、π－Ｌａｔｔｉｃｅ型回路で構成されたラダー型の伝送線路の一例を示す構成図である。

【図14】図１４は、π－Ｌａｔｔｉｃｅ型回路で構成されたラダー型の伝送線路のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面に示される構成要素の大きさ、または大きさの比は、必ずしも厳密ではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化する場合がある。また、以下の実施の形態において、「接続される」とは、直接接続される場合だけでなく、他の素子（例えば、キャパシタ、インダクタ、または、ダイオードもしくはトランジスタ等の半導体素子等）を介して電気的に接続される場合も含まれる。

【0012】

（実施の形態）
実施の形態について、図１から図１４を用いて説明する。

【0013】

図１は、実施の形態に係る高周波回路１の一例を示す構成図である。

【0014】

高周波回路１は、高周波信号（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＲＦ）信号）を伝送する経路を切り替えるための回路であり、伝送線路１０と、伝送線路１０の両端に接続された切り替え回路１１および１２とを備える。

【0015】

伝送線路１０は、第１伝送線路の一例である。伝送線路１０は、インダクタおよびコンデンサなどを用いた集中定数素子（受動素子）で構成されてもよい。また、伝送線路１０は、マイクロストリップライン、ストリップライン、コプレーナガイドラインまたはＧＮＤ付きコプレーナガイドラインなどの誘電体に導体を形成したストリップライン系線路で構成されてもよい。高周波回路１は、１以上の伝送線路１０を備えていればよく、図１では複数の伝送線路１０を備える例が示されている。

【0016】

切り替え回路１１は、第１切り替え回路の一例である。切り替え回路１１は、伝送線路１０の一端に接続され、伝送線路１０の一端と第１回路２０との接続を切り替える。第１回路２０は、第２伝送線路により構成されてもよいし、受動素子により構成されてもよいし、受動素子で構成された遅延回路により構成されてもよい。なお、第２伝送線路は、第１伝送線路の一例である伝送線路１０と区別するために、「第２」伝送線路としている。

【0017】

切り替え回路１２は、第２切り替え回路の一例である。切り替え回路１２は、伝送線路１０の他端に接続され、伝送線路１０の他端と第２回路３０との接続を切り替える。第２回路３０は、第２伝送線路により構成されてもよいし、受動素子により構成されてもよいし、受動素子で構成された遅延回路により構成されてもよい。

【0018】

図１に示されるように、切り替え回路１１は、複数の伝送線路１０のそれぞれの一端と複数の第１回路２０との接続を切り替え、切り替え回路１２は、複数の伝送線路１０のそれぞれの他端と複数の第２回路３０との接続を切り替えてもよい。なお、高周波回路１が伝送線路１０を１つのみ備える場合には、切り替え回路１１は、伝送線路１０の一端と複数の第１回路２０との接続を切り替え、切り替え回路１２は、伝送線路１０の他端と複数の第２回路３０との接続を切り替える。また、第１回路１０および第２回路３０がそれぞれ１つのみ存在する場合には、高周波回路１は複数の伝送線路１０を備え、切り替え回路１１は、複数の伝送線路１０のそれぞれの一端と第１回路２０との接続を切り替え、切り替え回路１２は、複数の伝送線路１０のそれぞれの他端と第２回路３０との接続を切り替える。

【0019】

切り替え回路１１および１２は、それぞれ制御信号によって導通および非導通が制御される３端子の半導体素子（半導体スイッチ）によって構成されてもよい。例えば、切り替え回路１１および１２は、それぞれＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｓｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）によって構成されていてもよい。なお、切り替え回路１１および１２は、それぞれ制御信号によって導通および非導通が制御される機械式のスイッチによって構成されてもよい。切り替え回路１１および１２におけるスイッチの導通および非導通は、切り替え回路１１および１２の切り替え周波数（後述する周波数ＬＯ）に応じて切り替えられる。

【0020】

第１回路２０が複数存在する場合、伝送線路１０の一端は、切り替え回路１１によって複数の第１回路２０のうちの１つの第１回路２０と排他的に接続されてもよい。具体的には、伝送線路１０の一端と複数の第１回路２０との接続が切り替え回路１１によって順番に切り替えられていく際に、伝送線路１０の一端は、複数の第１回路２０のうちのいずれか１つの第１回路２０のみと接続され、２つ以上の第１回路２０と同時に接続されなくてもよい。

