(57)【要約】【課題】ＩＣ化可能なＳＰｎＴとして使用可能なフィルタ機能付高周波スイッチング回路【解決手段】２つの端子Ｐｏｒｔ−１及びＰｏｒｔ−２の間に、２つの容量Ｃf1及びＣf2を直列接続し、それらの接続点に誘導Ｌfの一端を接続して他端を接地し、バラクタダイオード（可変容量素子）Ｄvcfの陽極を接続し、陰極に制御電位Ｖctrlを印加する。制御電位Ｖctrlは３Ｖ又は０Ｖとする。Ｐｏｒｔ−１側にオープンスタブＯＳ、線路Ｌｎ及びバラクタダイオードＤvc1で構成したλ／４線路等価回路を実装基板上の線路で構成した。Ｐｏｒｔ−２側はＳｉ基板上に形成したバラクタダイオードＤvc2と、直列接続された誘導Ｌ2と、一端が接地された容量Ｃ2でλ／４線路等価回路を形成しても（１３．Ａ）、省略しても（１３．Ｂ）良い。【選択図】図１３
2005191649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量及び誘導により構成された所望の周波数帯域の高周波を透過するフィルタであって、
当該容量の少なくとも１個を可変容量素子で形成し、当該可変容量素子に印加する電圧により所望の帯域の高周波を透過又は遮断することを特徴とするフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項２】
所望の帯域の高周波を透過又は遮断する機能を有する構成の前段又は／及び後段に前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路であって、少なくとも１個の可変容量素子を有し、当該当該可変容量素子に印加する電圧により前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路として整合回路として作用させ、或いは当該電位によっては前記所望の高周波に対して高いインピーダンスを有する回路とすることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項３】
前記容量、前記誘導及び前記可変容量素子が全て半導体基板上に形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項４】
第１及び第２端子を結ぶスイッチング回路であって、
前記第１及び第２の端子の間に第１及び第２の容量を直列接続し、
前記第１の容量と前記第２の容量との接続点に他端が第１の電位に接続された誘導を接続し、
当該接続点に、第１の可変容量素子を接続し、当該第１の可変容量素子の他端の電位を制御することにより所望の周波数帯域の高周波を透過又は遮断することを特徴とするフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項５】
前記第１の可変容量素子は逆方向電位を印加して容量として作動させるダイオードであることを特徴とする請求項４に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項６】
前記第１の端子と前記第１の容量との間、及び、前記第２の端子と前記第２の容量との間の少なくとも一方に設けられた前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路であって、前記第１の電位に接続された第３の容量と、第２の可変容量素子とを有し、当該第２の可変容量素子に印加する電位により前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路として整合回路として作用させ、或いは当該電位によっては前記所望の高周波に対して高い入力インピーダンスを有する回路とするスイッチ付き整合回路を有することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項７】
前記第２の可変容量素子は逆方向電位を印加して容量として作動させるダイオードであることを特徴とする請求項６に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項８】
前記容量、前記誘導及び前記可変容量素子が全て半導体基板上に形成されたことを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項９】
前記第３の容量は、一端が信号線路に接続され他端が開放された第１の線路により形成され、当該第３の容量の接続点と第２の可変容量素子の接続点の間に直列接続された第２の線路を設けて、当該第１の線路、第２の可変容量素子、直列接続された線路により前記整合回路が構成され、
前記第１の線路及び前記第２の線路以外の構成要素は半導体基板上に形成されたことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項１０】
第１及び第２の端子を結ぶスイッチング回路であって、
容量と誘導とから構成された帯域濾波器の構成から一端が接地された容量のうちの少なくとも１個を、当該一端の電位を制御可能な可変容量素子に置き換え、当該可変容量素子の当該一端の電位を制御することにより前記所望の周波数帯域の高周波を透過又は遮断することを特徴とするフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項１１】
前記可変容量素子は逆方向電位を印加して容量として作動させるダイオードであることを特徴とする請求項１０に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項１２】
前記容量、前記誘導及び前記可変容量素子が全て半導体基板上に形成されたことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項１３】
前記第１の端子とフィルタ機能付き高周波スイッチング回路の構成の間には、前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路であって、直列接続された第１の線路と、一端が接続され他端が開放された第２の線路と、第２の可変容量素子を有し、当該第２の可変容量素子に印加する電位により前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路として整合回路として作用させ、或いは当該電位によっては前記所望の高周波に対して高い入力インピーダンスを有する回路とするスイッチ付き線路整合回路を有し、
