(57)【要約】【課題】回路を簡素化して小型化を図り、波長が短い周波数に適合できるようにする。【解決手段】入力側と出力側にそれぞれ設けられた分岐部と、分岐部間に形成される２つの経路と、各経路中に設けられ線路長を切り替える２接点を持つそれぞれ１個のスイッチとを備え、両スイッチの２接点間の電気長の差を３６０／ｎ度（ｎは自然数）とし、かついずれかのスイッチが開放状態になったときの入力側の分岐部から開放状態のスイッチの接点までの電気長を運用周波数の半波長となるようにした。【選択図】図１
2007221692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力側と出力側にそれぞれ設けられた分岐部と、
前記分岐部間に形成される２つの経路と、
前記２つの経路中に設けられ線路長を切り替える２接点を持つそれぞれ１個のスイッチとを備え、
前記両スイッチの２接点間の電気長の差を３６０／ｎ度（ｎは自然数）とし、かついずれかの前記スイッチが開放状態になったときの入力側の分岐部から開放状態のスイッチの接点までの電気長を運用周波数の半波長となるようにしたことを特徴とする線路長切り替え型移相回路。
【請求項２】
各スイッチは、絶縁体薄膜を接点を開閉する可動部とするＲＦ−ＭＥＭＳスイッチであることを特徴とする請求項１記載の線路長切り替え型移相回路。
【請求項３】
各ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチは、
エッチングにより掘られたキャビティを持つ絶縁基板と、
前記キャビティの中空層の上に張られた絶縁体薄膜と、
前記キャビティを挟んで前記絶縁基板の上面に形成された入力端子と出力端子から前記キャビティ上部の前記絶縁体薄膜の上に延び、それぞれの端部が前記絶縁体薄膜からキャビティ側に突き出て２接点を形成するそれぞれの線路と、
前記キャビティ底面に前記２接点と向かい合うように形成された導体層とを備え、
前記絶縁体薄膜が前記キャビティの底面側に引き寄せられときに前記２接点が前記導体層と接触する構造したことを特徴とする請求項２記載の線路長切り替え型移相回路。
【請求項４】
ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチは、キャビティおよび絶縁体薄膜の各サイズを両スイッチで同じにしたことを特徴とする請求項３記載の線路長切り替え型移相回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種無線通信機器の高周波回路に用いられる線路長切り替え型移相回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の高周波回路に用いられる線路長切り替え型移相器として、ＲＦ−ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スイッチを用いた４ビット移相器がある（例えば、非特許文献１参照）。この移相器では、１ビット当たり４個のスイッチを使用している。この例では、２つの分岐部を持つ線路長切り替え型移相器として、各経路上にそれぞれ２個のスイッチを備え、全体として少なくとも４個のスイッチを必要としていることを示している。一つの経路上に２個のスイッチが必要な理由は、次の２つの条件を満足する必要があるためである。一つは、分岐部からオフのスイッチを見たときのインピーダンスが無限大になっていること。もう一つは、オン状態のスイッチと線路で構成されるそれぞれの経路の電気長の差が３６０／ｎ度（ｎは自然数）となることである。同一のスイッチを用いている限り、少なくとも３つのスイッチが必要となる。
ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチは、シリコンなどの基板に微細加工技術により可動部を作りこむことによって実現された微小な機械式スイッチで、低損失、低歪のスイッチングデバイスとして用いられつつある（例えば、非特許文献２参照）。
【０００３】
【非特許文献１】M. Kim, Member, J. B. Hacker, R. E. Mihailovich, and J. F. DeNatale著「A DC-to-40 GHz Four-Bit RF MEMS True-Time Delay Network」，IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL. 11, NO. 2, FEBRUARY 2001 pp56-58
【非特許文献２】S. Soda, Y. Yoshida, M. Hangai, T. Nishino, S. Izuo, M. Taguchi著「HIGH POWER HAND ING CAPABI ITY OF MOVAB E-WAVEGUIDE DIRECT CONTACT MEMS SWITCHES」，Transducers 2005
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチを用いた線路長切り替え型移相回路では、４つのスイッチが必要であり、ミリ波帯のような波長が短い周波数において用いる場合には切り替える線路長に比べて無視できない大きさになる。また、そのような超高周波ではスイッチの数が多いと損失も増大するという問題がある。
