(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一の入力ポートと、当該入力ポートと第１の伝送ラインを介して接続された第１の出力ポートと、当該入力ポートと第２の伝送ラインを介して接続された第２の出力ポートとを備え、前記入力ポートへ入力される所定周波数の高周波大電力を前記第１の出力ポート又は前記第２の出力ポートへ選択的に切替えて出力する高周波大電力高速切替スイッチ装置において、
前記第１の伝送ラインの一部および第２の伝送ラインの一部とそれぞれ並列に第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子を設け、前記第１、第２のポートとの間に第３の伝送ラインを設け、前記第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子を交互にオンオフすることによって、入力ポートと選択された出力ポートとの間に形成される伝送ラインにおける遅延量が、非選択の出力ポートとの間に形成される伝送ラインにおける遅延量に対して半波長だけずれるように、前記第１ないし第３の伝送ライン長を設定することにより、選択された出力ポートに信号を出力することを特徴とする高周波大電力高速切替スイッチ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、高周波の大電力信号を取り扱う無線システムにおいて、当該高周波大電力信号を、電力増幅器やフィルタ等の回路に高速で切替える事を可能にする高周波大電力高速切替スイッチ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、移動体通信など、高周波の大電力信号を取り扱う無線システムにおいては、かかる高周波の大電力信号をその電力増幅器やフィルタ等の回路に対して、高速で切り替えることを可能にするスイッチ装置が、必要とされている。
【０００３】
ところで、従来、上記のような高周波信号の切替を行うスイッチ装置には、以下の２通りの方式のものが知られている。
▲１▼機械式リレーによる方式
この方式のリレーは、機械式接点、マグネットコイル、マグネットコイル駆動回路、そして、これらを制御するマグネットコイル制御回路とより構成される。このリレーでは、マグネットコイルに通電する事により、磁力を発生させて上記機械式接点を駆動し、もって、回路の切り替を行うものである。なお、この機械式リレー方式による従来技術の一例が、添付の図３に示されている。
【０００４】
▲２▼スイッチ用ダイオードによる方式
このスイッチ装置は、添付の図４にも示すように、スイッチ用ダイオードＤ、直流バイアス用高周波チョークコイル、直流接地用高周波チョークコイル、直流阻止用コンテンサ、スイッチ用ダイオード駆動回路、そして、スイッチ用ダイオード制御回路により構成される。すなわち、かかる構成のスイッチ装置では、スイッチ用ダイオードＤに対し、順方向、又は、逆方向のバイアスを加える事により、上記スイッチ用ダイオードＤを導通状態に、又は、非導通状態にし、もって、回路の高速な切替動作を行うものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術では、未だ、以下のような問題点が指摘されていた。すなわち、
▲１▼機械式リレーによる方式では、上述のように、機械式接点などの機械的構成により切替動作を行うため、
（１）高速で回路切り替えを行うことは出来ない。また、
（２）切替動作の耐久性が、スイッチ用ダイオードを用いた電子方式のものに比べて劣る。
【０００６】
▲２▼スイッチ用ダイオードによる方式では、その回路構成から、
（３）スイッチ用ダイオードＤが非導通状態の時は、電力の大半がスイッチ用ダイオード内部で消費されるために、大電力を取り扱うことができない。
（４）スイッチ用ダイオードＤ内部の半導体接合部での発熱を外部へ放熱するため、大きな放熱器を必要とする。そのため、スイッチ装置の小型化の障害となり、また、その製造コストも上昇する原因となっていた。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、特に、本発明では、上記従来技術になる機械式リレー方式のスイッチ装置における問題点、すなわち、切替速度が遅くかつ切替動作の耐久性が劣るという問題点を、スイッチ用ダイオードの採用により解消すると同時に、一方、スイッチ用ダイオード方式のスイッチ装置での問題点である、すなわち、大電力を取扱えない点、そして、大きな放熱器を必要とするという問題をも解決し、もって、従来技術では実現することが出来なかった、回路の切替速度が速くかつその切替動作の耐久性にも優れ、更には、高周波大電力信号をも取扱うことが可能な、特に、無線システムにおける高速回路切替を可能にする高周波大電力高速切替スイッチ装置を提供することをその目的とする。