前記第１の線路と、前記第２の線路以外の構成要素は半導体基板上に形成されたことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路を有することを特徴とする移動体の自動識別装置であるスマートプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は所望の高周波信号を透過又は遮断するフィルタ機能付き高周波スイッチング回路に関する。本発明は移動体の自動識別装置、例えばスマートプレート等に特に有効である。
【背景技術】
【０００２】
本発明者らは特に数GHz帯域でのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路を開発しており、次のような出願を行った。
【特許文献１】特開２００３−１２４７０６号公報
【特許文献２】特開２００３−１７９４０６号公報
【特許文献３】特開２００３−２２４４０４号公報
【０００３】
特許文献１乃至３について簡単に説明する。図２３．Ｃの回路が当該特許文献の基本回路である。
【０００４】
左右対称である図２３．Ｃの回路は２つの端子Ｐｏｒｔ１、２に線路Ａ１、Ａ２を接続し、他端を容量Ｃａ１、Ｃａ２を介して接地している。一方当該線路Ａ１、Ａ２とカップリングさせた線路Ｂ１、Ｂ２を直列接続し、その接続点に他端が接地されたインダクタンスＬ、線路Ｂ１、Ｂ２の各々の他端に他端が接地された容量Ｃｂ１、Ｃｂ２を接続したものである。
【０００５】
ＰｏｒｔｍからＰｏｒｔｎへの伝送係数をＳmnとおき、ｍ行ｎ列がＳmnである特性行列Ｓを考えると、偶励振の固有ベクトルは（１，１）／√２、奇励振の固有ベクトルは（１，−１）／√２である。偶励振の固有ベクトル（１，１）／√２に対する行列Ｓの固有値をλ1、奇励振として固有ベクトル（１，−１）／√２に対する行列Ｓの固有値をλ2とおく。まず、固有ベクトル（１，１）／√２と固有ベクトル（１，−１）／√２を縦ベクトルとして並べた行列Ｐを考える。即ち式（１）のとおりである。
【数１】
2005191649.tif 000003
【０００６】
行列Ｓが次の式（２）ように展開できることは明らかである。
【数２】
2005191649.tif 000004
【０００７】
Ｓ11＝Ｓ22＝０、｜Ｓ12｜＝｜Ｓ21｜＝１が成立する場合、即ち伝送する場合を解くと、偶励振の固有値λ1と奇励振の固有値λ2は、大きさが等しく、且つ位相が１８０度ずれている必要がある。実際の回路では損失が有るため、λ1とλ2の大きさが１になることは無い。しかし、大きさが１に近いか略一致し、位相が１８０度ずれることが実際上の伝送条件である。
【０００８】
これをインピーダンスマッチングの観点から解釈すると次のようになる。対称回路が効率よく信号を伝送するのは、その対称面で左右を見たインピーダンスがコンジュゲート・マッチ（インピーダンス整合）した場合である。検討対象としている高周波回路は左右対称であるので、この条件は図２３．Ａで、反射係数Ｓａが実数であることを意味する。即ち、ａ点から右及び左を見たインピーダンスが純抵抗を示す。図２３．ＡでもＳａを純抵抗にすることができ、この回路を利用してフィルタ特性を得ることができる。
【０００９】
しかし、より急峻なフィルタ特性を得るために、図２３．Ｂに示す様に、フィルタ回路の対称面にインダクタンス成分２Ｌ又は線路を加えた。この様に、インダクタンス成分の作用を利用して、反射係数Ｓａをスミス・チャートの横軸（実数軸）上に移動させることにより、左右対称のフィルタ回路の対称面で左右を見たインピーダンスをコンジュゲート・マッチさせることができる。即ち、この様な手段により、伝送効率の高いバンドパスフィルタを構成することができる。
【００１０】
こうして図２３．Ｃの回路の偶励振時に対応する回路である図２４．Ａと、奇励振時に対応する回路である図２４．Ｂにつきシミュレーションを行い、フィルタとしての特性を開示したものが特許文献１乃至３である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図２３．Ｃの回路９００は結合線路を利用しており、実際に作製する際、小型化が困難であった。また、本願出願人は先に特願２００３−１１２４４８として、別の構成のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路を出願したが、特許文献２と同様、分布定数線路を用いて構成しており、小型化の課題を解決できていなかった。また、特願２００３−１１２４４８においては外づけ部品（ショットキーダイオード）を必要としていた。
【００１２】
そこで本発明は、半導体基板上に形成可能なフィルタ機能付き高周波スイッチング回路を提案し、IC化、小型化、低価格化することを目的としている。更に、スイッチ機能のオフ時に高インピーダンスをつくることができるようにして、ＳＰＤＴ、ＳＰ３Ｔに適用可能なフィルタ機能付き高周波スイッチング回路を提案することを目的とする。また、実際に半導体基板、例えばシリコン基板上にIC化した場合、Si基板が高周波リークが大きい（ロスが大きい）ため、理想的なものから特性は大きく劣化することから、この特性劣化をできるだけ少なくする回路を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するため請求項１に係る発明は、容量及び誘導により構成された所望の周波数帯域の高周波を透過するフィルタであって、当該容量の少なくとも１個を可変容量素子で形成し、当該可変容量素子に印加する電圧により所望の帯域の高周波を透過又は遮断することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路において、所望の帯域の高周波を透過又は遮断する機能を有する構成の前段又は／及び後段に前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路であって、少なくとも１個の可変容量素子を有し、当該当該可変容量素子に印加する電圧により前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路として整合回路として作用させ、或いは当該電位によっては前記所望の高周波に対して高いインピーダンスを有する回路とすることを特徴とする。