【0021】

第２回路３０が複数存在する場合、伝送線路１０の他端は、切り替え回路１２によって複数の第２回路３０のうちの１つの第２回路３０と排他的に接続されてもよい。具体的には、伝送線路１０の他端と複数の第２回路３０との接続が切り替え回路１２によって順番に切り替えられていく際に、伝送線路１０の他端は、複数の第２回路３０のうちのいずれか１つの第２回路３０のみと接続され、２つ以上の第２回路３０と同時に接続されなくてもよい。

【0022】

高周波回路１が複数の伝送線路１０を備える場合、第１回路２０は、切り替え回路１１によって複数の伝送線路１０のうちの１つの伝送線路１０の一端と排他的に接続されてもよい。具体的には、複数の伝送線路１０の一端と第１回路２０との接続が切り替え回路１１によって順番に切り替えられていく際に、第１回路２０は、複数の伝送線路１０のうちのいずれか１つの伝送線路１０のみと接続され、２つ以上の伝送線路１０と同時に接続されなくてもよい。

【0023】

また、高周波回路１が複数の伝送線路１０を備える場合、第２回路３０は、切り替え回路１２によって複数の伝送線路１０のうちの１つの伝送線路１０の他端と排他的に接続されてもよい。具体的には、複数の伝送線路１０の他端と第２回路３０との接続が切り替え回路１２によって順番に切り替えられていく際に、第２回路３０は、複数の伝送線路１０のうちのいずれか１つの伝送線路１０のみと接続され、２つ以上の伝送線路１０と同時に接続されなくてもよい。

【0024】

図２および図３は、実施の形態に係る高周波回路１の他の一例を示す構成図である。図２に示されるように、１つの伝送線路１０に対して複数の第１回路２０および複数の第２回路３０が切り替え回路１１および１２によって接続されてもよい。なお、図２では２つの第１回路２０および２つの第２回路３０を示しているが、１つの伝送線路１０に対して３つ以上の第１回路２０および３つ以上の第２回路３０が切り替え回路１１および１２によって接続されてもよい。また、図３に示されるように、複数の伝送線路１０に対して１つの第１回路２０および１つの第２回路３０が切り替え回路１１および１２によって接続されてもよい。なお、図３では２つの伝送線路１０を示しているが、３つ以上の伝送線路１０に対して１つの第１回路２０および１つの第２回路３０が切り替え回路１１および１２によって接続されてもよい。

【0025】

λ_ｍ０を切り替え回路１１および１２の切り替え周波数に対する波長とし、ｍを１以上の整数とした場合、伝送線路１０の長さは、ｍλ_ｍ０／４となっている。

【0026】

このような高周波回路１は、スイッチを用いたミキサを利用したジャイレータに応用でき、ジャイレータである高周波回路１をサーキュレータに適用できる。以下では、高周波回路１が適用されたサーキュレータについて説明する。

【0027】

図４は、実施の形態に係る高周波回路１が適用されたサーキュレータの一例を示す構成図である。

【0028】

例えば、高周波回路１は、伝送線路１０ａおよび１０ｂと、伝送線路１０ａおよび１０ｂの一端に接続され、伝送線路１０ａおよび１０ｂの一端と第１回路２０ａおよび２０ｂとの接続を切り替える切り替え回路１１と、伝送線路１０ａおよび１０ｂの他端に接続され、伝送線路１０ａおよび１０ｂの他端と第２回路３０ａおよび３０ｂとの接続を切り替える切り替え回路１２と、を備える。具体的には、切り替え回路１１は、伝送線路１０ａの一端と第１回路２０ａおよび２０ｂとの接続を切り替え、伝送線路１０ｂの一端と第１回路２０ａおよび２０ｂとの接続を切り替える。切り替え回路１２は、伝送線路１０ａの他端と第２回路３０ａおよび３０ｂとの接続を切り替え、伝送線路１０ｂの他端と第２回路３０ａおよび３０ｂとの接続を切り替える。

【0029】

例えば、切り替え回路１１は、切り替え周波数ＬＯの駆動信号で導通および非導通が制御される４つのスイッチを備える。伝送線路１０ａの一端は、ローカルオシレータからの周波数ＬＯの駆動信号ＬＯ１＋によって制御されるスイッチを介して第１回路２０ａと接続される。また、伝送線路１０ａの一端は、ローカルオシレータからの周波数ＬＯの駆動信号ＬＯ１－によって制御されるスイッチを介して第１回路２０ｂと接続される。伝送線路１０ｂの一端は、ローカルオシレータからの周波数ＬＯの駆動信号ＬＯ１－によって制御されるスイッチを介して第１回路２０ａと接続される。また、伝送線路１０ｂの一端は、ローカルオシレータからの周波数ＬＯの駆動信号ＬＯ１＋によって制御されるスイッチを介して第１回路２０ｂと接続される。

