JP7322792B2 - 高周波スイッチ回路及びそれを含むフロントエンド回路 - Google Patents

Description

本開示は、高周波スイッチ回路及びそれを含むフロントエンド回路に関するものである。

近年、マイクロ波帯（６～９０ＧＨｚ帯）等の高周波の無線通信用として、アンテナと送受信用の装置との間を接続するフロントエンド回路が用いられている。このフロントエンド回路には、アンテナに接続される端子と２つの入出力端子との間を選択的に接続する高周波スイッチ回路が内蔵されている。例えば、下記特許文献１及び下記特許文献２には、アンテナと送信回路及び受信回路との間を接続する高周波スイッチ回路であって、伝送線とダイオードを含む構成が開示されている。

米国特許２００４／００３２７０６号公報 米国特許２００７／０１２０６１９号公報

上述した従来の高周波スイッチ回路においては、送信回路側から入力される高周波信号の振幅が比較的大きくなった場合には、アンテナ側に出力される高周波信号において歪が生じる傾向にあった。

そこで、本開示は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、簡易な回路構成によって出力における歪を低減させることが可能な高周波スイッチ回路及びそれを含むフロントエンド回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示の一側面に係る高周波スイッチ回路は、外部のアンテナに接続されるアンテナ端子と、高周波信号である受信信号を出力する出力端子と、高周波信号である送信信号を入力する入力端子と、第１の制御信号を入力する第１の制御端子と、第２の制御信号を入力する第２の制御端子と、第１の制御信号に応じてアンテナ端子と入力端子との間の接続を導通あるいは遮断する第１のスイッチと、第２の制御信号に応じてアンテナ端子と出力端子との間の接続を導通あるいは遮断する第２のスイッチと、を備え、第１のスイッチは、アンテナ端子と入力端子とを接続する伝送線と、アノードが伝送線と入力端子との間の第１のノードに接続され、カソードが第２のノードに接続されたダイオードと、第２のノードと第１の電源電圧に接続された容量素子と、を有し、第１の制御端子は、直列に接続された第１の抵抗素子と第１のインダクタ素子とを介して第１のノードに接続され、第１のスイッチは、第２の電源電圧と第１の制御端子に接続され、第１の制御信号に応じて第２のノードから容量素子を充放電する充放電回路をさらに含む。

本開示によれば、簡易な回路構成によって出力における歪を低減させることができる。

実施形態に係るフロントエンド回路１の概略構成を示すブロック図である。 図１の高周波スイッチ回路７の構成を示すブロック図である。 図１の高周波スイッチ回路７の詳細構成を示す回路図である。 図２の電流切替回路３５の詳細構成を示す回路図である。 図２の引き込み電流生成回路３５の出力特性を示すグラフである。 図１の高周波スイッチ回路７における各部位の電圧変化及び電流変化を示すグラフである。 図１の高周波スイッチ回路７における各部位の電圧変化及び電流変化を示すグラフである。 図１の高周波スイッチ回路７における各部位の電圧変化を示すグラフである。 図２のダイオード２９_１のカソード電位、アノード電位、及び順方向電流の変化を示すグラフである。 比較例にかかる高周波スイッチ回路９０７の構成を示す回路図である。 スイッチ回路部１７，９１７を構成するダイオード２９_１の直流特性を示すグラフである。 スイッチ回路部９１７が導通動作時に比較的低振幅の送信信号が入力された場合の高周波スイッチ回路９０７のダイオード２９_１における電位の時間変化を示すグラフである。 スイッチ回路部９１７が導通動作時に比較的高振幅の送信信号が入力された場合の高周波スイッチ回路９０７のダイオード２９_１における電位の時間変化を示すグラフである。 スイッチ回路部９１７が導通動作時に比較的高振幅の送信信号が入力された場合の高周波スイッチ回路９０７のダイオード２９_１における電位の時間変化を示すグラフである。 高周波スイッチ回路９０７における入力された送信信号の信号電力とノードＮ１の電圧振幅との関係を示すグラフである。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、実施形態に係るフロントエンド回路１の構成を示すブロック図である。フロントエンド回路１は、マイクロ波帯（６～９０ＧＨｚ帯）の無線通信に用いられ、アンテナ素子と高周波通信用の送受信装置との間に接続されて使用される。このフロントエンド回路１は、送信信号用増幅器３と受信信号用増幅器５と高周波スイッチ回路７とを備えている。送信信号用増幅器３は、入力端子Ｐ_ＩＮに接続され、外部から変調された基本波成分（例えば、３０ＧＨｚの周波数成分）を有する送信信号を受け、その送信信号を増幅し、増幅した送信信号を高周波スイッチ回路７に入力する。高周波スイッチ回路７は、送信信号用増幅器３から出力された送信信号を外部のアンテナ素子９に伝達する機能と、アンテナ素子９から入力された受信信号を受信信号用増幅器５に伝達する機能と、を排他的に切り替える単極双投スイッチ（ＳＰＤＴ：Single-Pole Double-Throw）である。受信信号用増幅器５は、出力端子Ｐ_ＯＵＴに接続され、高周波スイッチ回路７から伝達された受信信号を増幅し、増幅した受信信号を外部に出力する。さらに、フロントエンド回路１は、回路内部に電源電圧Ｖｃｃを供給する電源ポート１１、高周波スイッチ回路７における切り替えを制御するための２つの制御信号Ｖｃ１，Ｖｃ２をそれぞれ受ける制御ポート１３，１５を備える。