また、請求項３に係る発明は、容量、誘導及び可変容量素子が全て半導体基板上に形成されたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に係る発明は、第１及び第２端子を結ぶスイッチング回路であって、前記第１及び第２の端子の間に第１及び第２の容量を直列接続し、前記第１の容量と前記第２の容量との接続点に他端が第１の電位に接続された誘導を接続し、当該接続点に、第１の可変容量素子を接続し、当該第１の可変容量素子の他端の電位を制御することにより所望の周波数帯域の高周波を透過又は遮断することを特徴とする。ここで第１の電位とは例えば接地電位としても良く、正負任意である。また、請求項５に係る発明は、前記第１の可変容量素子は逆方向電位を印加して容量として作動させるダイオードであることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項６に係る発明は、前記第１の端子と前記第１の容量との間、及び、前記第２の端子と前記第２の容量との間の少なくとも一方に設けられた前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路であって、前記第１の電位に接続された第３の容量と、第２の可変容量素子とを有し、当該第２の可変容量素子に印加する電位により前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路として整合回路として作用させ、或いは当該電位によっては前記所望の高周波に対して高い入力インピーダンスを有する回路とするスイッチ付き整合回路を有することを特徴とする。また、請求項７に係る発明は、前記第２の可変容量素子は逆方向電位を印加して容量として作動させるダイオードであることを特徴とする。また、請求項８に係る発明は、容量、誘導及び可変容量素子が全て半導体基板上に形成されたことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項９に係る発明は、前記第３の容量は、一端が接続され他端が開放された第１の線路により形成され、当該第３の容量の接続点と第２の可変容量素子の接続点の間に直列接続された第２の線路を設けて、当該第１の線路、第２の可変容量素子、第２の線路により前記整合回路が構成され、第１の線路及び第２の線路以外の構成要素は半導体基板上に形成されたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１０に係る発明は、第１及び第２の端子を結ぶスイッチング回路であって、容量及び誘導から成る帯域濾波器の構成から一端が接地された容量のうちの少なくとも１個を、当該一端の電位を制御可能な可変容量素子に置き換え、当該可変容量素子の当該一端の電位を制御することにより前記所望の周波数帯域の高周波を透過又は遮断することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１１に係る発明は、前記可変容量素子は逆方向電位を印加して容量として作動させるダイオードであることを特徴とする。また、請求項１２に係る発明は、容量、誘導及び可変容量素子が全て半導体基板上に形成されたことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１３に係る発明は、前記第１の端子とフィルタ機能付き高周波スイッチング回路の構成の間には、前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路であって、直列接続された第１の線路と、一端が接続され他端が開放された第２の線路と、第２の可変容量素子を有し、当該第２の可変容量素子に印加する電位により前記所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路として整合回路として作用させ、或いは当該電位によっては前記所望の高周波に対して高い入力インピーダンスを有する回路とするスイッチ付き線路整合回路を有し、第１の線路と、第２の線路以外の構成要素は半導体基板上に形成されたことを特徴とする。更に請求項１４に係る発明は、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路を有することを特徴とする移動体の自動識別装置であるスマートプレートである。
【発明の効果】
【００２１】
いずれの請求項に係る発明も、基本的に集中定数回路素子を用いて構成できるので、容易にＩＣ化が可能である。これにより小形化、低価格化を実現することができる。例えばフレキシブル基板上にカップリングラインを用いて作製したＳＰ３Ｔ型（１端子−３端子の３分岐）のフィルタフィルタ機能付きスイッチは10mm角よりも小型化することが困難であったが、ＩＣ化により例えば2mm角以下の半導体チップ上に形成することができる。また、ショットキーダイオード等の外付きけ部品が不用となる。また、特にシリコン(Si)基板上で作製できるため、他のデバイスと一体化させることが容易であり、且つ、汎用のシリコンＩＣプロセスで作製できる。
【００２２】
請求項５、７、１１に係る発明によれば、第１の可変容量素子、第２の可変容量素子、可変容量素子は逆方向電圧を印加されたダイオードで構成しているので電流が流れず、スイッチのオン、オフ時共に、電力を消費しないスイッチが形成できる。
【００２３】
所望の高周波の４分の１波長の線路と等価な回路を追加して形成し、当該回路も可変容量素子でオン／オフすることで、反射特性が向上し、適切なオフ状態を実現可能となる。また、当該回路をシリコン基板上のみに形成しない、即ち実装基板上の線路とから構成することで、より特性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下具体的な回路図と、そのシミュレーションに基づいて本発明を説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２５】
