JP2005117497A - 高周波モジュール及びそれを搭載した無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分波回路から電力増幅器までを構成する回路要素を一体モジュール化し、電力増幅素子、スイッチ回路をそれぞれ集積回路化することにより、各回路を同時設計できるようにしモジュールとして最適な特性調整を行う。
【解決手段】アンテナ端子ＡＮＴに接続され通過帯域の異なる複数の送受信系を各通過帯域ごとに分ける分波回路ＤＩＰと、分波回路ＤＩＰに接続され、前記各送受信系を送信系と受信系とに切り替える複数のスイッチ回路ＳＷと、各スイッチ回路ＳＷに接続され、送信通過帯域での送信信号を増幅する高周波電力増幅回路ＡＭＰと、高周波電力増幅回路ＡＭＰの出力から前記スイッチ回路ＳＷまでのインピーダンスマッチングをとるための整合回路ＭＡＴとを備え、電力増幅回路ＡＭＰを構成する電力増幅素子等を集積した第１の集積回路と、前記スイッチ回路ＳＷを構成するスイッチング素子等を集積した第２の集積回路とを、誘電多層基板の表面又は裏面にそれぞれ実装し、前記分波回路ＤＩＰ及び前記整合回路ＭＡＴ等を、多層基板内部の誘電体層に内装している。
【選択図】 図５

Description

本発明は高周波モジュール及びそれを搭載したマルチバンド用移動無線端末などの無線通信装置に関するものである。

近年、携帯電話の普及が進みつつあり、携帯電話の機能、サービスの向上が図られている。この新たな携帯電話として、マルチバンド携帯電話の提案がなされている。マルチバンド携帯電話は、通常の携帯電話が一つの送受信系のみを取り扱うのに対し、複数の送受信系を取り扱うものである。これにより、利用者は地域性や使用目的等に合った都合の良い送受信系を選択して利用することができる。

その一例として、通過帯域の異なる２つの送受信系を有するＧＳＭ／ＤＣＳデュアルバンド方式の携帯電話が検討されている。
ＧＳＭ／ＤＣＳ方式のデュアルバンド方式の携帯電話機は、通過帯域の異なる２つの送受信系を分波回路（ダイプレクサ）によって各送受信系ＧＳＭ／ＤＣＳに分波し、かつ送受信系ＤＣＳ、ＧＳＭにおいてそれぞれ送信系ＴＸと受信系ＲＸとの切替えを行うスイッチ回路を備えている。さらに送受信系ＤＣＳの送信系ＴＸ、受信系ＲＸと、送受信系ＧＳＭの送信系ＴＸ、受信系ＲＸとを備えている。

デュアルバンド方式の携帯電話機では各送受信系の構成に必要な回路を搭載する必要があるが、それぞれ個別の専用部品を用いて回路を構成すれば、機器の大型化、高コスト化を招来することとなる。そこで、共通可能な回路部分は、可及的に共通化するようにして機器の小型化、低コスト化を有利に展開することが要請されている。
このような要求に対して、例えば、特許文献２には小型化を図るためのマルチバンド用高周波スイッチ回路モジュールＡＳＭ１が開示されている。
特開２００３−８４６９号公報 特開平１１−２２５０８８号公報

今日、デュアルバンド方式においては、高周波スイッチ回路を構成する部品をプリント配線基板上に実装するタイプに代えて、上記特許文献２に開示されるように、高周波スイッチ回路を部分的に一体化してモジュール化することは行われているが、高周波スイッチ回路モジュール及び高周波電力増幅回路（パワーアンプ）、カップラなどの各部品をプリント基板上に実装しているため、かかる形態ではこれ以上の小型化は限界である。

また、高周波スイッチ回路モジュール、高周波電力増幅回路の各部品をプリント配線基板上にそれぞれ実装した場合、そのままでは携帯電話機の高周波回路部としての特性を満足することは稀で、部品間に特性調整用の回路がさらに必要となるという設計時の制約と、その付設回路により機器の大型化を招くという問題があった。
さらにその付設回路の電力損失が余分に発生することによる高周波電力増幅回路の電力付加効率の劣化を招くことになる。