【０００８】
更に詳しくは、高周波大電力信号を取扱う無線システムにおいて、制御信号により駆動されるスイッチ用ダイオードと伝送ラインとの組合せにより、電力増幅器やフィルタ等に伝送される高周波大電力信号を高速で切替える事を可能にする高周波大電力高速切替スイッチ装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記の目的を達成するため、少なくとも一の入力ポートと、当該入力ポートと第１の伝送ラインを介して接続された第１の出力ポートと、当該入力ポートと第２の伝送ラインを介して接続された第２の出力ポートとを備え、前記入力ポートへ入力される所定周波数の高周波大電力を前記第１の出力ポート又は前記第２の出力ポートへ選択的に切替えて出力する高周波大電力高速切替スイッチ装置において、前記第１の出力ポートと第２の出力ポートとの間に所定の遅延量を備えた第３の伝送ラインを設けると共に、第１の伝送ラインには、その遅延量を切り替える第１のスイッチング素子を設け、第２の伝送ラインには、その遅延量を切り替えるための第２のスイッチング素子を設け、制御駆動する手段によって上記第１及び第２のスイッチング素子を選択的に切り替えることにより、前記入力ポートから前記第１の出力ポート及び前記第２の出力ポートへ到る伝送ラインにおける高周波大電力に対する遅延量を変化させる高周波大電力高速切替スイッチ装置が提供されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
まず、図１には、本発明の一の実施の形態になる高周波大電力高速切替スイッチ装置が示されており、図において、このスイッチ装置は、入力ポート（１０）と、複数（本例では２個）の出力ポート１（２０）、出力ポート２（２１）を備え、この入力ポート１０へ入力される高周波大電力を、選択的に、複数の出力ポート２０、２１の一方を介して、例えば、その後段側に設けられる電力増幅器やフィルタ等の回路に、高速で切り替える事を可能にするものである。
【００１１】
このスイッチ装置では、図からも明らかなように、上記入力ポート（１０）と、上記２個の出力ポート１（２０）及び出力ポート２（２１）との間には、それぞれ、伝送ライン３０（ＬＩＮＥ１（３１）とＬＩＮＥ２（３２）の直列接続）と、伝送ライン４０（ＬＩＮＥ３（４１）とＬＩＮＥ４（４２）の直列接続）とが挿入されている。また、上記２個の出力ポート１（２０）及び出力ポート２（２１）との間には、さらに、伝送ライン５０（ＬＩＮＥ５）が挿入されている。
【００１２】
そして、本発明では、回路切り替えを行うためにその導通及び非導通状態を繰り返し動作するスイッチ用ダイオードＤ１、Ｄ２が、それぞれ、上記伝送ライン３０のＬＩＮＥ１（３１）と伝送ライン４０のＬＩＮＥ３（４１）に対し、並列かつ順方向（アノードを入力ポート側へ、カソードを出力ポート側へ）に接続されている。また、これらスイッチ用ダイオードＤ１、Ｄ２のアノードには、図にも明らかなように、ノイズ除去用コンデンサＣが、また、そのカソードには、やはりノイズ除去用コンデンサＣと直流接地用高周波チョークコイルＬｇとが接続されている。
【００１３】
一方、上記のスイッチ用ダイオードＤ１、Ｄ２の導通及び非導通状態を制御するため、スイッチ用ダイオードの制御回路１００及びスイッチ用ダイオードの駆動回路２００が設けられている。また、この制御回路１００は、外部から（例えば、高周波の大電力信号を取り扱う無線システムの制御部など）の制御信号を入力し、所定の波形処理などを施して駆動信号を形成する。一方、制御回路１００からの駆動信号を入力した駆動回路２００は、入力した駆動信号を上記２個のスイッチ用ダイオードＤ１、Ｄ２へ配分し、もって、ダイオードの導通及び非導通状態を、それぞれ、制御することとなる。
【００１４】