図１は本発明の具体的な第１の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の構成を示す回路図である。フィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００は、２つの端子Ｐｏｒｔ−１及びＰｏｒｔ−２の間に、等しい２つの容量Ｃf1及びＣf2を直列接続し、当該２つの容量Ｃf1及びＣf2の接続点に誘導Ｌfの一端を接続してその他端を接地している。更に２つの容量Ｃf1及びＣf2の接続点に、バラクタダイオード（可変容量素子）Ｄvcfの陽極を接続し、陰極に制御電位Ｖcntrlを印加する。制御電位Ｖcntrlは３Ｖ又は０Ｖとする。尚、以下に説明する通り、ｐ型シリコンウエハに、ｎウエルを設けてｐ極を更にその中に形成する場合を想定し、ｐ型シリコンウエハとｎウエルの間に形成される寄生ダイオードＤwsfの存在も以下のシミュレーションで想定している。また、制御電位Ｖcntrlを印加するため、抵抗Ｒと他端が接地された制御電位用の容量Ｃcの直列接続回路も回路構成に含めた。この容量Ｃcは所望の高周波に対してショートする働きを持っている。尚、図１に示す回路素子は全て集中定数回路素子である。
【００２６】
図２３で示した特許文献２における分布定数線路で作製していたカップリングラインは、図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００では単純に容量Ｃf1及びＣf2で置き換えている。バラクターダイオード（可変容量素子）Ｄvcfは、逆バイアスにしており、制御電位Ｖcntrlが３Ｖ（high）の時（オン）、容量は小さく、０Ｖ(Low)の時（オフ）、大きくなる。ここで、０Ｖの場合でもバラクターダイオード（可変容量素子）Ｄvcfには電流は流れない。このため電力を消費ぜずに、オン／オフの切替えができる。
【００２７】
図２は、図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００を２分割し、偶励振時と奇励振時の説明として用いるものである。尚、偶励振時の説明である図２．Ａでは、誘導の大きさを２Ｌとしている。また、図２．Ａ及び図２．Ｂ共に可変容量素子は半分の容量であって、これをＤvcf／２として示した。寄生ダイオードもＤwsf／２として示した。対称２ポート回路において、偶励振時および、奇励振時の反射係数が１に近く、かつ位相が180°ずれる場合に、その周波数で高率よく伝搬できることは上述の通りである。そこで図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００も、この関係がなりたつように、回路定数を定めることができる。こうして設計した図２．Ａ、図２．Ｂについてのシミュレーション結果を図３に示す。周波数5.8GHzにおいて、偶励振時（図３で符号m1）および、奇励振時（図３で符号m2）の反射係数が１に近く、かつ位相が180°ずれていることが理解できる。
【００２８】
次に図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の特性を図４、図５、図６に示す。図４は、制御電位を3V/0Vと切り替えることで、所望の周波数5.8GHzでオン（透過、減衰量1.645dB）/オフ（遮断、減衰量約9dB）できることを示す。即ち、バラクタダイオードＤvcfと誘導Ｌfとで構成する共振回路の共振周波数を、制御電位Ｖcntrlにより変化させることで、図４のような伝送特性を得ることができる。また、図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００がバンドパスフィルタ特性を有していることも図４から理解できる。また、図５はオン時のＰｏｒｔ−１における反射係数を、図６はオフ時のＰｏｒｔ−１における反射係数を示している。図５、図６から、図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００は、ＳＰＳＴ（１入力１出力）或いはバンドパスフィルタとして使うことができる。尚、急峻なフィルタ特性が必要であれば、例えば図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００を多段にすればよい。
【００２９】
図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００は、分布定数線路を有しない、集中定数回路素子から形成されているので、ＩＣ化が容易であり、小型且つ安価に製造可能である。また、フィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００は、請求項４又は５に係る発明に対応する。
【００３０】
〔実施例１の問題点と解決方法〕
しかし、図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００を複数個、Ｐｏｒｔ−１で並列に接続して、ＳＰＤＴ（２分岐）、ＳＰ３Ｔ（３分岐）、…、ＳＰｎＴ（ｎ分岐スイッチ）として使用するには問題がある。図６のように、オフ時の反射係数S11が所望の周波数5.8GHzで、即ち、Ｐｏｒｔ−１の入力インピーダンスが高インピーダンス（オープン側、図６で右端）になっていないことが分かる。今、図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００を２個、Ｐｏｒｔ−１で並列に接続し、第１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の他端をＰｏｒｔ−２、第２のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の他端をＰｏｒｔ−３とする。第２のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００がオフ状態で且つＰｏｒｔ−１からＰｏｒｔ−３を見たインピーダンスが高インピーダンスになれば、第１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００のＰｏｒｔ−１及びＰｏｒｔ−２間は、効率よく伝送できるが、Ｐｏｒｔ−１から第２のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００を見たインピーダンスが高インピーダンスでない場合、第１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００のＰｏｒｔ−１から右を見た（Ｐｏｒｔ−２を見た）インピーダンスが変化するため、効率よく伝送できない。