次に、図２～図４を参照して、高周波スイッチ回路７の構成を説明する。

図２は、図１の高周波スイッチ回路７の構成を示すブロック図である。高周波スイッチ回路７は、外部のアンテナ素子９に接続されるアンテナポート（アンテナ端子）ＰＡと、送信信号用増幅器３に接続されて送信信号を入力するための入力ポート（入力端子）Ｐ１と、受信信号用増幅器５に接続されて受信信号を出力するための出力ポート（出力端子）Ｐ２と、制御信号（第１の制御信号）Ｖｃ１を入力する制御ポート（第１の制御端子）Ｐ３と、制御信号（第２の制御信号）Ｖｃ２を入力する制御ポート（第２の制御端子）Ｐ４と、制御信号Ｖｃ１に応じてアンテナポートＰＡと入力ポートＰ１との間の高周波信号領域における接続を導通あるいは遮断するスイッチ回路部（第１のスイッチ）１７と、制御信号Ｖｃ２に応じてアンテナポートＰＡと出力ポートＰ２との間の高周波信号領域における接続を導通あるいは遮断するスイッチ回路部（第２のスイッチ）１９とを含んでいる。

この高周波スイッチ回路７は、２つの制御信号Ｖｃ１，Ｖｃ２として、互いに相補的な電圧に設定された電圧信号を受けることによって、スイッチ回路部１７，１９が排他的に導通／遮断するような機能を有する。ここでいう「相補的な電圧に設定」とは、一方の電圧が比較的低い電圧に設定された場合には他方の電圧が比較的高い電圧に設定され、一方の電圧が比較的高い電圧に設定された場合には他方の電圧が比較的低い電圧に設定されることを意味する。

スイッチ回路部１９は、出力ポートＰ２とアンテナポートＰＡとの間に直列に接続された容量素子２１_２、伝送線２３_２、及び容量素子２５_２と、一端が制御ポートＰ４に接続され、他端が容量素子２１_２と伝送線２３_２との間の接続点（ノード）Ｎ２に接続されたインダクタ素子２７_２と、アノードが接続点Ｎ２に接続され、カソードが接地電位（第１の電源電圧）に接続されたダイオード２９_２と、により構成される。伝送線２３_２は、受信信号の波長λに対応して１／４λの伝送路長を有する。このスイッチ回路部１９は、制御信号Ｖｃ２として比較的高い電圧（例えば、１．２Ｖ）が設定された場合には、ダイオード２９_２をオンさせる。そして、ダイオード２９_２は低インピーダンス状態になり、接続点Ｎ２を接地電位もしくは接地電位に近い電位に固定し、その結果スイッチ回路１９は出力ポートＰ２とアンテナポートＰＡとの間を遮断する。一方、制御信号Ｖｃ２として比較的低い電圧（例えば、０．０Ｖ）が設定された場合に、スイッチ回路部１９の動作として、ダイオード２９_２は逆バイアスが印可されてオフ状態になる。そして、ダイオード２９_２はハイインピーダンス状態になり、接続点Ｎ２の電位はアンテナポートからの電位の変動に応じて応答するようになり、その結果出力ポートＰ２とアンテナポートＰＡとの間を導通させる。

スイッチ回路部１７は、入力ポートＰ１とアンテナポートＰＡとの間に直列に接続された容量素子２１_１、伝送線２３_１、及び容量素子２５_１と、伝送線２３_１と容量素子２１_１との間の接続点（ノード）Ｎ１と制御ポートＰ３との間に直列に接続された抵抗素子３１ａとインダクタ素子３１ｂと、アノードが接続点Ｎ１に接続され、カソードが接続点Ｎ０に接続されたダイオード２９_１と、接続点Ｎ０と接地電位（第１の電源電圧）の間に接続された容量素子３３ａと、電源電圧（第２の電源電圧）Ｖｃｃと制御信号Ｖｃ１が供給され、入出力端子Ａ１が接続点Ｎ０に接続され、制御信号Ｖｃ１の値に応じて、接続点Ｎ０から容量素子３３ａを充電、あるいは接続点Ｎ０から容量素子３３ａを放電する充放電回路４０と、により構成される。伝送線２３_１は、送信信号の波長λに対応して１／４λの伝送路長を有する線路である。

制御信号Ｖｃ１として比較的高い電圧である第１の電圧Ｖ_１が与えられた場合にはそれに応じて比較的高い電圧と電流がノードＮ１に供給され、制御信号Ｖｃ１として比較的低い電圧である第２の電圧Ｖ_２（Ｖ_２＜Ｖ_１）が与えられた場合にはそれに応じて比較的低い電圧がノードＮ１に供給される。例えば、抵抗素子３１ａは抵抗値２０～２００Ωに設定され、インダクタ素子３１ｂは０．５～５ｎＨに設定される。

制御信号Ｖｃ１として第１の電圧Ｖ_１が与えられた場合、スイッチ回路部１７の動作として、ダイオード２９_１は順バイアスが印加されオン状態になる。そして、ダイオード２９_１は低インピーダンス状態になり、接続点Ｎ１を接地電位もしくは接地電位に近い電位に固定し、その結果スイッチ回路１７は入力ポートＰ１とアンテナポートＰＡとの間を遮断する。この時、充放電回路４０は、ダイオード２９_１を順バイアス状態に保つために、容量素子３３ａの放電を行い、接続点Ｎ０の電位を接続点Ｎ１の電位より低く保つように働く。