【0030】

例えば、切り替え回路１２は、切り替え周波数ＬＯの駆動信号で導通および非導通が制御される４つのスイッチを備える。伝送線路１０ａの他端は、ローカルオシレータからの周波数ＬＯの駆動信号ＬＯ２＋によって制御されるスイッチを介して第２回路３０ａと接続される。また、伝送線路１０ａの他端は、ローカルオシレータからの周波数ＬＯの駆動信号ＬＯ２－によって制御されるスイッチを介して第２回路３０ｂと接続される。伝送線路１０ｂの他端は、ローカルオシレータからの周波数ＬＯの駆動信号ＬＯ２－によって制御されるスイッチを介して第２回路３０ａと接続される。また、伝送線路１０ｂの他端は、ローカルオシレータからの周波数ＬＯの駆動信号ＬＯ２＋によって制御されるスイッチを介して第２回路３０ｂと接続される。

【0031】

切り替え回路１１および１２は、ギルバートセルミキサーとして動作し、高周波回路１は、ジャイレータとして動作する。このようなジャイレータとして動作する高周波回路１を用いることで、送信端子５１に入力されたＲＦ信号をアンテナ端子５２に低損失で伝送し、アンテナ端子５２に入力されたＲＦ信号を受信端子５３に低損失で伝送し、送信端子５１と受信端子５３とのアイソレーションを高めることができるサーキュレータを実現できる。

【0032】

送信端子５１とアンテナ端子５２とは、第３回路４０ａおよび４０ｂを介して接続される。第３回路４０ａおよび４０ｂは、例えば、伝送線路（第２伝送線路）である。送信端子５１と高周波回路１とは、第１回路２０ａおよび２０ｂを介して接続される。第１回路２０ａおよび２０ｂは、例えば、伝送線路（第２伝送線路）である。アンテナ端子５２と受信端子５３および高周波回路１とは、第２回路３０ａおよび３０ｂを介して接続される。第２回路３０ａおよび３０ｂは、例えば、伝送線路（第２伝送線路）である。

【0033】

高周波回路１では、周波数ＬＯの駆動信号ＬＯ１＋と位相が１８０°反転した駆動信号ＬＯ１－により、伝送線路１０ａおよび１０ｂの一端に接続されたギルバートセルミキサーである切り替え回路１１を駆動し、第１回路２０ａおよび２０ｂ、第２回路３０ａおよび３０ｂならびに第３回路４０ａおよび４０ｂ（λ／４線路）を伝播するＲＦ信号の周波数ｆ_ＲＦをＢａｓｅ Ｂａｎｄ（ＢＢ）の周波数ｆ_ＢＢ＝ｆ_ＲＦ±ＬＯに変換して伝送線路１０ａおよび１０ｂ（λ_ｍ０／４線路）にＢＢ信号を伝播させる。そして、ジャイレータである高周波回路１は、駆動信号ＬＯ１＋および駆動信号ＬＯ１－に対して位相が９０°遅れた周波数ＬＯの駆動信号ＬＯ２＋および駆動信号ＬＯ２－により、伝送線路１０ａおよび１０ｂの他端に接続されたギルバートセルミキサーである切り替え回路１２を駆動することで、周波数ｆ_ＢＢを周波数ｆ_ＲＦに再変換し、図４に示されるサーキュレータにおける右回りに伝播するＲＦ信号と左回りに伝播するＲＦ信号とにそれぞれ９０°の位相進みと位相遅れを生じさせて非相反の関係を与える。高周波回路１は、以下の式１のＳパラメータを有する。なお、波長λ_ｍ０は駆動信号ＬＯ１＋、ＬＯ１－、ＬＯ２＋およびＬＯ２－の波長であり、波長λはＲＦ信号の波長である。

【0034】

【数1】

【0035】

高周波回路１は２つの伝送線路１０ａおよび１０ｂ（λ_ｍ０／４線路）を周波数ＬＯで切り替える動作をしている。

【0036】

このような高周波回路１をマイクロ波帯に適用する場合、伝送線路１０ａおよび１０ｂ（λ_ｍ０／４線路）が大型化してしまうおそれがある。具体的には、高周波回路１に用いられるλ_ｍ０／４線路は、ＲＦ信号より周波数が低いＢＢ信号が伝播する。例えば、周波数ＬＯをＲＦ信号の１／３の周波数とすることで、ＢＢ信号はＲＦ信号の２／３の周波数と４／３の周波数となり、波長λ_ｍ０はＲＦ信号の波長の３倍となるため、λ_ｍ０／４線路が大型化してしまうおそれがある。しかしながら、本発明によれば、以下に説明するように、伝送線路１０ａおよび１０ｂの小型化が可能となっている。