【０００５】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、回路を簡素化して小型化を図り、波長が短い周波数に適合できるようにした線路長切り替え型移相回路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る線路長切り替え型移相回路は、入力側と出力側にそれぞれ設けられた分岐部と、分岐部間に形成される２つの経路と、各経路中に設けられ線路長を切り替える２接点を持つそれぞれ１個のスイッチとを備え、両スイッチの２接点間の電気長の差を３６０／ｎ度（ｎは自然数）とし、かついずれかのスイッチが開放状態になったときの入力側の分岐部から開放状態のスイッチの接点までの電気長を運用周波数の半波長となるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、接点間の電気長の差を３６０／ｎ度（ｎは自然数）とする異なる接点間隔を持つ２接点の機械式スイッチを２個使用し、分岐部から開放状態のスイッチの接点までの電気長を運用周波数の半波長となるように設定したことで、先の２つの条件を満足できるようにしているので、２個のスイッチだけで波長が短い周波数で用いる場合に適する簡素化、小型化された移相回路を構成することができる。また、使用するスイッチ数が少ないことで超高周波における損失を軽減できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による線路長切り替え型移相回路の基本構成を示す説明図である。
図において、この移相回路は、入力端子１０に入力される高周波信号を２つに分岐する分岐部１１を持つ。また、分岐部１１で分けられた２つの経路上にはそれぞれのスイッチ１２，１５が設けられている。スイッチ１２は、一方の経路中に設けられ線路長を切り替える２つの接点１３，１４を持つ２接点のスイッチを構成している。同様に、スイッチ１５も、他方の経路中に設けられ線路長を切り替える２つの接点１６，１７を持つ２接点のスイッチを構成している。ここでは、スイッチ１２の２接点１３，１４間の電気長とスイッチ１５の２接点１６，１７間の電気長の差が３６０／ｎ度（ｎは自然数）となるように設定されている。すなわち、スイッチ１２と１５には、接点間の距離が異なるスイッチが使用されていることになる。スイッチ１２，１５の出力側の接点１４，１７から取り出される信号は、もう一つの分岐部１８を経由して出力端子１９に導かれるように構成されている。
【０００９】
次に、動作について説明する。
スイッチ１２がオフ状態でスイッチ１５をオン状態としたとき、接点１３，１４間は開状態で離れているので、インピーダンスは無限大となる。分岐部１１から接点１３までの伝送線路の距離を運用周波数の半波長となるようにすると、分岐部１１からスイッチ１２の方向をみたインピーダンスは無限大になるため、何もつながっていない状態となる。したがって、入力端子１０に入力した信号はすべてスイッチ１５を介して伝わる。また、分岐部１８と接点１４の距離を、分岐部１１から接点１３までの距離と同じくしておくと、スイッチ１５を通過して分岐部１８に現れた信号はすべて出力端子１９の方に伝わる。
【００１０】
一方、スイッチ１５がオフ状態でスイッチ１２をオン状態としたとき、接点１６，１７間は開状態で離れているので、インピーダンスは無限大となる。分岐部１１から接点１６までの伝送線路の距離を運用周波数の半波長となるようにすると、分岐部１１からスイッチ１５の方向をみたインピーダンスは無限大になるため、何もつながっていない状態となる。したがって、入力端子１０に入力した信号はすべてスイッチ１２を介して伝わる。分岐部１８と接点１７の距離を、分岐部１１から接点１６までの距離と同じくしておくと、スイッチ１２を通過して分岐部１８に現れた信号はすべて出力端子１９の方に伝わる。
【００１１】
ここで、例えばスイッチ１２がオンの時の接点１３から接点１４までの通過位相より、スイッチ１５がオンの時の接点１６から接点１７までの通過位相が４５度大きくなるようにそれぞれのスイッチの接点の間隔を設定しておく。すると、スイッチ１２がオンでスイッチ１５がオフの状態とスイッチ１２がオフでスイッチ１５がオンの状態でこの移相回路を通過する信号の通過位相を４５度異なるようにすることができる。
【００１２】
以上のように、この実施の形態１によれば、分岐部１１，１８間に形成される２つの経路中に線路長を切り替える２接点を持つそれぞれのスイッチ１２，１５設け、これらのスイッチ１２，１５の２接点間の電気長の差を３６０／ｎ度（ｎは自然数）とし、かつスイッチ１２，１５のいずれかが開放状態になったときの入力側の分岐部から開放状態のスイッチの接点までの電気長が運用周波数の半波長となるように設定したので、移相回路の条件を満たすことができ、２個のスイッチだけで波長が短い周波数で用いる場合に適する簡素化、小型化された移相回路を構成することができる。また、使用するスイッチ数が少ないことで超高周波における損失を軽減できる。