オンしたダイオードダイオード２９_１は容量素子３３ａに対し、充電する働きも持ち合わせる。しかし、容量素子３３ａが充電されることは、接続点Ｎ１の電位を持ち上げ、ダイオード２９_１に対する順バイアスの印可を弱める方向に作用するおそれがある。それを防ぐために充放電回路４０が、ダイオード２９_１の順方向電流をしっかりと引き抜くと共に、容量素子３３ａの放電を行い、接続点Ｎ０の電位が持ち上がらないように、接続点Ｎ１の電位より低く保つことが重要である。

制御信号Ｖｃ１として第２の電圧Ｖ_２が与えられた場合、スイッチ回路部１７の動作として、ダイオード２９_１は逆バイアスが印加されオフ状態になる。そして、ダイオード２９_１はハイインピーダンス状態になり、接続点Ｎ１の電位は入力ポートＰ１の電位に応じて応答するようになり、その結果スイッチ回路１７は入力ポートＰ１とアンテナポートＰＡとの間を導通させる。この時、充放電回路４０は、ダイオード２９_１を逆バイアス状態に保つために、容量素子３３ａの充電を行い、接続点Ｎ０の電位を接続点Ｎ１の電位と同等か、より高く保つように働く。

図３は、高周波スイッチ回路７の詳細構成を示す回路図である。図３では、充放電回路４０の詳細な構成が描かれている。充放電回路４０はさらに、容量電圧制御回路３３と、引き込み電流生成回路３５とから構成される。

容量電圧制御回路３３は、引き込み電流生成回路３５の出力端子に接続されるノードＳ１、及びダイオード２９_１のカソード（接続点Ｎ０）に接続されるノードＡ１を有する。容量電圧制御回路３３は、一方の端子がノードＡ１に接続され、他方の端子がノードＳ１に接続されたインダクタ素子３３ｂと、一方の端子が電源ポートＢ１に接続され、他方の端子がインダクタ素子３３ｂの他方の端子（ノードＳ１）に接続された抵抗素子３３ｃと、によって構成できる。抵抗素子３３ｃは、例えば１００～５０００Ωに設定される。インダクタ素子３３ｂは、直流電圧印加用の素子であり、例えば０．５～５ｎＨに設定される。

引き込み電流生成回路３５は、制御ポートＰ３に接続され、制御信号Ｖｃ１に応じてダイオード２９_１がオンした際に、ダイオード２９_１の順方向電流と容量素子３３ａを放電させる電流（Ｉ_３）、ならびに、電源電圧Ｖｃｃから抵抗素子３３ｃ経由で流れるバイアス電流（Ｉ_２）と、を引き込むための引き込み電流（Ｉ_Ｃ１）を発生させる。すなわち、引き込み電流生成回路３５は、制御信号Ｖｃ１として第１の電圧Ｖ_１が設定された場合には引き込み電流（Ｉ_Ｃ１）を発生させる。一方、引き込み電流生成回路３５は、制御信号Ｖｃ１として第２の電圧Ｖ_２が設定された場合には引き込み電流（Ｉ_Ｃ１）を停止させる。

容量電圧制御回路３３において、電源電圧Ｖｃｃから抵抗素子３３ｃ経由で流れるバイアス電流（Ｉ_２）は、制御信号Ｖｃ１によらず電源ポートＢ１からノードＳ１に向かって流れるが、インダクタ素子３３ｂを流れる電流は（Ｉ_３）、制御信号Ｖｃ１に応じて流れる方向が変わる。制御信号Ｖｃ１として第１の電圧Ｖ_１が与えられた場合、引き込み電流生成回路３５は引き込み電流（Ｉ_Ｃ１）を発生させ、インダクタ素子３３ｂを流れる電流は（Ｉ_３）は、ノードＡ１からノードＳ１に向かって流れ、さらにバイアス電流（Ｉ_２）と合流したものが、引き込み電流（Ｉ_Ｃ１）として引き込み電流生成回路３５に流れ込む。インダクタ素子３３ｂを流れる電流は（Ｉ_３）は、ダイオード２９_１の順方向電流と、容量素子３３ａを放電させる電流との合流した電流として働く。

一方、制御信号Ｖｃ１として第２の電圧Ｖ_２が与えられた場合、引き込み電流生成回路３５は引き込み電流（Ｉ_Ｃ１）を停止させ、バイアス電流（Ｉ_２）はそのまま、インダクタ素子３３ｂをノードＳ１からノードＡ１に向かって流れる（Ｉ_３）。インダクタ素子３３ｂを流れる電流は（Ｉ_３）は、ノードＡ１を経由して容量素子３３ａを充電し、ダイオード２９_１のカソードの電位（接続点Ｎ０の電位）を持ち上げ、ダイオード２９_１を逆バイアスさせ、オフさせる。

引き込み電流生成回路３５の構成としては、例えば、オープンドレイン出力回路の構成が採用される。例えば、引き込み電流生成回路３５は、ゲートが抵抗素子３５ａを介して制御ポートＰ３に接続され、ドレインが出力端子Ｏｕｔとされ、ソースが接地されるとともに抵抗素子３５ｂを介してゲートに接続されたＦＥＴ３５ｃを含む回路構成を有する（図４（ａ））。あるいは、引き込み電流生成回路３５は、２つのＦＥＴ３５ｄ，３５ｅと電流源３５ｆを含む回路構成であってもよい（図４（ｂ））。このＦＥＴ３５ｄにおいては、ゲートが抵抗素子３５ｇを介して制御ポートＰ３に接続されるとともに抵抗素子３５ｈを介して接地され、ドレインが出力端子Ｏｕｔとされ、ソースが電流源３５ｆに接続され、ＦＥＴ３５ｅにおいては、ゲートに電源電圧Ｖｃｃを基に抵抗素子３５ｉ，３５ｊによって分圧された電圧が印加され、ドレインに抵抗素子３５ｋを介して電源電圧Ｖｃｃが印加され、ソースが電流源３５ｆに接続されている。