【0037】

図５は、伝送線路１０ａおよび１０ｂの入力インピーダンスを説明するための図である。図５を用いて、長さｘ’＝ｍλ_ｍ０／４の伝送線路１０ａおよび１０ｂの入力インピーダンスを説明する。以下の説明において、Ｚ_ｍ０を伝送線路１０ａおよび１０ｂの特性インピーダンス、Ｚ_Ｌを伝送線路１０ａおよび１０ｂに接続される伝送線路（第１回路２０ａおよび２０ｂならびに第２回路３０ａおよび３０ｂ）のインピーダンス、Ｃ_０を光速、ｆ_ｍ０を切り替え回路１１および１２の切り替え周波数、λ_ｍ０をｆ_ｍ０に対する波長、ｆを伝送線路１０ａおよび１０ｂを伝播する信号の周波数、λをｆに対する波長、ε_ｒを伝送線路１０ａおよび１０ｂの比誘電率、ｍを１以上の整数、ｎを０以上の整数とする。このとき、λ_ｍ０＝Ｃ_０／（ｆ_ｍ０×√ε_ｒ）、λ＝Ｃ_０／（ｆ×√ε_ｒ）が成り立つ。なお、以下の説明において、伝送線路１０ａと伝送線路１０ｂとを区別する必要がない場合には、伝送線路１０ａおよび１０ｂを伝送線路１０とも記載する。同じように、第１回路２０ａと第１回路２０ｂとを区別する必要がない場合には、第１回路２０ａおよび２０ｂを第１回路２０とも記載する。同じように、第２回路３０ａと第２回路３０ｂとを区別する必要がない場合には、第２回路３０ａおよび３０ｂを第２回路３０とも記載する。同じように、第３回路４０ａと第３回路４０ｂとを区別する必要がない場合には、第３回路４０ａおよび４０ｂを第３回路４０とも記載する。

【0038】

以下の式２は、伝送線路１０の入力インピーダンスＺ_ｉｎの解析式を示す。

【0039】

【数2】

【0040】

式２より、長さがｍλ_ｍ０／４の伝送線路１０では、βｘ’＝ｎπのときにＺ_ｉｎ＝Ｚ_Ｌとなり、すなわち、ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍのときにＺ_ｉｎ＝Ｚ_Ｌとなることがわかる。例えば、ＲＦ信号の周波数ｆ_ＲＦを９００ＭＨｚ、切り替え回路１１および１２の切り替え周波数ＬＯ（すなわち周波数ｆ_ｍ０）を３００ＭＨｚとすると、伝送線路１０を伝播するＢＢ信号の周波数ｆ_ＢＢ（すなわち周波数ｆ）は、６００ＭＨｚ（９００ＭＨｚ－３００ＭＨｚ）と、１２００ＭＨｚ（９００ＭＨｚ＋３００ＭＨｚ）となり、ｆ／ｆ_ｍ０＝ｆ_ＢＢ／ＬＯ＝６００ＭＨｚ／３００ＭＨｚ＝２とｆ／ｆ_ｍ０＝ｆ_ＢＢ／ＬＯ＝１２００ＭＨｚ／３００ＭＨｚ＝４であり、ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍとなる。

【0041】

このように、伝送線路１０の長さをｍλ_ｍ０／４としたときに、ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍとすると、インピーダンスが整合できて無反射となる。なお、波長λ_ｍ０は、上述したように、λ_ｍ０＝Ｃ_０／（ｆ_ｍ０×√ε_ｒ）と求まるが、この式によらず周波数ｆ_ｍ０に対応した伝送線路１０の波長をλ_ｍ０として用いてもよい。

【0042】

図６は、伝送線路１０の入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。具体的には、図６は、終端インピーダンスＺ_Ｌを５０Ωとし、伝送線路１０の中心周波数（伝送線路１０を伝播する信号の周波数ｆ）を６００ＭＨｚとし、伝送線路１０の長さをλ_ｍ０／４（ｍ＝１）とし、伝送線路１０の特性インピーダンスＺ_ｍ０を５Ω、１０Ω、２００Ω、１ＫΩとしたときの伝送線路１０の入力インピーダンスＺ_ｉｎの周波数依存性を計算した結果を示す。