【００１３】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係るＲＦ−ＭＥＭＳスイッチの動作状態の構造を示す断面図である。図２（ａ）はオフ状態を表し、図２（ｂ）はオン状態を表している。
図２において、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチは、エッチングにより掘られたキャビティ２８１を持つシリコン基板（絶縁基板）２８を用いている。シリコン基板２８の上面には、キャビティ２８１を挟んでコプレーナ線路の入力端子２０と出力端子２３が向かい合うように形成されている。キャビティ２８１の中空層の上には可動部となる窒化シリコンの薄膜（絶縁体薄膜）２７が張られ、その上にコプレーナ線路２１，２２が形成されている。これらコプレーナ線路２１，２２はそれぞれ入力端子２０と出力端子２３と連続して形成される。また、コプレーナ線路２１，２２の各端部（ただし、コプレーナ線路のグランド導体の方は連続していて端部を形成しない。）には、薄膜２７からキャビティ２８１側に突き出た接点２４，２５が設けられている。キャビティ２８１の底面２８２には導体層２６が設けられており、このＲＦ−ＭＥＭＳスイッチのオン時にはシリコン基板２８と窒化シリコンの薄膜２７に挟まれた線路となり、薄膜２７上のグランド導体（図示せず）とあわせてコプレーナ線路状の伝播モードを持つ線路となる。
【００１４】
範囲３０はこのコプレーナ線路状の伝播モードを持つ線路の部分を示しており、範囲３１は空気層の上部の薄膜２７上に作成されたコプレーナ線路を示しており、範囲３２はシリコン基板２８上に作成されたコプレーナ線路を示している。
ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチをオンさせる動作は、薄膜２７と底面２８２に対向して別の電極（図示せず）を設け、これらに電圧をかけることにより可動部となる薄膜２７を底面２８２側に引き付けられ、薄膜側の接点２４，２５が底面側の導体層２６に接触することで達成される。なお、コプレーナ線路の構造やＲＦ−ＭＥＭＳスイッチをオン・オフさせる電極構造は非特許文献２に示されたものと同様である。
【００１５】
図３はこの発明の実施の形態２による線路長切り替え型移相回路の構成を示す。図において、図１に相当する部分には同じ符号付す。
この移相回路では、図１と同様に、分岐部１１で分けられた２つの分岐回路上にそれぞれのＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２，１５が設けられているが、これらＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２，１５には図２で説明したと同じ基本構造のものが使用されている。ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２，１５の構成部分で、図２の部分と対応するものには、数字「１２」または「１５」の後の二桁に図２で使用した符号を付して示している。
ここで使用するＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２，１５は、両スイッチの２接点間の電気長の差が３６０／ｎ度（ｎは自然数）となるように接点間隔と導体層１２２６，１５２６の長さを異ならしめているが、キャビティ２８１（図２）および薄膜２７（図２）のそれぞれは、両スイッチで同じサイズにしてある。これを、図３でＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２，１５の外枠をキャビティとして見たとき、ＭＥＭＳスイッチ１２における入力端子１２２０と接点１２２４の距離と、接点１２２４と接点１２２５の距離と、接点１２２５と出力端子１２２３の距離の和が、ＭＥＭＳスイッチ１５における入力端子１５２０と接点１５２４の距離と、接点１５２４と接点１５２５の距離と、接点１５２５と出力端子１５２３の距離の和と等しくなっていることになる。このことにより、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２，１５において可動部の長さが同じとなっているため、可動部を駆動する電圧は同じ値にすることができ、そのための制御回路を簡素化することができる。また、外形が同サイズのスイッチを使用できるため、周辺の回路パターンのレイアウトが複雑になるのを避けることができる。なお、この線路長切り替え型移相回路はＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２，１５と共に一枚の基板で製作するようにしてもよい。
【００１６】
次に動作について説明する。
ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２がオフ状態でＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１５をオン状態としたとき、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２の接点１２２４、１２２５は開状態で離れているので、インピーダンスは無限大となる。分岐部１１からＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２の入力端子１２２０までの電気長と入力端子１２２０から接点１２２４までの電気長の和を、運用周波数の半波長となるようにすると、分岐部１１からＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２の方向をみたインピーダンスは無限大になるため、何もつながっていない状態となる。したがって、入力端子１０に入射した信号はすべてＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１５の方に伝わる。また、分岐部１８と接点１２２５の距離を、分岐部１１から接点１２２４までの距離と同じくしておくと、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１５を通過して分岐部１８に現れた信号はすべて出力端子１９の方に伝わる。
【００１７】
一方、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１５がオフ状態でＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２をオン状態としたとき、接点１５２４，１５２５は開状態で離れているので、インピーダンスは無限大となる。分岐部１１からＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１５の入力端子１５２０までの電気長と入力端子１５２０から接点１５２４までの電気長の和を、運用周波数の半波長となるようにすると、分岐部１１からＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１５の方向をみたインピーダンスは無限大になるため、何もつながっていない状態となる。したがって、入力端子１０に入射した信号はすべてＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２の方に伝わる。また、分岐部１８と接点１５２５の距離を、分岐部１１から接点１５２４までの距離と同じくしておくと、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２を通過して分岐部１８に現れた信号はすべて出力端子１９の方に伝わる。
【００１８】
ここで、例えばＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２がオンの時の接点１２２４から接点１２２５までの通過位相より、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１５がオンの時の接点１５２４から接点１５２５までの通過位相が４５度大きくなるようにそれぞれのスイッチの接点の間隔を設定しておく。すると、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２がオンでＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１５がオフの状態とＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ１２がオフでＭＥＭＳスイッチ１５がオンの状態でこの移相回路を通過する信号の通過位相を４５度異なるようにすることができる。
【００１９】
以上のように、この実施の形態２によれば、スイッチ１２，１５に、マイクロマシニング技術により作製した、絶縁体薄膜を接点を開閉する可動部とするＲＦ−ＭＥＭＳスイッチを用いているので、ミリ波帯のような波長の短い周波数に適した小型化した移相器を実現できる。また、スイッチ１２，１５で可動部のサイズを同じにしたので、その駆動電圧を同じ値とすることができ、そのための制御回路を簡素化することができる。また、外形が同サイズのスイッチを使用できるため、周辺の回路パターンのレイアウトが複雑になるのを避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の実施の形態１による線路長切り替え型移相回路の基本構成を示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係るＭＥＭＳスイッチの構造を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２による線路長切り替え型移相回路の構成を示
【符号の説明】
【００２１】
１０，２０，１２２０，１５２０  入力端子、１１，１８  分岐部、１２，１５  スイッチ（ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ）、１３，１４，１６，１７，２４，２５，１２２４，１２２５，１５２４，１５２５  接点、１９，２３，１２２３，１５２３  出力端子、２１，２２  コプレーナ線路、２６，１２２６，１５２６  導体、２７  薄膜（絶縁体薄膜）、２８  シリコン基板（絶縁基板）、２８１  キャビティ。
【図１】
2007221692.tif 000003
【図２】
2007221692.tif 000004
【図３】
2007221692.tif 000005