すなわち、上記駆動回路２００からスイッチ用ダイオードＤ１へ配分される駆動信号は、直流バイアス用高周波チョークコイルＬｂを介して、上記スイッチ用ダイオードＤ１のアノードに接続されており、また、このチョークコイルＬｂには、接地側との間に、直流阻止用コンデンサＣｎが挿入されている。他方、上記駆動回路２００から他方のスイッチ用ダイオードＤ２へ配分される駆動信号も、上記と同様に、直流バイアス用高周波チョークコイルＬｂを介して、上記スイッチ用ダイオードＤ１のアノードに接続されており、また、このチョークコイルＬｂには、やはり接地側との間に、直流阻止用コンデンサＣｎが挿入されている。
【００１５】
次に、上記にその詳細な構成を説明した本発明になる高周波大電力高速切替スイッチ装置におけるスイッチング動作を、以下に詳細に説明する。なお、この本発明の高周波大電力高速切替スイッチ装置では、上記のスイッチ用ダイオードにて伝送ラインの電気長を切替え、もって、入力信号を出力するポートを選択するものである。
【００１６】
まず、入力ポートに入力された高周波信号を出力ポート１に出力する場合の動作について、添付の図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照しながら、以下に詳細に説明する。なお、以下の説明において、上記入力ポート（１０）と出力ポート１（２０）及び出力ポート２（２１）との間に挿入された伝送ライン（ＬＩＮＥ１、ＬＩＮＥ２、ＬＩＮＥ３、ＬＩＮＥ４、ＬＩＮＥ５）は、例えば、遅延線である同軸ケーブルから構成されており、そして、これら同軸ケーブルにおける高周波信号（例えば、ＵＨＦ帯の信号）の遅延量（電気量）は、以下のように設定されている。
ＬＩＮＥ１＝ＬＩＮＥ２＝ＬＩＮＥ３＝ＬＩＮＥ４
＝１／４λ（高周波信号の１波長）
ＬＩＮＥ５＝３／４λ
【００１７】
＜Ｄ１オン、Ｄ２オフ時＞
入力ポートに入力された高周波信号を出力ポート１に出力する場合、スイッチ用ダイオードの制御回路１００は、出力ポート１の選択信号を受信し、スイッチ用ダイオードＤ１を導通（オン）状態に、スイッチ用ダイオードＤ２を非導通状態（オフ）とするための駆動信号を、上記スイッチ用ダイオードの駆動回路２００に送る。より詳細に説明すると、このスイッチ用ダイオードの駆動回路２００は、スイッチ用ダイオードＤ１に対しては順方向バイアスを加えると共に、スイッチ用ダイオードＤ２に対しては逆方向バイアスを加える。
【００１８】
以上の結果、上記スイッチ用ダイオードＤ１が導通状態になる事により、入力ポートと出力ポート１との間の伝送ラインであるＬＩＮＥ１がショートされる。そして、その結果、入力ポートと出力ポート１との間の伝送ラインの電気長は、以下のようになる。すなわち、添付の図２（Ａ）に実線で示すように、
経路（１）：入力ポート⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ２：１／４λ）⇒出力ポート１
この経路（１）の電気長＝１／４λ
経路（２）：入力ポート⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ３：１／４λ）⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ４：１／４λ）⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ５：３／４λ）⇒出力ポート１
この経路（２）の電気長＝５／４λ
【００１９】
このように、上記図２（Ａ）の実線からも明らかなように、選択された出力ポート１（２０）には、以上の２つの経路を経由した高周波信号が加わるが、これら両信号の位相差は、５／４λ−１／４λ＝λ、すなわち、１波長だけずれた、同相の信号となり、この出力ポート１（２０）には、上記入力ポート（１０）に入力された高周波信号が出力されることとなる。
【００２０】
他方、この時、出力ポート２では、上記添付の図２（Ｂ）に実線で示すように、以下の経路（３）、（４）を経由して高周波信号が流れ、その間の伝送ラインの電気長は、以下のようになる。
経路（３）：入力ポート⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ２：１／４λ）⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ５：３／４λ）⇒出力ポート２
この経路（１）の電気長＝λ