【0043】

図６より、ｆ＝２×ｆ_ｍ０＝６００ＭＨｚで終端インピーダンスＺ_Ｌと入力インピーダンスＺ_ｉｎとが一致し、インピーダンスを整合できることがわかる。また、伝送線路１０の特性インピーダンスＺ_ｍ０が５０Ωから大きく離れる場合には帯域が狭まるが、ｆ＝２ｎ×ｆ_ｍ０のときに、式２のｔａｎ（πｆ／２ｆ_ｍ０）が０となり、Ｚ_ｉｎ＝Ｚ_Ｌとなることが自明であり、終端インピーダンスＺ_Ｌと特性インピーダンスＺ_ｍ０とがどのような関係であっても、インピーダンスを整合できることがわかる。つまり、伝送線路１０をインピーダンスが任意の値の線路や回路にしても、インピーダンスを整合できる。

【0044】

なお、本発明の原理は、差動線路に適用できる。差動線路を用いると図４に示されるギルバートセルミキサーを用いた高周波回路１（ジャイレータ）、それを用いたサーキュレータにも本発明を適用することができる。図４の各伝送線路に本構成を利用することで、これらの伝送線路を小型化できる。

【0045】

図４に示されるサーキュレータにおいて、切り替え回路１１および１２の切り替え周波数（駆動信号の周波数ＬＯ）を３００ＭＨｚとした場合に、送信端子５１、アンテナ端子５２、受信端子５３、第１回路２０、第２回路３０および第３回路４０を伝播するＲＦ信号が９００ＭＨｚのときに、送信端子５１と受信端子５３との間のアイソレーションが最大となり、送信端子５１とアンテナ端子５２との間の損失が最小となり、アンテナ端子５２と受信端子５３との間の損失が最小となる。このとき、伝送線路１０を伝播するＢＢ信号の周波数は、ＲＦ信号の周波数９００ＭＨｚからダウンコンバートされ６００ＭＨｚとなる。

【0046】

したがって、図４に示されるサーキュレータでは、終端インピーダンスＺ_Ｌ（第１回路２０のインピーダンスおよび第２回路３０のインピーダンス）の大きさおよび伝送線路１０の特性インピーダンスＺ_ｍ０の大きさにかかわらず、ＲＦ信号が９００ＭＨｚのときにインピーダンスを整合して高周波回路１での反射損失を抑制できることから、伝送線路１０の特性インピーダンスＺ_ｍ０を小型化に適した値に設定することができる。

【0047】

なお、切り替え回路１１および１２は、図７Ａから図１０Ｂに示されるように切り替えられる。

【0048】

図７Ａは、第１タイミングにおける切り替え回路１１および１２の駆動信号を示す図である。

【0049】

図７Ｂは、第１タイミングにおける切り替え回路１１および１２の切り替え状態を示す図である。

【0050】

図８Ａは、第２タイミングにおける切り替え回路１１および１２の駆動信号を示す図である。

【0051】

図８Ｂは、第２タイミングにおける切り替え回路１１および１２の切り替え状態を示す図である。

【0052】

図９Ａは、第３タイミングにおける切り替え回路１１および１２の駆動信号を示す図である。

【0053】

図９Ｂは、第３タイミングにおける切り替え回路１１および１２の切り替え状態を示す図である。

【0054】

図１０Ａは、第４タイミングにおける切り替え回路１１および１２の駆動信号を示す図である。

【0055】

図１０Ｂは、第４タイミングにおける切り替え回路１１および１２の切り替え状態を示す図である。

【0056】

切り替え周波数ＬＯの駆動信号の周期をＴとするとＴ＝１／ＬＯであり、第１タイミングから第４タイミングは、Ｔ／４ごとのタイミングとなる。

【0057】

図７Ａに示される第１タイミングでは、図７Ｂに示されるように、伝送線路１０ａの一端は第１回路２０ａに接続され、伝送線路１０ａの他端は第２回路３０ｂに接続され、伝送線路１０ｂの一端は第１回路２０ｂに接続され、伝送線路１０ｂの他端は第２回路３０ａに接続される。

【0058】

図８Ａに示される第２タイミングでは、図８Ｂに示されるように、伝送線路１０ａの一端は第１回路２０ａに接続され、伝送線路１０ａの他端は第２回路３０ａに接続され、伝送線路１０ｂの一端は第１回路２０ｂに接続され、伝送線路１０ｂの他端は第２回路３０ｂに接続される。