【００３１】
そこで短い線路を利用するか、あるいは集中定数回路によってこの課題を解決することを考える。図７．Ａ図と７．Ｂの回路はいずれも図７．Ｃの回路と等価になるように設計できる。即ち、図７．Ｃの線路インピーダンスＺ0、線路長λ／４（λは所望の高周波の波長）の線路と等価にするには、図７．Ａの２つの容量Ｃと、インピーダンスＺa、線路長Ｌaの線路は、次の式（３−１）、（３−２）を充たすようにすれば良い。
【数３】
2005191649.tif 000005
【００３２】
また、図７．Ｃの線路インピーダンスＺ0、線路長λ／４（λは所望の高周波の波長）の線路と等価にするには、図７．Ｂの２つの容量Ｃと、誘導Ｌは、次の式（４−１）、（４−２）を充たすようにすれば良い。
【数４】
2005191649.tif 000006
【００３３】
これらは、回路の動作伝送行列（Ｆ行列）を比較することで容易に導くことができる。更に、図７．Ａ、図７．Ｂの回路において、一端をショートすると、他端は高インピーダンスになることは容易に理解できる。
【実施例２】
【００３４】
図８は、上記を踏まえて、図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の前段及び後段に図７．Ｂの回路を導入した、フィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００の構成を示す回路図である。フィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００は左右対称の構造を有する。即ち、図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の前段であるＰｏｒｔ−１側には、一端が接地された容量Ｃ1と、Ｐｏｒｔ−１と容量Ｃf1との間に直列接続された誘導Ｌ1と、誘導Ｌ1と容量Ｃf1との接続点に陽極が接続され、陰極に制御電位Ｖcntrlが印加されたバラクタダイオードＤvc1が設けられている。図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の後段であるＰｏｒｔ−２側には、陽極が接続され、陰極に制御電位Ｖcntrlが印加されたバラクタダイオードＤvc2と、容量Ｃf2とＰｏｒｔ−２との間に直列接続された誘導Ｌ2と、Ｐｏｒｔ−２に接続され、一端が接地された容量Ｃ2とが設けられている。
【００３５】
図８のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００は、図７．Ｂの回路を、図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の前段及び後段に設けた上、図７．Ｂの回路の２つの容量のうち、図１のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００と接続する側の容量をバラクタダイオードＤvc1、Ｄvc2として、バラクタダイオードＤvcfと同時に制御電位を３Ｖ（オン）／０Ｖ（オフ）とするようにしている。制御電位を０Ｖ（オフ）としたとき、バラクタダイオードＤvc1、Ｄvc2の容量が大きくなり、これらのバラクタダイオードは所望の周波数に対して低インピーダンスとなり、接地されたのと等価となる。このため、他端であるポート１，２からフィルタ側を見たインピーダンスは高インピーダンスとなる。
【００３６】
図９に、図８のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００のシミュレーション結果を示す。尚、この際、図８のＬ1、Ｌ2、Ｃ1、Ｃ2はロスおよび寄生成分のない理想的なものとしてシミュレーションを行った。図９．Ａはオン時、オフ時の入出力特性を、図９．Ｂはオン時、オフ時の反射係数を示している。図９．Ａのように、周波数5.8GHzに対してオン時の減衰量は1.833dB、オフ時は12dB程度と、スイッチとして機能していることがわかる。このように、所望の周波数で、オフ時のインピーダンスは高インピーダンスに（図９．Ｂのスミスチャートで符号ｍ３が右端に近く）なっていることが分かる。つまり、λ／４線路透過回路によって、オフ時にＰｏｒｔ−１、２が高インピーダンスにならないという問題は解決できた。
【００３７】
また、図８のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００は、分布定数線路を有しない、集中定数回路素子から形成されているので、ＩＣ化が容易であり、小型且つ安価に製造可能である。フィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００は、請求項６乃至８に係る発明に対応する。
【００３８】
〔実施例２の問題点と解決方法〕
さて、実際にSi基板にIC化する場合、5.8GHzのような高周波では、受動素子の寄生成分により、その特性は大きく劣化する。この寄生成分を考慮した場合の特性を図１０に示す。図１０．Ａのようにオン時の減衰量が4.357dBと大きくなり、図１０．Ｂのようにオフ時の反射係数（図１０．Ｂで符号ｍ３）はスミスチャートの内側に入ってくることがわかる。このように、図８のような構成では、実際にシリコン基板上に形成した場合、オフ時に入力インピーダンスを高インピーダンスを実現することは難しい。そこで、Si基板上にフィルタ機能付き高周波スイッチング回路を作製した場合の特性が改善できるよう、以下のような工夫を行う。
【実施例３】
【００３９】
図８のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００において、オフ時に入力インピーダンスを高インピーダンスとなる必要があるのは、入力から右を見たインピーダンスである。例えばＳＰＤＴ、ＳＰ３Ｔの回路を構成するため２個又は３個のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００を並列接続する場合、当該共通端子となる端子から各フィルタ機能付き高周波スイッチング回路を見たインピーダンスが高インピーダンスとなれば良い。すると、フィルタ機能付き高周波スイッチング回路は、実のところ左右対称である必要はない。この点に着目して改良したのが、図１１．Ａのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路３００である。