経路（４）：入力ポート⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ３：１／４λ）⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ４：１／４λ）⇒出力ポート２
この経路（４）の電気長＝２／４λ＝１／２λ
【００２１】
このように、非選択の出力ポート２（２１）には、以上の２つの経路（３）と（４）を経由した高周波信号が加わり、これら両信号の位相差は、λ−１／２λ＝１／２λ、すなわち、互いに半波長分だけ位相がずれた信号となり、互いに打ち消し合い、その結果、この出力ポート２（２１）には、入力ポート（１０）に入力された高周波信号が出力されないこととなる。
【００２２】
＜Ｄ１オフ、Ｄ２オン時＞
次に、上記した場合に対し、入力ポートに入力された高周波信号を出力ポート２に出力する場合、スイッチ用ダイオードの制御回路１００は、出力ポート２の選択信号を受信し、スイッチ用ダイオードＤ２を導通（オン）状態に、スイッチ用ダイオードＤ１を非導通状態（オフ）とするための駆動信号を、上記スイッチ用ダイオードの駆動回路２００に送る。より詳細に説明すると、このスイッチ用ダイオードの駆動回路２００は、スイッチ用ダイオードＤ２に対しては順方向バイアスを加えると共に、スイッチ用ダイオードＤ１に対しては逆方向バイアスを加えることとなる。
【００２３】
この結果、上記スイッチ用ダイオードＤ２が導通状態になる事により、入力ポートと出力ポート１との間の伝送ラインであるＬＩＮＥ３がショートされる。そして、入力ポートと出力ポート２との間の伝送ラインの電気長は、以下のようになる。すなわち、添付の図２（Ｂ）に実線で示すように、
経路（１）’：入力ポート⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ１：１／４λ）⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ２：１／４λ）⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ５：３／４λ）⇒出力ポート２
この経路（１）’の電気長＝５／４λ
経路（２）’：入力ポート⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ４：１／４λ）⇒出力ポート２
この経路（２）の電気長＝１／４λ
【００２４】
このように、選択された出力ポート２（２１）には、以上の２つの経路（１）’及び（２）’を経由した高周波信号が加わるが、これら両信号の位相差は、５／４λ−１／４λ＝λ、すなわち、１波長だけずれた、同相の信号となり、この出力ポート２（２１）には、上記入力ポート（１０）に入力された高周波信号が出力されることとなる。
【００２５】
他方、この時、出力ポート２では、上記添付の図２（Ｂ）に実線で示すように、以下の経路（３）’、（４）’を経由して高周波信号が流れ、その間の伝送ラインの電気長は、以下のようになる。
経路（３）’：入力ポート⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ１：１／４λ）⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ２：１／４λ）⇒出力ポート１
この経路（３）’の電気長＝２／４λ＝１／２λ
経路（４）’：入力ポート⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ４：１／４λ）⇒伝送ライン（ＬＩＮＥ５：３／４λ）⇒出力ポート１
この経路（４）’の電気長＝４／４λ＝λ
【００２６】
このように、この時に非選択である出力ポート１（２０）には、以上の２つの経路（３）’と（４）’を経由した高周波信号が加わり、これら両信号の位相差は、λ−１／２λ＝１／２λ、すなわち、互いに半波長分だけ位相がずれた信号となり、その結果、この出力ポート１（２０）には、入力ポート（１０）に入力された高周波信号が出力されない。
【００２７】