【0059】

図９Ａに示される第３タイミングでは、図９Ｂに示されるように、伝送線路１０ａの一端は第１回路２０ｂに接続され、伝送線路１０ａの他端は第２回路３０ａに接続され、伝送線路１０ｂの一端は第１回路２０ａに接続され、伝送線路１０ｂの他端は第２回路３０ｂに接続される。

【0060】

図１０Ａに示される第４タイミングでは、図１０Ｂに示されるように、伝送線路１０ａの一端は第１回路２０ｂに接続され、伝送線路１０ａの他端は第２回路３０ｂに接続され、伝送線路１０ｂの一端は第１回路２０ａに接続され、伝送線路１０ｂの他端は第２回路３０ａに接続される。

【0061】

図７Ｂ、図８Ｂ、図９Ｂおよび図１０Ｂに示されるように、伝送線路１０の一端には第１回路２０ａおよび２０ｂの一方のみが切り替えられながら常に接続され、伝送線路１０の他端には第２回路３０ａおよび３０ｂの一方のみが切り替えられながら常に接続される。これにより、高周波回路１は、ジャイレータとして機能することができる。

【0062】

なお、伝送線路１０は、受動素子のみで集中定数近似により構成されてもよく、例えば、縦続接続された複数の回路によって構成されてもよい。例えば、伝送線路１０は、受動素子としてインダクタとコンデンサとからなる回路が縦続接続されて構成されてもよい。例えば、伝送線路１０は、小型化のためにＬ型回路を縦続接続したラダー型回路、π型回路またはπ－Ｌａｔｔｉｃｅ型回路を縦続接続したラダー型回路で構成されてもよい。

【0063】

図１１は、Ｌ型回路で構成されたラダー型の伝送線路１０の一例を示す構成図である。図１１に示されるように、伝送線路１０は、インダクタおよびコンデンサなどの受動素子からなるＬ型回路が複数段縦続接続されたラダー型回路により構成されてもよい。

【0064】

図１２は、Ｌ型回路で構成されたラダー型の伝送線路１０が適用されたサーキュレータのアイソレーション特性を示す図である。図１２には、Ｌ型回路が９段縦続接続されたときおよび３０段縦続接続されたときの送信端子５１と受信端子５３との間のアイソレーションが示される。例えば、Ｌ型回路が９段縦続接続された場合、インダクタのインダクタンス値を４．６３ｎＨ、コンデンサのキャパシタンス値を０．９３ｐＦとすることができる。また、例えば、Ｌ型回路が３０段縦続接続された場合、インダクタのインダクタンス値を１．３９ｎＨ、コンデンサのキャパシタンス値を０．２８ｐＦとすることができる。Ｌ型回路が９段縦続接続されたときには、送信電力が３０ｄＢｍのときに２６ｄＢのアイソレーションが得られており、Ｌ型回路が３０段縦続接続されたときには、送信電力が３０ｄＢｍのときには遅延時間の周波数特性が平坦となるため３３ｄＢと９段縦続接続の場合より優れたアイソレーションが得られていることがわかる。しかし、Ｌ型回路の段数を増やすと回路のサイズが大型化してしまう。

【0065】

しかし、本発明によれば、伝送線路１０の特性インピーダンスを任意の値とすることができるため、伝送線路１０の特性インピーダンスは、第１回路２０のインピーダンスおよび第２回路３０のインピーダンスよりも小さくてもよい。伝送線路１０がインダクタおよびコンデンサなどを用いた集中定数素子で構成される場合、伝送線路１０の特性インピーダンス（等価特性インピーダンス）を小さな値にすることで、伝送線路１０を構成するインダクタのサイズを小さくすることができ、その結果、伝送線路１０を小型化できる。

【0066】

図１３は、遅延時間の周波数特性が平坦なことで知られているπ－Ｌａｔｔｉｃｅ型回路で構成されたラダー型の伝送線路１０の一例を示す構成図である。図１３に示されるように、伝送線路１０は、インダクタおよびコンデンサなどの受動素子からなるπ－Ｌａｔｔｉｃｅ型回路が複数段縦続接続されたラダー型回路により構成されてもよい。例えば、π－Ｌａｔｔｉｃｅ型回路が５段縦続接続されているとする。

【0067】

例えば、無反射とするために、終端インピーダンスＺ_Ｌ（差動インピーダンス）を１００Ω、伝送線路１０の特性インピーダンスＺ_ｍ０（差動インピーダンス）を１００Ωとする場合、以下の式３より、Ｌ＝８．３ｎＨ、Ｃ＝０．５５ｐＦとなり、Ｌ型回路が３０段縦続接続されたときと同程度の遅延時間を実現でき、Ｌ型回路に比べると小型に構成できる。