そこで本発明は、通過帯域の異なる複数の送受信系を各送受信系に分ける分波回路から高周波電力増幅回路までを構成する回路要素を一体化して小型化できるとともに、良好な特性を有する高周波モジュール及びそれを搭載した無線通信装置を提供することを目的とする。

本発明の高周波モジュールは、アンテナ端子に接続され通過帯域の異なる複数の送受信系を各通過帯域ごとに分ける分波器と、分波器に接続され、前記各送受信系を送信系と受信系とに切り替える複数のスイッチ回路と、各スイッチ回路に接続され、送信通過帯域での送信信号を増幅する高周波電力増幅回路と、高周波電力増幅回路の出力から前記スイッチ回路までのインピーダンスマッチングをとるための整合回路とを備えた高周波モジュールであって、前記高周波電力増幅回路を構成する電力増幅素子を集積した第１の集積回路と、前記スイッチ回路を構成するスイッチング素子を集積した第２の集積回路とを、誘電体層と導体層が交互に積層されてなる多層基板の表面又は裏面にそれぞれ実装し、前記分波器及び前記整合回路を、前記多層基板内部の誘電体層に内装していることを特徴とする。

本発明によれば、従来のように抵抗、ダイオード素子、インダクタ素子、キャパシタ素子、半導体素子等の単体のチップ素子を複数個、多層基板表面に搭載するかまたは多層基板に内蔵する場合に比べて、電力増幅素子、スイッチ回路を集積回路化することにより、各回路を同時設計することができるため、モジュールとして最適な特性調整を行なうことができる。そして、信号通過ロスを減少し、全体を小型化できる。

前記分波器及び前記整合回路を、前記第１の集積回路又は第２の集積回路が搭載された部分の下側に形成するようにすれば、モジュール全体としてもさらなる小型化が可能となる。
前記スイッチ回路の構成は限定されないが、好ましくは、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）化合物またはＣ−ＭＯＳを主成分とする基板上に、ダイオードを含む回路パターンが形成された高周波半導体集積回路である。

前記電力増幅素子、電力増幅用制御素子の構成も限定されないが、好ましくは、高周波信号を増幅する機能を持ち、小型化、高効率化を図るためにＧａＡｓＨＢＴ（ガリウム砒素ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ）構造、又はＰ−ＨＥＭＴ構造のＧａＡｓトランジスタやシリコントランジスタを含む半導体素子で形成されている。
また、本発明の好ましい態様では、電力増幅素子の出力電力を自動制御する電力増幅用制御素子が、前記第１の集積回路内に形成され、前記高周波電力増幅回路の出力から前記スイッチ回路までの間に方向性結合器（カップラ）が挿入され、当該方向性結合器は、前記多層基板内部の誘電体層に内装されている。

この方向性結合器は、高周波電力増幅回路の出力をモニタして、そのモニタ信号を高周波電力増幅回路のオートパワーコントロールに用いるためのものであり、前記多層基板内部の誘電体層に内装することにより、高周波モジュールの小型化、低背化を図ることができる。
この態様においても、方向性結合器を、前記第１の集積回路又は第２の集積回路が搭載された部分の下側に形成することが好ましい。

また本発明の高周波モジュールでは、アンテナ端子から前記スイッチ回路に至る経路中に、アンテナ端子に入力した過渡的な高電圧サージを減衰する高域通過フィルタまたは帯域通過フィルタを備えるものであってもよい。
前記多層基板には、セラミック誘電体層を含む多層セラミック基板を用いることができる。セラミック誘電体の比誘電率は、樹脂基板に比べて高く、通常９から２５である。このため、誘電体層を薄くでき、誘電体層に内装された回路の素子のサイズを小さくでき、素子間距離も狭くすることができる。したがって、樹脂基板を用いる場合に比べて、いっそうの小型化、集積化を実現できる。

また本発明は、上に説明した高周波モジュールを搭載する携帯電話機などの無線通信装置に係るものである。

以上のように本発明によれば、高周波電力増幅回路から分波器までを構成する回路要素を集積化、内装化して小型化できるとともに、各回路要素を同時設計することができるため、モジュールとして最適な特性調整を行なうことができる。従って、各部品間に特性調整用の回路を設ける必要がなく、低ロス化が実現でき、かつ設計工程を短縮できるためコスト削減を図ることができる。