制御信号Ｖｃ１として第２の電圧Ｖ_２が与えられた場合、容量素子３３ａは、ノードＡ１において設定するカソード電位を当初電源電圧Ｖｃｃに設定した後にノードＮ１のピーク電圧に追随させて設定する。つまり、容量素子３３ａは、ダイオード２９_１のカソードを交流的に接地させるための機能とダイオード２９_１のカソード電位をアノードのピーク電位に保持するための機能とを併せ持つとも言える。容量素子３３ａの容量値は、例えば０．２～１０ｐＦに設定される。

以下、本実施形態の高周波スイッチ回路７の動作を、比較例と比較しつつ説明する。

図１０は、比較例にかかる高周波スイッチ回路９０７の構成を示す。高周波スイッチ回路９０７の構成と本実施形態の構成との相違点は、入力ポートＰ１とアンテナポートＰＡとの間の接続をスイッチングするスイッチ回路部９１７が、スイッチ回路部１９と同様な構成を有し、容量素子２１_１，２５_１、伝送線２３_１、インダクタ素子２７_１、及びダイオード２９_１によって構成されている点である。この高周波スイッチ回路９０７は、例えば、制御信号Ｖｃ１＝０．０Ｖ、制御信号Ｖｃ２＝１．２Ｖに設定された場合に、アンテナポートＰＡと入力ポートＰ１との間を導通させ、アンテナポートＰＡと出力ポートＰ２との間を遮断させる。一方で、高周波スイッチ回路９０７は、例えば、制御信号Ｖｃ１＝１．２Ｖ、制御信号Ｖｃ２＝０．０Ｖに設定された場合に、アンテナポートＰＡと出力ポートＰ２との間を導通させ、アンテナポートＰＡと入力ポートＰ１との間を遮断させる。ここで、高周波スイッチ回路には、入力ポートＰ１から入力される送信信号を低損失かつ低い歪でアンテナポートＰＡに伝送する特性が求められる。また、高周波スイッチ回路は制御信号Ｖｃ１，Ｖｃ２によりスイッチングが制御されるが、この制御信号は正電圧であることが望ましい。また、電源電圧の範囲内（例えば、０Ｖ～４．０Ｖの範囲内）であると、回路構成を簡素化できるためさらに望ましい。

図１１には、スイッチ回路部１７，９１７を構成するダイオード２９_１の直流特性として順方向電圧Ｖｆと順方向電流Ｉｆとの関係を示している。このように、Ｖｆ＝１．２Ｖ付近でオンし、およそ９ｍＡの順方向電流Ｉｆが生じる。このとき、ダイオード２９_１のアノード－カソード間インピーダンスは直流成分で例えば５Ω程度に低下し、そのアノード－カソード間の容量値は例えば３ｐＦ程度に大きくなるため、ダイオード２９_１は高周波領域（例えば、３０ＧＨｚ）の信号に対して低インピーダンスとなる。これに対して、Ｖｆが０Ｖ以下の電圧では、順方向電流Ｉｆはほぼ０ｍＡであり、ダイオード２９_１のアノード－カソード間は高インピーダンス（オープン）となる。このようなダイオード２９_１の特性により、スイッチ回路部９１７においては、ダイオード２９_１に順方向に１．２Ｖを印加することにより、ダイオード２９_１のアノード－カソード間がショートして、入力ポートＰ１から入力された送信信号が遮断される。また、スイッチ回路部９１７においては、ダイオード２９_１に順方向に０Ｖ以下の電圧を印加することにより、ダイオード２９_１のアノード－カソード間がオープンとなり、入力ポートＰ１から入力された送信信号が導通される。

図１２は、スイッチ回路部９１７が導通動作時（Ｖｃ１＝０．０Ｖ）に比較的低振幅（例えば、２．０Ｖｐｐ）の送信信号が入力された場合の高周波スイッチ回路９０７のダイオード２９_１における電位の時間変化を示す。図１２（ａ）はダイオード２９_１の電位の時間変化を示し、図１２（ｂ）はダイオード２９_１の直流特性を示し、図１２（ｃ）はダイオード２９_１の順方向電圧Ｖｆの時間変化を示している。Ｎ_ａｎｏはダイオード２９_１のアノード電位、Ｎ_ｃａｔｈはダイオード２９_１のカソード電位を示す。図１２（ａ）に示すように、アノード電位Ｎ_ａｎｏの平均値は０．０Ｖであり、２．０Ｖｐｐの振幅の電圧が入力された場合のアノード電位Ｎ_ａｎｏのピーク電圧は１．０Ｖである。この場合、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）に示すように、ダイオード２９_１がオンするときの順方向電圧１．２Ｖに対してダイオード２９_１の順方向電圧Ｖｆが常に低いため、ダイオード２９_１は常にオープン特性を保持している。その結果、アンテナポートＰＡに伝送される送信信号において歪を発生させることはない。