【００４０】
図１１．Ａのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路３００は、図８のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００の２つの容量Ｃf1とＣf2のうち、Ｃf2を小さくし（Ｃf1＞Ｃf2）、Ｃf2側に一端が接地された誘導Ｌ20を加えてλ／４線路等価回路を再構成したものである。図１１．Ａのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路３００においては、制御電位が０Ｖ（オフ時）の際には容量Ｃf1とバラクタダイオードＤVC1の接続点Ｐから見たインピーダンスが低くなる。このため、バラクタダイオードＤVC1をショートする効果が高くなり、他端（Ｐｏｒｔ−１）から右を見たインピーダンスをより高くすることができるようになる。またＰｏｒｔ−２側のλ／４線路等価回路の入力インピーダンスはバラクタダイオードＤVC2のオフ時にもはや高インピーダンスにする必要はないので、図１１．Ａの誘導Ｌ2は図８の誘導Ｌ2よりも小さい値とすることができる。これにより寄生成分によるロスを減らすことが可能となる。
【００４１】
更に、図１１．Ｂのように、Ｐｏｒｔ−２側のλ／４線路等価回路そのものを省略することも可能である。このように、フィルタ機能付き高周波スイッチング回路を２個、３個並列接続してＳＰＤＴ、ＳＰ３Ｔを構成する場合、共通端子となる端子から出力側を見たインピーダンスが高インピーダンスとなれば良いので、各個別端子側は高インピーダンスとしなくて良いからである。
【００４２】
図１２．Ａ、図１２．Ｂ、図１２．Ｃに、図１１．Ａのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路３００のシミュレーション結果を示す。図１０と比較し、オン時の減衰量が小さくなり（図１２．Ａの符号ｍ４、3.419dBに改善）、オフ時の反射係数が１に近く、入力ポートＰｏｒｔ−１から右を見たインピーダンスが高インピーダンスになっていること（図１２．Ｃの符号ｍ３）が改善された点である。
【００４３】
フィルタ機能付き高周波スイッチング回路３００、フィルタ機能付き高周波スイッチング回路３５０は、請求項６乃至８に係る発明に対応する。
【実施例４】
【００４４】
図１３．Ａは、図１１．Ａの回路の変形例である。Ｐｏｒｔ−１側のλ／４線路等価回路を実装基板上の線路を利用して構成したフィルタ機能付き高周波スイッチング回路４００である。図１３．Ｂは、図１１．Ｂの回路の変形例であり、Ｐｏｒｔ−１側のλ／４線路等価回路を実装基板上の線路を利用して構成したフィルタ機能付き高周波スイッチング回路４５０を示す。いずれも、λ／４線路等価回路をオープンスタブＯＳ、線路Ｌｎ及びバラクタダイオードＤvc1で構成している。図１３．Ａ及び図１３．Ｂにおいては、伝送路である線路Ｌｎ’も記載した。図１３．Ａ、図１３．Ｂにおいては、点線の右側がシリコン基板上に形成でき、ＩＣ化が容易となる。同じく点線の左側は、チップを実装する例えばプリント基板等で形成する。
【００４５】
図１３．Ａのシミュレーション結果を図１４、図１５．Ａ及び図１５．Ｂに示す。図１４のようにオン時の減衰量が3.05dBとなり、図１５．Ｂのようにオフ時の反射特性が改善できる。これは、Si基板上でλ／４線路等価回路を形成するより、実装基板上で形成したほうが、低ロスであるからである。一方、LNAやPAのような回路が接続されるＰｏｒｔ−２側では、ワンチップ化可能なようにSi基板上でλ／４線路等価回路を形成してマッチングを行うことが良い。
【００４６】
図１３．Ａのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路４００を３個、Ｐｏｒｔ−１側で並列接続してＳＰ３Ｔを形成した場合のシミュレーション結果を図１６に示す。Ｐｏｒｔ−１とＰｏｒｔ−２間をオンとし、Ｐｏｒｔ−１とＰｏｒｔ−３、４間をオフとした。Ｐｏｒｔ−１と２の間での減衰量は4.312dBと小さく、Ｐｏｒｔ−１と３の間での減衰量は16.864dBと大きく、Ｐｏｒｔ−２と３の間での減衰量は20.206dBと大きくできる。このように、図１３．Ａのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路４００は、複数個、Ｐｏｒｔ−１側で並列接続してＳＰｎＴを形成することに適した回路である。尚、図１３．Ｂのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路４５０も同様の特性を示し、ＳＰｎＴを形成することに適した回路である。
【００４７】
フィルタ機能付き高周波スイッチング回路４００、４５０は請求項９に係る発明に対応する。
【実施例５】
【００４８】
次に、バンドパスフィルタを基にしてフィルタ機能付き高周波スイッチング回路を形成することを考える。図１７．Ａは、通常のバンドパスフィルタ９５０を示している。バンドパスフィルタ９５０は、２つの端子Ｐｏｒｔ−１とＰｏｒｔ−２の間に直列接続された容量Ｃs1、誘導Ｌs、容量Ｃs2と、端子Ｐｏｒｔ−１と容量Ｃs1との接続点に接続され、他端が接地された誘導Ｌp1及び容量Ｃp1、容量Ｃs1と誘導Ｌsとの接続点に接続され、他端が接地された容量Ｃp2、誘導Ｌsと容量Ｃs2との接続点に接続され、他端が接地された容量Ｃp3、容量Ｃs2と端子Ｐｏｒｔ−２との接続点に接続され、他端が接地された誘導Ｌp2及び容量Ｃp4から構成されている。バンドパスフィルタ９５０は、例えばバタワースフィルタ型の設計ののち、ノートン変換により中央の誘導を小さくするように変形したものに相当する。
【００４９】
図１７．Ａのようなバンドパスフィルタ９５０の、一端が接地された４つの容量Ｃp1、Ｃp2、Ｃp3、Ｃp4を、逆バイアスに制御電位を印加されたバラクタダイオードＤvc1、Ｄvc2、Ｄvc3、Ｄvc4に変更すると、図１７．Ｂのようなフィルタ機能付き高周波スイッチング回路５００が構成できる。図１７．Ｂのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路５００は、バラクタダイオードＤvc1、Ｄvc2、Ｄvc3、Ｄvc4の陰極の制御電位を３Ｖ（オン）とすることで、所望の帯域を透過するバンドパスフィルタとなり、制御電位を０Ｖ（オフ）とすることで、所望の帯域を遮断することができる。