また、新たに前記多層基板の上面に、抵抗、ダイオード素子、インダクタ素子、キャパシタ素子、半導体素子等の表面実装部品を搭載する必要がないため、部材費や工程の削減、高周波モジュールの低背化を実現することができ、また、多層基板上面に集積回路を実装する面積を確保することができる。
また、集積回路化により部品点数が減少することから、小型化と製造工程の短縮化を計ることができ、これにともないコスト削減が可能となる。

またさらに、無線通信装置の大部分の電力を消費する高周波電力増幅回路の電力付加効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る高周波モジュールのブロック図であり、本発明の高周波モジュールＲＦＭ１０は、１つの共通アンテナ端子ＡＮＴと、そのアンテナ端子ＡＮＴに接続されるＧＳＭ８５０方式（８５０ＭＨｚ帯）、ＧＳＭ９００方式（９００ＭＨｚ帯）、ＤＣＳ方式（１８００ＭＨｚ帯）、ＰＣＳ方式（１９００ＭＨｚ帯）の４つの送受信系から構成される。

高周波モジュールＲＦＭ１０は、アンテナ端子ＡＮＴに対して通過帯域の異なる複数の送受信系を各送受信系、ＧＳＭ８５０／ＧＳＭ９００とＤＣＳ／ＰＣＳとに分ける分波回路ＤＩＰ１０と、各送受信系ＧＳＭ８５０／ＧＳＭ９００とＤＣＳ／ＰＣＳとを、それぞれ、送信系ＴＸと受信系ＲＸとにそれぞれ切替えるスイッチ回路ＳＷ１１０、ＳＷ１２０と、前記スイッチ回路ＳＷ１１０、ＳＷ１２０の状態を制御するデコーダＤＥＣ１０とを備えている。スイッチ回路ＳＷ１１０、ＳＷ１２０は、前記送受信系ＧＳＭ８５０／ＧＳＭ９００／ＤＣＳ／ＰＣＳの各送信系／受信系のうちのどの系に対してアンテナ端子を接続するかを切りかえる機能を持つ。

さらに、スイッチ回路ＳＷ１１０、ＳＷ１２０の各送信系にＧＳＭ８５０／ＧＳＭ９００ＴＸ端子、ＤＣＳ／ＰＣＳＴＸ端子が設けられ、これらのＴＸ端子から入力される入力信号を増幅する高周波電力増幅回路ＡＭＰ１１０、ＡＭＰ１２０と、高周波電力増幅回路ＡＭＰ１１０、ＡＭＰ１２０の出力のインピーダンス調整等を行う整合回路ＭＡＴ１０、ＭＡＴ２０と、高周波電力増幅回路ＡＭＰ１１０、ＡＭＰ１２０の出力に比例したモニタ信号を取り出す方向性結合器ＣＯＰ１０、ＣＯＰ２０と、方向性結合器ＣＯＰ１０、ＣＯＰ２０から取り出したモニタ信号に応じて高周波電力増幅回路ＡＭＰ１１０、ＡＭＰ１２０を制御する信号を出力する自動電力制御器ＡＰＣ（オートパワーコントローラ）１０と、高周波電力増幅回路ＡＭＰ１１０、ＡＭＰ１２０を制御する制御回路ＣＯＮ１０で構成されている。

なお、方向性結合器ＣＯＰ１０、ＣＯＰ２０を備えず、その代わりに整合回路ＭＡＴ１０、ＭＡＴ２０を構成する分布定数線路の一部からモニタ信号を取り出す方法を採用しても良い。
高周波モジュールＲＦＭ１０の小型化のためには、高周波電力増幅回路ＡＭＰ１１０、ＡＭＰ１２０、制御回路ＣＯＮ１０のうちのいずれかまたはすべてが１チップに集積されていることが望ましい。