また、図１３は、スイッチ回路部９１７が導通動作時（Ｖｃ１＝０．０Ｖ）に比較的高振幅（例えば、２．４Ｖｐｐを超える振幅）の送信信号が入力された場合の高周波スイッチ回路９０７のダイオード２９_１における電位の時間変化を示す。図１３（ａ）はダイオード２９_１の電位の時間変化を示し、図１３（ｂ）はダイオード２９_１の直流特性を示し、図１３（ｃ）はダイオード２９_１の順方向電圧Ｖｆの時間変化を示している。図１３（ａ）に示すように、アノード電位Ｎ_ａｎｏの平均値は０．０Ｖであり、２．４Ｖｐｐ以上の振幅の電圧が入力された場合のアノード電位Ｎ_ａｎｏのピーク電圧は１．２Ｖに達する。この場合、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）に示すように、ダイオード２９_１に順方向電流Ｉｆが流れることによりダイオード２９_１のインピーダンスが低下し、ダイオード２９_１のアノードのピーク電圧が低下する。その結果、アンテナポートＰＡに伝送される送信信号において歪が発生する。

上述したような高周波スイッチ回路９０７における歪の発生を回避する方式としては、制御信号Ｖｃ１に負電圧を設定する方式が考えられる。図１４は、スイッチ回路部９１７が導通動作時（Ｖｃ１＝－２．０Ｖ）に比較的高振幅の送信信号が入力された場合の高周波スイッチ回路９０７のダイオード２９_１における電位の時間変化を示す。図１４（ａ）はダイオード２９_１の電位の時間変化を示し、図１４（ｂ）はダイオード２９_１の直流特性を示し、図１４（ｃ）はダイオード２９_１の順方向電圧Ｖｆの時間変化を示している。この場合、（２．０Ｖ＋１．２Ｖ）×２＝６．４Ｖｐｐ程度までの振幅を有する送信信号が入力された場合にダイオード２９_１がオンすることを回避できる。その結果、６．４Ｖｐｐまでの振幅の送信信号に対しては歪を発生させることなく導通させることができる高周波スイッチ回路が実現できる。しかしながら、この方式では、負電圧の制御信号Ｖｃ１を発生させるために、制御回路に負電源回路を加える必要があり、制御回路の回路規模が大きくなる。制御回路の回路規模が大きくなることを防ぐためには、制御信号Ｖｃ１を０以上、かつ、電源電圧Ｖｃｃ以下の電圧に設定して制御できることが望ましい。また、上記方式では、歪を防止することができる送信信号の振幅の大きさが、ダイオード２９_１がどの程度の負電圧まで耐えられるかに依存することになってしまう。

図１５には、高周波スイッチ回路９０７における入力された送信信号の信号電力とノードＮ１の電圧振幅との関係を示している。ノードＮ１は高周波領域（例えば、３０ＧＨｚ）においては５０Ωのインピーダンスを有し、信号電力と電圧信号とは、信号電力の増加に対して電圧振幅が増加する関係を持つ。例えば、２６ｄＢｍの信号電力の送信信号が入力された場合、ノードＮ１の電圧振幅は１３Ｖｐｐとなる。この場合に、上記方式を用いて歪なく伝送するためには、制御信号Ｖｃ１に、－１×（１３．０／２－１．２）＝－５．３Ｖ以下の深い負電圧が必要とされてしまう。この場合、電源電圧Ｖｃｃの範囲（０～４．０Ｖ）内で印加できる最も深い負電圧（－４．０Ｖ）を超えてしまい、回路規模の増大を招く傾向にある。

これに対して、図３に示すように、本実施形態の高周波スイッチ回路７においてはスイッチ回路部１７が、容量電圧制御回路３３、及び引き込み電流生成回路３５を含んでいる。図５は、引き込み電流生成回路３５における制御信号Ｖｃ１の電圧値Ｖ_ｃ１に対する引き込み電流の電流値Ｉ_ｃ１との関係を示している。このように、引き込み電流生成回路３５は、閾値電圧Ｖｔｈを超える第１の電圧値Ｖｃ１Ｈの制御信号Ｖｃ１を受けた場合に電流値Ｉ_ｃ１Ｈの引き込み電流を生成する。この閾値電圧Ｖｔｈは、例えば、０．１～３Ｖに設定され、これに対して第１の電圧値Ｖｃ１Ｈは１．０～５．０Ｖに設定される。また、引き込み電流生成回路３５は、閾値電圧Ｖｔｈ以下の第２の電圧値Ｖｃ１Ｌの制御信号Ｖｃ１を受けた場合に引き込み電流を停止する。この第２の電圧Ｖｃ１Ｈは０．０～０．５Ｖに設定される。引き込み電流生成回路３５が生成する引き込み電流の電流値Ｉ_ｃ１Ｈは、例えば２ｍＡ～２０ｍＡに設定される。

本実施形態の高周波スイッチ回路７においては、制御信号Ｖｃ１が例えば２．０Ｖに設定された場合に、高周波スイッチ回路７は、入力ポートＰ１とアンテナポートＰＡとの間を遮断する。この時、引き込み電流生成回路３５により引き込み電流Ｉ_ｃ１が生成され、容量電圧制御回路３３及び引き込み電流生成回路３５の働きにより、順方向電流Ｉ_ｆ、インダクタ素子３３ｂを流れる電流Ｉ_３及び抵抗素子３３ｃを流れる電流Ｉ_２が設定される。電流Ｉ_２，Ｉ_３は引き込み電流Ｉ_ｃ１から分流した電流である。この電流Ｉ_３が順方向電流Ｉ_ｆとなり、その結果ダイオード２９_１がオンする。