【0068】

【数3】

【0069】

ただし、この場合でも、インダクタのインダクタンス値が８．３ｎＨと大きく、インダクタのインダクタンス値が大きいとそのサイズも大きくなり、伝送線路１０が大型化してしまう。

【0070】

そこで、ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍを満たしながら、π－Ｌａｔｔｉｃｅ型回路におけるインダクタのインダクタンス値を０．５２ｎＨ、コンデンサのキャパシタンス値を８．８ｐＦとして、伝送線路１０の特性インピーダンスＺ_ｍ０（差動インピーダンス）を６．１Ωとした。このときの伝送線路１０の反射特性を図１４に示す。

【0071】

図１４は、π－Ｌａｔｔｉｃｅ型回路で構成されたラダー型の伝送線路１０のインピーダンス特性を示すスミスチャートである。

【0072】

図１４に示されるように、伝送線路１０を伝播する信号の周波数である６００ＭＨｚにおいて、Ｚ_ｉｎとＺ_Ｌとはほぼ等しく、損失となる反射がほぼ発生しないことがわかる。また、Ｚ_ｍ０＝６．１Ωは、１００Ωの１／１６であり、インダクタのインダクタンス値の大幅な低下、すなわち、インダクタのサイズの大幅な小型化が可能であることがわかる。

【0073】

伝送線路１０がマイクロストリップライン、ストリップライン、コプレーナガイドラインまたはＧＮＤ付きコプレーナガイドラインなどの誘電体に導体を形成したストリップライン系線路で構成される場合、伝送線路１０の特性インピーダンスは、第１回路２０のインピーダンスおよび第２回路３０のインピーダンスよりも大きくてもよい。伝送線路１０の特性インピーダンスを大きな値にすることで、ストリップライン系線路の線路幅を狭くすることができ、その結果、伝送線路１０を小型化できる。一例として、マイクロストリップラインの特性インピーダンスＺ_ｍ０の近似式を以下の式４に示す。なお、ｈはマイクロストリップラインを構成する誘電体の高さであり、Ｗはマイクロストリップラインを構成する導体の幅（線路幅）である。

【0074】

【数4】

【0075】

式４に示されるように、ストリップライン系線路では、特性インピーダンスを大きくすることで線路幅を小さくできるため、伝送線路１０を小型化できる。

【0076】

以上説明したように、高周波回路１は、伝送線路１０と、伝送線路１０の一端に接続され、伝送線路１０の一端と複数の第１回路２０との接続を切り替える切り替え回路１１と、伝送線路１０の他端に接続され、伝送線路１０の他端と複数の第２回路３０との接続を切り替える切り替え回路１２と、を備える。ｆ_ｍ０を切り替え回路１１および１２の切り替え周波数とし、ｆを伝送線路１０を伝播する信号の周波数とし、λ_ｍ０を上記切り替え周波数に対する波長とし、ｍを１以上の整数とし、ｎを０以上の整数とし、伝送線路１０の長さをｍλ_ｍ０／４とした場合に、ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍである。

【0077】

ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍとなるように、伝送線路１０を伝播する信号の周波数に対して切り替え回路１１および１２の切り替え周波数を設定することで、伝送線路１０の特性インピーダンスを任意の値にすることができる。すなわち、伝送線路１０の特性インピーダンスを伝送線路のサイズが小さくなるような値にすることができるため、伝送線路１０を小型化できる。ひいては、高周波回路１が適用される回路全体を小型化できる。

【0078】

例えば、伝送線路１０の一端は、切り替え回路１１によって複数の第１回路２０のうちの１つの第１回路２０と排他的に接続され、伝送線路１０の他端は、切り替え回路１２によって複数の第２回路３０のうちの１つの第２回路３０と排他的に接続されていてもよい。

【0079】

伝送線路１０の一端が複数の第１回路２０のうちの１つの第１回路２０と排他的に接続され、伝送線路１０の他端が複数の第２回路３０のうちの１つの第２回路３０と排他的に接続されることで、高周波回路１をジャイレータとして動作させることができる。

【0080】

高周波回路１は、複数の伝送線路１０と、複数の伝送線路１０のそれぞれの一端に接続され、複数の伝送線路１０のそれぞれの一端と第１回路２０との接続を切り替える切り替え回路１１と、複数の伝送線路１０のそれぞれの他端に接続され、複数の伝送線路１０のそれぞれの他端と第２回路３０との接続を切り替える切り替え回路１２と、を備える。ｆ_ｍ０を切り替え回路１１および１２の切り替え周波数とし、ｆを伝送線路１０を伝播する信号の周波数とし、λ_ｍ０を上記切り替え周波数に対する波長とし、ｍを１以上の整数とし、ｎを０以上の整数とし、伝送線路１０の長さをｍλ_ｍ０／４とした場合に、ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍである。