【００５０】
フィルタ機能付き高周波スイッチング回路５００は請求項１０乃至請求項１２に係る発明に対応する。
【００５１】
これをシミュレーションした結果を図１８、図１９に示す。図１８は、図１７．Ａのバンドパスフィルタ９５０の周波数特性である。この際、浮遊容量を考慮せず、理想的な集中回路定数素子としてシミュレーションした。一方、図１７．Ｂのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路５００のシミュレーションにおいては浮遊容量等の影響を考慮した（図１９）。バンドパスフィルタ９５０に基づいて構成された図１７．Ｂのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路５００は、図１９．Ａに示す通り、Ｓｉ基板上に構成したことが損失を大きくしている。また、図１９．Ｂに示す通り、オフ時に入力インピーダンスが高インピーダンスとはなっていない。
【実施例６】
【００５２】
そこで、実装基板上の線路を用いて、λ／４線路等価回路を付き加した構成を図２０．Ａに示す。図２０．Ａのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路６００は、図１７．Ｂのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路５００のＰｏｒｔ−１側に、オープンスタブＯＳ、線路Ｌｎ及びバラクタダイオードＤvc0で構成したλ／４線路等価回路を付き加したものである。図２０．Ａの点線より左側が、図１７．Ｂに対する付き加部分である。
【００５３】
更に、図２０．Ｂのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路６５０は、図２０．Ａのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路６００の２つのバラクタダイオードＤvc0とＤvc1を一体化させたバラクタダイオードＤvc10で置き換えたものである。図２０．Ｂにおいては、点線よりも右側がＳｉ基板上に形成可能であり、点線よりも左側は実装基板上に形成される。
【００５４】
図２０．Ｂのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路６５０のシミュレーション結果を図２１に示す。オン時の減衰量は3.516dB程度（図２１．Ａで符号ｍ１）で、オフ時のＰｏｒｔ−１の反射係数（図２１．Ｂで符号ｍ４）が１に近く、従って、Ｐｏｒｔ−１から右を見たインピーダンスが高インピーダンス（オープン）となることが示された。
【００５５】
図２０．Ｂのフィルタ機能付き高周波スイッチング回路６５０を３個、Ｐｏｒｔ−１側で並列接続してＳＰ３Ｔを形成した場合のシミュレーション結果を図２２に示す。Ｐｏｒｔ−２はオンとなっており、Ｐｏｒｔ−３はオフとなっている、フィルタ機能付き高周波スイッチング回路６５０の個別端子である。オンとなっているＰｏｒｔ−１及び２間での透過損失は4.826dBと小さく、オフとなっているＰｏｒｔ−１及び３間、並びにＰｏｒｔ−２及び３での透過損失は19.413dB、23.257dBと大きくなっていることがわかる。
【００５６】
フィルタ機能付き高周波スイッチング回路６００及び６５０は請求項１３に係る発明に対応する。
【００５７】
また、実施例１、５のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路は、請求項１、３に係る発明にも対応し、実施例２、３、４、６のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路は、請求項２、３に係る発明にも対応する。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明はＩＣ化したＳＰＳＴ（分岐無し）のフィルタ機能付き高周波スイッチング回路として用いることができ、λ／４線路等価回路を付き加することで、ＳＰＤＴ（２分岐）、ＳＰ３Ｔ（３分岐）、…、ＳＰｎＴ（ｎ分岐スイッチ）としても有用に用いることができる。また、実装基板上の線路を用いることで、Si基板のようにロスある基板上に形成するＩＣ化に対しても適用可能である。本発明は、電力消費量を抑制した、起動信号発生回路を送受信回路と組み合わせてアンテナと接続するスイッチとして有用であり、スマートプレートのような移動体の自動識別装置に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の具体的な第１の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の構成を示す回路図。
【図２】対称２ポート回路であるフィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の励振時と奇励振時の説明図。
【図３】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の偶励振、奇励振の周波数特性を示すスミスチャート。
【図４】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００の周波数特性を示すグラフ図。
【図５】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００のオン時の反射係数を示すスミスチャート。
【図６】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路１００のオフ時の反射係数を示すスミスチャート。
【図７】互いに等価な回路７．Ａ、７．Ｂ、７．Ｃの構成を示す回路図。
【図８】本発明の具体的な第２の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００の構成を示す回路図。