図６は、この時の高周波スイッチ回路７における各部位の電圧変化及び電流変化を示す。図６（ａ）は各部位の電圧変化を示し、図６（ｂ）は各部位の電流変化を示す。ここでは、抵抗素子３３ｃの抵抗値を１ｋΩ、抵抗素子３１ａの抵抗値を２３Ω、ダイオード２９_１のオン電圧を１．２Ｖと設定した。この場合、引き込み電流Ｉ_ｃ１は１０ｍＡに設定され、電流Ｉ_２＝１．４ｍＡ、電流Ｉ_３＝８．６ｍＡに設定され、順方向電圧Ｖｆ＝１．２Ｖとなる。また、入力ポートＰ１から入力される高周波信号（例えば、３０ＧＨｚの周波数帯の信号）はダイオード２９_１及び容量素子３３ａを介してほぼ接地電位に固定されるため、順方向電流Ｉ_ｆは変調された電流となる。ただし、直流バイアスとして、アノードとカソード間に準バイアスが印可される限りにおいては、ダイオード２９_１は十分に低いインピーダンスに設定されるため、ノードＮ１に印加される電位Ｎ_ａｎｏにおいて電圧振幅は小さくされる。その結果、入力ポートＰ１からアンテナポートＰＡに漏洩する高周波信号は抑制される。

図６（ｂ）に示されるように、ダイオード２９_１の順方向電流Ｉ_ｆに対し、引き込み電流Ｉ_ｃ１、ならびインダクタを流れる電流Ｉ_３を、同等程度の大きさの値としているため、オンしたダイオード２９_１の順方向電流Ｉ_ｆを、引き込み電流生成回路３５がしっかりと引き込むことが可能となっている。その結果、図６（ａ）に示されているように、容量素子３３ａへの充電による電位つまりダイオード２９_１のカソード電位Ｎ_ｃａｔｈの電位上昇が抑えられ、ダイオード２９_１の順方向バイアスであるカソード電位Ｎ_ｃａｔｈとアノード電位Ｎ_ａｎｏとの間の電位差において、ダイオード２９_１をオンさせるために必要な１．２Ｖが得られている。

また、高周波スイッチ回路７においては、制御信号Ｖｃ１が例えば０．０Ｖに設定された場合には、高周波スイッチ回路７は、入力ポートＰ１とアンテナポートＰＡとの間を導通させる。この時、引き込み電流生成回路３５により引き込み電流Ｉ_ｃ１が停止される。このとき、ノードＮ１の電位Ｎ_ａｎｏはほぼ０Ｖとなる一方で、充放電回路４０の働きにより容量素子３３ａが充電され、ノードＮ０の電位Ｎ_ｃａｔｈは電源電圧Ｖｃｃとほぼ等しくなる。その結果、ダイオード２９_１のバイアス電圧Ｖｆとして深い負電圧（逆バイアス）が印加されてダイオード２９_１がオフする。

図７には、このときの高周波スイッチ回路７における各部位の電圧変化及び電流変化を示す。図７（ａ）は各部位の電圧変化を示し、図７（ｂ）は各部位の電流変化を示す。この場合、引き込み電流Ｉ_ｃ１は０ｍＡに設定され、電位Ｎ_ｃａｔｈ＝電源電圧Ｖｃｃとなる。また、ノードＮ１の電位Ｎ_ａｎｏには直流成分として０Ｖが設定されるが、ノードＮ１には高周波信号が印加されるため、電位Ｎ_ａｎｏにそれに応じた高周波成分が重畳される（例えば、ピーク電圧４．０Ｖを有する高周波成分）。また、ダイオード２９_１の電流Ｉ_ｆにおいては、０ｍＡの直流成分に、高周波信号の付加に伴うダイオード２９_１の持つ容量成分を透過する僅かな高周波成分が付加される。このようにして、ダイオード２９_１の順方向電圧Ｖｆに負電圧が設定されるのでダイオード２９_１のオフ状態は維持され、入力ポートＰ１からアンテナポートＰＡに向けて高周波信号が伝送される。

また、高周波スイッチ回路７において、制御信号Ｖｃ１が例えば０．０Ｖに設定された場合に、かつ、電圧振幅の大きい送信信号が入力された場合には、容量電圧制御回路３３は次のように動作する。すなわち、容量電圧制御回路３３は、例えば、１３Ｖｐｐ程度の電圧振幅の大きい送信信号が入力された場合、送信信号のピーク時に、ダイオード２９_１を流れる順方向電流Ｉ_ｆを基に容量素子３３ａを充電させてノードＡ１の電位を電源電圧Ｖｃｃよりも上昇させる。このとき、高抵抗の抵抗素子３３ｃの存在により、ノードＡ１の高電位の状態が送信信号の次のピーク時まで維持される。つまり、ダイオード２９_１、容量素子３３ａ、及び抵抗素子３３ｃは、包絡線検出回路として動作し、電位Ｎ_ｃａｔｈをノードＮ１のピーク電圧に追随させる機能を有する。これにより、ダイオード２９_１の順方向電圧Ｖｆの直流成分は十分に深い負電圧（例えば、－５．５Ｖ）に設定され。アンテナポートＰＡに伝送される送信信号における歪が抑制される。

図８には、このときの高周波スイッチ回路７における各部位の電圧変化を示す。図８（ａ）は、ダイオード２９_１のカソード電位及びアノード電位の変化を示し、図８（ｂ）はダイオード２９_１の順方向電流の変化を示す。ここでは、制御信号Ｖｃ１が０．０Ｖに設定され、かつ、送信信号の電圧振幅が８．０Ｖｐｐから１３．０Ｖｐｐに上昇した場合を示している。