【0081】

ｆ／ｆ_ｍ０＝２ｎ／ｍとなるように、伝送線路１０を伝播する信号の周波数に対して切り替え回路１１および１２の切り替え周波数を設定することで、伝送線路１０の特性インピーダンスを任意の値にすることができる。すなわち、伝送線路１０の特性インピーダンスを伝送線路のサイズが小さくなるような値にすることができるため、伝送線路１０を小型化できる。ひいては、高周波回路１が適用される回路全体を小型化できる。

【0082】

例えば、第１回路２０は、切り替え回路１１によって複数の伝送線路１０のうちの１つの伝送線路１０の一端と排他的に接続され、第２回路３０は、切り替え回路１２によって複数の伝送線路１０のうちの１つの伝送線路１０の他端と排他的に接続されていてもよい。

【0083】

高周波回路１が伝送線路１０を複数備えることで、複数の異なる特性インピーダンスの伝送線路１０を利用することが可能となり、高周波回路１の対応可能な周波数範囲を広げることができる。

【0084】

例えば、切り替え回路１１および１２は、それぞれ制御信号によって導通および非導通が制御される半導体素子によって構成されていてもよい。

【0085】

切り替え回路１１および１２にＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子を利用することで、高周波回路１を高い周波数帯に適用することができる。

【0086】

例えば、切り替え回路１１および１２の切り替え周波数は、伝送線路１０を伝播する信号の周波数と異なっていてもよい。

【0087】

これによれば、高周波回路１を、スイッチを用いたミキサを利用したジャイレータに応用できる。

【0088】

例えば、第１回路２０および第２回路３０は、それぞれ第２伝送線路により構成されていてもよい。

【0089】

このように、高周波回路１を、伝送線路により構成されている回路に適用できる。

【0090】

例えば、第１回路２０および第２回路３０は、それぞれ受動素子により構成されていてもよい。

【0091】

このように、高周波回路１を、受動素子により構成されている回路に適用できる。

【0092】

例えば、第１回路２０および第２回路３０は、それぞれ受動素子で構成された遅延回路により構成されていてもよい。

【0093】

このように、高周波回路１を、遅延回路により構成されている回路に適用できる。

【0094】

例えば、伝送線路１０は、縦続接続された複数の回路によって構成されており、当該複数の回路は、それぞれ受動素子で構成されていてもよい。例えば、伝送線路１０の等価特性インピーダンスは、第１回路２０のインピーダンスおよび第２回路３０のインピーダンスよりも小さくてもよい。

【0095】

伝送線路１０がインダクタおよびコンデンサなどを用いた集中定数素子で構成される場合、伝送線路１０の特性インピーダンス（等価特性インピーダンス）を小さな値にすることで、伝送線路１０を構成するインダクタのサイズを小さくすることができ、その結果、伝送線路１０を小型化できる。

【0096】

例えば、伝送線路１０は、ストリップライン系線路によって構成されていてもよい。例えば、伝送線路１０の特性インピーダンスは、第１回路２０のインピーダンスおよび第２回路３０のインピーダンスよりも大きくてもよい。

【0097】

伝送線路１０がマイクロストリップライン、ストリップライン、コプレーナガイドラインまたはＧＮＤ付きコプレーナガイドラインなどの誘電体に導体を形成したストリップライン系線路で構成される場合、伝送線路１０の特性インピーダンスを大きな値にすることで、ストリップライン系線路の線路幅を狭くすることができ、その結果、伝送線路１０を小型化できる。

【0098】

（その他の実施の形態）
以上、本発明に係る高周波回路１について、実施の形態を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る高周波回路１を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

【産業上の利用可能性】

【0100】

本発明は、経路の切り替えを行う高周波回路として、ジャイレータ、サーキュレータ、セレクタ回路、マルチプレクサ回路、デマルチプレクサ回路、シリアルパラレル変換回路またはパラレルシリアル変換回路など高周波システムに広く利用できる。

【符号の説明】

【0101】

１ 高周波回路
１０、１０ａ、１０ｂ 伝送線路
１１、１２ 切り替え回路
２０、２０ａ、２０ｂ 第１回路
３０、３０ａ、３０ｂ 第２回路
４０、４０ａ、４０ｂ 第３回路
５１ 送信端子
５２ アンテナ端子
５３ 受信端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】