【図９】９．Ａはフィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００の周波数特性を示すグラフ図、９．Ｂはフィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００の反射係数を示すスミスチャート。
【図１０】１０．Ａはフィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００をシリコン基板上に形成し、寄生成分を考慮した場合の周波数特性を示すグラフ図、１０．Ｂはフィルタ機能付き高周波スイッチング回路２００をシリコン基板上に形成し、寄生成分を考慮した場合の反射係数を示すスミスチャート。
【図１１】１１．Ａは本発明の具体的な第３の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路３００の構成を示す回路図、１１．Ｂは第３の実施例の変形例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路３５０の構成を示す回路図、。
【図１２．Ａ】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路３００をシリコン基板上に形成し、寄生成分を考慮した場合の周波数特性を示すグラフ図。
【図１２．Ｂ】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路３００をシリコン基板上に形成し、寄生成分を考慮した場合のオン時の反射係数を示すスミスチャート。
【図１２．Ｃ】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路３００をシリコン基板上に形成し、寄生成分を考慮した場合のオフ時の反射係数を示すスミスチャート。
【図１３】１３．Ａは本発明の具体的な第４の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路４００の構成を示す回路図、１３．Ｂは第４の実施例の変形例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路４５０の構成を示す回路図。
【図１４】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路４００をシリコン基板上に形成し、寄生成分を考慮した場合の周波数特性を示すグラフ図。
【図１５．Ａ】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路４００をシリコン基板上に形成し、寄生成分を考慮した場合のオン時の反射係数を示すスミスチャート。
【図１５．Ｂ】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路４００をシリコン基板上に形成し、寄生成分を考慮した場合のＰｏｒｔ−１側の反射係数を示すスミスチャート。
【図１６】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路４００を３個並列接続したＳＰ３Ｔスイッチの、オン（２，１）、オフ（３，１）及び（３，２）の周波数特性を示すグラフ図。
【図１７】１７．Ａは一般的なバンドパスフィルタ９５０の構成を示す回路図、１７．Ｂは本発明の具体的な第５の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路５００の構成を示す回路図。
【図１８】バンドパスフィルタ９５０の周波数特性を示すグラフ図。
【図１９】１９．Ａはフィルタ機能付き高周波スイッチング回路５００の周波数特性を示すグラフ図、１９．Ｂはフィルタ機能付き高周波スイッチング回路５００のＰｏｒｔ−１側の反射係数を示すスミスチャート。
【図２０】２０．Ａは本発明の具体的な第６の実施例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路６００の構成を示す回路図、２０．Ｂはその変形例に係るフィルタ機能付き高周波スイッチング回路６５０の構成を示す回路図。
【図２１】２１．Ａはフィルタ機能付き高周波スイッチング回路６００の周波数特性を示すグラフ図、２１．Ｂはフィルタ機能付き高周波スイッチング回路６００のＰｏｒｔ−１側の反射係数を示すスミスチャート。
【図２２】フィルタ機能付き高周波スイッチング回路６００を３個並列接続したＳＰ３Ｔスイッチの、オン（２，１）、オフ（３，１）及び（３，２）の周波数特性を示すグラフ図。
【図２３】特許文献１〜３に記載されたスイッチの構成を示す回路図。
【図２４】特許文献１〜３に記載されたスイッチの偶励振時、奇例新時に対応する回路の構成を示す回路図。
【符号の説明】
【００６０】
１００、２００、３００、３５０、４００、４５０、５００、６００、６５０：フィルタ機能付き高周波スイッチング回路
Ｃf1、Ｃf2、Ｃc、Ｃ1、Ｃ2、Ｃs1、Ｃs2、Ｃp1、Ｃp2、Ｃp3、Ｃp4：容量
Ｄvcf、Ｄvc1、Ｄvc2、Ｄvc3、Ｄvc4、Ｄvc0、Ｄvc10：バラクタダイオード（可変容量素子）
Ｄwsf、Ｄws1、Ｄws2、Ｄws3、Ｄws4、Ｄws0、Ｄws10：シミュレーションで想定した、ｐ型シリコンウエハとｎウエルの間に形成される寄生ダイオード
Ｌf、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ20、Ｌs、Ｌp1、Ｌp2：誘導
Ｌｎ、Ｌｎ’：線路
ＯＳ：オープンスタブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２．Ａ】
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【図１２．Ｂ】
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【図１２．Ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５．Ａ】
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【図１５．Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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