図８に示すように、電圧振幅の上昇に応じて、ダイオード２９_１のアノード電位Ｎ_ａｎｏのピーク電位が電源電圧Ｖｃｃ（＝４．０Ｖ）を超えて６Ｖ付近に達する。これに対して、ダイオード２９_１のカソード電位Ｎ_ｃａｔｈが電源電圧Ｖｃｃ付近に設定されているため、順方向電圧Ｖｆが１．２Ｖを超えてダイオード２９_１がオンする。これにより、容量素子３３ａが順方向電流Ｉ_ｆを基に充電されて、カソード電位Ｎ_ｃａｔｈが電源電圧Ｖｃｃを超えて上昇する。カソード電位Ｎ_ｃａｔｈが電源電圧Ｖｃｃを超えて上昇すると、電流Ｉ_２が流れて容量素子３３ａを放電させることになるが、抵抗素子３３ｃの抵抗値Ｒ１が大きい値（例えば、１ｋΩ）に設定されているので、順方向電流Ｉ_ｆがある程度大きい状態ではカソード電位Ｎ_ｃａｔｈは高電圧のまま維持される。上記電流Ｉ_２は、下記式；
Ｉ_２＝－（Ｎ_ｃａｔｈ－Ｖ_ｃｃ）／Ｒ１
によって計算される値となる。つまり、ノードＮ１のピーク電圧時の容量素子３３ａへの給電量と電流Ｉ_２による放電量とが釣り合った電位（例えば、４．８Ｖ）でカソード電位Ｎ_ｃａｔｈが安定する。

このときの容量素子３３ａによる電圧保持の動作について、図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照して詳細に説明する。アノード電位Ｎ_ａｎｏが送信信号の振幅の増加により電源電圧Ｖｃｃ＝４．０Ｖを超えてさらに５．２Ｖを超えた場合、ダイオード２９_１の順方向電圧Ｖｆが１．２Ｖを超えるために順方向電流Ｉ_ｆが発生する。この順方向電流Ｉ_ｆが、容量素子３３ａを充電し、カソード電位Ｎ_ｃａｔｈを上昇させる。カソード電位Ｎ_ｃａｔｈが上昇すると、電流Ｉ_２が生じて容量素子３３ａが放電し、送信信号の次のピーク電圧が発生するまでにカソード電位Ｎ_ｃａｔｈが若干低下する。その後、次のピーク電圧の発生により再度容量素子３３ａが充電されてカソード電位Ｎ_ｃａｔｈが再上昇する。このような動作の繰り返しにより、カソード電位Ｎ_ｃａｔｈは高い電位で安定する。詳細には、上述した式に示したように電流Ｉ_２の大きさはカソード電位Ｎ_ｃａｔｈに比例するため、順方向電流Ｉ_ｆによる充電電流と電流Ｉ_２による放電電流とで時間的に均等化された状態でカソード電位Ｎ_ｃａｔｈが安定する。このような一連の動作により、カソード電位Ｎ_ｃａｔｈが電源電圧Ｖｃｃを超えて上昇する結果、ダイオード２９_１に印加される逆方向電圧の直流成分が上昇する。その結果、大振幅の送信信号に対して、ダイオード２９_１の順方向電圧クリップによる波形歪が低減される。

図９（ａ）に示したように、カソード電位Ｎ_ｃａｔｈの充電電位は、電源電圧Ｖｃｃで決まるため、上記で述べた順方向電圧クリップによる波形歪をさらに低減するためには、電源電圧Ｖｃｃの値を予想される送信信号の振幅の最大ピーク値より大きくすることで解決できる。

以上説明した本実施形態に係る高周波スイッチ回路７によれば、スイッチ回路部１７の動作により制御信号Ｖｃ１に応じてアンテナポートＰＡと入力ポートＰ１との間が導通あるいは遮断され、スイッチ回路部１９の動作により制御信号Ｖｃ２に応じてアンテナポートＰＡと出力ポートＰ２とが導通あるいは遮断される。このとき、スイッチ回路部１７においては、容量電圧制御回路３３及び引き込み電流生成回路３５によって、制御信号Ｖｃ１に応じてダイオード２９_１の順方向電流がオン／オフされることにより、アンテナポートＰＡと入力ポートＰ１との間が遮断／導通される。同時に、容量電圧制御回路３３によって、ダイオード２９_１の順方向電流がオフされた際にダイオード２９_１のカソードの電位がアノードのピーク電位に追随するように設定されるので、入力される送信信号の振幅が大きくなってもダイオード２９_１がオンすることを防止できる。その結果、簡易な回路構成により、アンテナポートＰＡに出力される送信信号における電圧歪を低減することができる。

また、引き込み電流生成回路３５は、第１の電圧に設定された制御信号Ｖｃ１に応じて引き込み電流を発生させ、第２の電圧に設定された制御信号Ｖｃ１に応じて引き込み電流を停止させている。それに加えて、容量電圧制御回路３３は、引き込み電流が発生した際に、電源ポートＢ１から供給された電源電圧Ｖｃｃを基にカソードの電位を第１の設定電位に設定してダイオード２９_１をオンさせ、引き込み電流が停止した際に、電源電圧Ｖｃｃを基にカソードの電位を第１の設定電位よりも高い第２の設定電位に設定してダイオード２９_１をオフさせている。かかる構成により、制御信号Ｖｃ１に応じたダイオード２９_１のオン／オフ制御を安定して実現できる。これにより、スイッチ回路部１７によるアンテナポートＰＡと入力ポートＰ１との間の導通あるいは遮断の制御が安定化される。