また、上記にその動作を説明した本発明になる高周波大電力高速切替スイッチ装置の回路構成によれば、上述からも明らかなように、高周波信号が入力される入力ポートと上記選択された出力ポート１（２０）、又は、出力ポート２（２１）との間では、上記スイッチ用ダイオードＤ１、Ｄ２の導通（オン）又は非導通（オフ）状態に拘わらず、入力された高周波信号は、これらスイッチ用ダイオードＤ１、Ｄ２を含む２つの伝送ラインを経由して出力ポート１（２０）、又は、出力ポート２（２１）へ出力されることとなる。すなわち、スイッチ装置を構成するスイッチ用ダイオードＤ１、Ｄ２には、常に、この装置により切り替えられる高周波信号が通過し、そのため、消費される電力はこれらスイッチ用ダイオードＤ１、Ｄ２において分散して分担される。すなわち、大きな電力の高周波信号についても、高速で切り替えることが可能となる。
【００２８】
さらに、本発明の高速切替スイッチ装置を高周波大電力の切替に使用した場合でも、半導体接合部での発熱も、やはり、分これらスイッチ用ダイオードＤ１、Ｄ２内部で散して分担されることとなり、上記従来技術において述べたような大きな放熱器を必要とすることはなく、そのため、比較的構成が簡単で、安価な高速切替スイッチ装置を実現することが可能となる。
【００２９】
なお、以上に詳述した本発明の実施の形態では、上記入力ポート（１０）と、上記２個の出力ポート１（２０）及び出力ポート２（２１）との間の伝送ラインについて、上記図１に示した形態についてのみ説明したが、しかしながら、本発明では、これにのみ限定されるものではない。すなわち、入力ポートと選択された出力ポートとの間に形成される伝送ラインにおける電気長（遅延量）が、非選択の出力ポートとの間に形成される伝送ラインにおける電気長（遅延量）に対して半波長（ｎ＋１／２λ、ｎ：自然数）だけずれるものであればよい。また、これと同時に、それら伝送ラインにおける各ライン（ＬＩＮＥ１、ＬＩＮＥ２、ＬＩＮＥ３、ＬＩＮＥ４、ＬＩＮＥ５）における電気長（遅延量）についても、上記に述べたものだけに限定されることなく、上記の条件を満たすものであれば、その他の値でも、本発明の範囲に含まれることは、当業者にとっては明らかであろう。
【００３０】
さらに、以上に詳述した本発明の実施の形態では、スイッチング動作を実現するための手段として、スイッチ用ダイオードＤ１、Ｄ２を一例として説明したが、やはり、本発明では、これにのみ限定されるものではなく、これらスイッチ用ダイオードに代えて、例えばスイッチ用トランジスタなど、他の半導体素子によって構成することも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上の詳細な説明からも明らかなように、本発明になる高周波大電力高速切替スイッチ装置によれば、装置における切替スイッチ機能を達成するスイッチング素子として、スイッチ用ダイオードに代表される半導体素子を採用したことにより、切替速度や切替動作の耐久性を大幅に改善すると共に、その回路構成によれば、従来のスイッチ用ダイオード方式のスイッチ装置における問題点であった大電力の取扱いをも可能とすることから、電力増幅器やフィルタ等に伝送される高周波大電力信号を高速で切替える事を可能な高周波大電力高速切替スイッチ装置を提供することが可能となる。
【００３２】
また、上記の本発明になる高周波大電力高速切替スイッチ装置によれば、スイッチ用ダイオードに代表される半導体素子における発熱量も分散されて小さくなり、そのため、放熱板なども必要とせず、小型化や経済性にも優れた高周波大電力高速切替スイッチ装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態になる高周波大電力高速切替スイッチ装置の構成を示す回路図である。
【図２】上記本発明の高周波大電力高速切替スイッチ装置におけるスイッチング動作を説明するための等価回路図である。
【図３】従来技術である機械式リレー方式によるスイッチ装置の構成の一例を示す図である。
【図４】やはり、従来技術であるスイッチ用ダイオード方式によるスイッチ装置の構成の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１０  入力ポート
２０、２１  出力ポート１、出力ポート２
３０、３１、３２、４０、４１、４２、５０  伝送ライン
Ｄ１、Ｄ２  スイッチ用ダイオード
１００  スイッチ用ダイオードの制御回路
２００  スイッチ用ダイオードの駆動回路
【図１】
0004467854.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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