また、容量電圧制御回路３３は、一方の端子がダイオード２９_１のカソードに接続され、他方の端子が引き込み電流生成回路３５の出力端子に接続されたインダクタ素子３３ｂと、一方の端子が電源ポートＢ１に接続され、他方の端子がインダクタ素子３３ｂの他方の端子に接続された抵抗素子３３ｃと、ダイオード２９_１のカソードと接地との間に接続された容量素子３３ａと、を有している。このような簡易な回路構成により、引き込み電流の発生に応じたカソード電位の切り替えの機能と、アノード電位に追随したカソード電位の設定機能とを実現できる。その結果、簡易な構成により、アンテナポートＰＡに出力される送信信号における電圧歪を低減することができる。

以上、好適な実施の形態において本開示の原理を図示し説明してきたが、本開示は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本開示は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

１…フロントエンド回路
３…送信信号用増幅器
５…受信信号用増幅器
７…高周波スイッチ回路
２３_１…伝送線
１７…スイッチ回路部（第１のスイッチ）
１９…スイッチ回路部（第２のスイッチ）
３１ｂ，３３ｂ…インダクタ素子
２９_１…ダイオード
３３…容量電圧制御回路
３３ａ…容量素子
３１ａ，３３ｃ…抵抗素子
３５…引き込み電流生成回路
４０…充放電回路
Ｎ０…第２のノード
Ｎ１…第１のノード
Ｐ１…入力ポート（入力端子）
Ｐ２…出力ポート（出力端子）
Ｐ３，Ｐ４…制御ポート（制御端子）
ＰＡ…アンテナポート（アンテナ端子）

Claims (8)

1. 外部のアンテナに接続されるアンテナ端子と、
   高周波信号である受信信号を出力する出力端子と、
   高周波信号である送信信号を入力する入力端子と、
   第１の制御信号を入力する第１の制御端子と、
   第２の制御信号を入力する第２の制御端子と、
   前記第１の制御信号に応じて前記アンテナ端子と前記入力端子との間の接続を導通あるいは遮断する第１のスイッチと、
   前記第２の制御信号に応じて前記アンテナ端子と前記出力端子との間の接続を導通あるいは遮断する第２のスイッチと、を備え、
   前記第１のスイッチは、
   前記アンテナ端子と前記入力端子とを接続する伝送線と、
   アノードが前記伝送線と前記入力端子との間の第１のノードに接続され、カソードが第２のノードに接続されたダイオードと、
   前記第２のノードと第１の電源電圧に接続された容量素子と、
   を有し、
   前記第１の制御端子は、
   直列に接続された第１の抵抗素子と第１のインダクタ素子とを介して前記第１のノードに接続され、
   前記第１のスイッチは、
   第２の電源電圧と前記第１の制御端子に接続され、前記第１の制御信号に応じて前記第２のノードから前記容量素子を充放電する充放電回路をさらに含む、
   高周波スイッチ回路。
2. 前記第１の制御信号が第１の電圧に設定された時、
   前記充放電回路は、前記容量素子を放電し、
   前記第１のスイッチは前記アンテナ端子と前記入力端子との間の接続を遮断し、
   前記第１の制御信号が第２の電圧に設定された時、
   前記充放電回路は、前記容量素子を充電し、
   前記第１のスイッチは前記アンテナ端子と前記入力端子との間の接続を導通する、
   請求項１に記載の高周波スイッチ回路。
3. 前記充放電回路は、容量電圧制御回路と電流生成回路とを含み、
   前記容量電圧制御回路は、
   前記ダイオードのカソード及び前記第１の制御端子に接続され、
   前記第１の制御信号に応じて、前記第２のノードからの前記容量素子の充電、あるいは、前記第２のノードからの前記ダイオード電流の引き込みと前記容量素子の放電電流の引き込み、のいずれかを行い、
   前記電流生成回路は、
   前記引き込みを行う引き込み電流を生成する、
   請求項１または請求項２に記載の高周波スイッチ回路。
4. 前記容量電圧制御回路は、
   前記引き込みの際には、前記第２のノードの電位を前記第１のノードの電位より低い電位に設定し、前記ダイオードをオンさせ、
   前記容量素子の充電の際には、前記第２のノードの電位を前記第１のノードの電位より高い電位に設定し、前記ダイオードをオフさせる、
   請求項３に記載の高周波スイッチ回路。
5. 前記容量電圧制御回路は、
   一方の端子が前記ダイオードの前記カソードに接続され、他方の端子が前記電流生成回路の出力端子に接続された第２のインダクタ素子と、
   一方の端子が前記第２の電源電圧に接続され、他方の端子が前記第２のインダクタ素子の前記他方の端子に接続された第２の抵抗素子と、
   を有する、
   請求項４に記載の高周波スイッチ回路。
6. 前記電流生成回路は、オープンドレイン出力回路である、
   請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の高周波スイッチ回路。
7. 前記電流生成回路は、ゲートが前記第１の制御端子に接続され、ドレインが出力端子に接続され、ソースが接地されたトランジスタを含む、
   請求項６に記載の高周波スイッチ回路。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の高周波スイッチ回路と、
   前記入力端子に接続され、外部からの前記送信信号を増幅して前記高周波スイッチ回路に入力する送信信号用増幅器と、
   前記出力端子に接続され、前記高周波スイッチ回路からの受信信号を増幅して外部に出力する受信信号用増幅器と、
   を備えるフロントエンド回路。

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