そこで本発明の実施の形態では、高周波電力増幅回路ＡＭＰ１１０、ＡＭＰ１２０、制御回路ＣＯＮ１０を１チップの集積回路ＡＭＰ１００で構成している。集積回路ＡＭＰ１００は、入力信号を増幅させる機能を持ち、小型化、高効率化を図るために、ＨＢＴ（ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ）構造を有する高周波モノリシックＧａＡｓ半導体集積回路で形成されている。

なお、ＨＢＴ高周波モノリシックＧａＡｓ半導体素子に代えて、Ｐ−ＨＥＭＴ(Pseudomorphic HEMT)構造を用いた集積回路ＡＭＰ１００を採用しても良い。また、ＧａＡｓに代えて、ＩｎＧａＰ（インジウムガリウム砒素）またはＳｉ（シリコン）等を半導体材料として用いてもよい。
また、集積回路ＡＭＰ１００に、自動電力制御器ＡＰＣ１０、方向性結合器ＣＯＰ１０、ＣＯＰ２０のいずれかまたはすべてを含めて１チップに集積するとさらなる小形化を図ることができる。

なお、自動電力増幅器ＡＰＣ１０は、高周波モジュールＲＦＭ１０の外部の電子部品として構成されていても良い。
さらに高周波モジュールＲＦＭ１０の小型化のため、スイッチ回路ＳＷ１１０、ＳＷ１２０、デコーダＤＥＣ１０のうちのいずれかまたはすべてが１チップに集積されていることが望ましい。

そこで本発明の実施の形態では、スイッチ回路ＳＷ１１０、ＳＷ１２０、デコーダＤＥＣ１０を１チップの集積回路ＳＷ１００で構成している。集積回路ＳＷ１００は、Ｊ−ＦＥＴ構造を有した高周波モノリシックＧａＡｓ半導体集積回路で形成されている。これにより小型化、低ロス化を図っている。
前記集積回路ＳＷ１００のスイッチ回路ＳＷ１１０、ＳＷ１２０は、ショットキー接合を利用した高周波ダイオードを用いているが、機械的スイッチ回路を採用してもよい。機械的スイッチ回路を採用しても、多層基板の上面に実装する部品であることに関しては半導体素子で構成されたスイッチ回路と同等であるため、本発明の高周波モジュールの特徴は損なわれない。特に、送信系とアンテナ端子間または送信系と受信系間に大きなアイソレーションが要求される場合は、機械的スイッチ回路を採用する方が望ましい。

なお、デコーダＤＥＣ１０は本実施例に示す高周波モジュールＲＦＭ１０の外部の電子部品として構成されていても良い。
図２は、分波回路ＤＩＰ１０の回路図である。分波回路ＤＩＰ１０は、ＤＣＳ／ＰＣＳ系、ＧＳＭ８５０／ＧＳＭ９００系の信号をそれぞれ通過させる２つの回路により構成される。

ＤＣＳ／ＰＣＳ系について説明すると、分波回路は、ローパスフィルタＬＰＦ２０とコンデンサＣＤ１、ＣＤ２およびインダクタＬＤ１で形成されている。ローパスフィルタＬＰＦ２０は、分布定数線路ＳＴＬＤ１と、分布定数線路ＳＴＬＤ１に平行に形成された分布容量コンデンサＣＤ１６と、その他のコンデンサとにより構成されている。このローパスフィルタＬＰＦ２０は、高周波電力増幅回路ＡＭＰ１１０が発生する高調波成分を低減させるとともに、分波回路ＤＩＰ１０のインピーダンスの微調整を行うという機能を有する。また、インダクタＬＤ１は分波回路機能を持つとともに、ＥＳＤ対策（過渡的な高電圧サージの減衰）回路としても機能するよう設計されている。

ＧＳＭ８５０／ＧＳＭ９００系も、ほぼ同様の回路構成であるが、コンデンサＣＤ１、ＣＤ２およびインダクタＬＤ１で形成されるハイパスフィルタに代えて、コンデンサＣＧ１およびインダクタＬＧ１，ＬＧ３で形成されるバンドパスフィルタを備えているところが相違している。これは、ＧＳＭ方式の周波数が、ＤＣＳ方式の周波数よりも低いからである。

図３は、方向性結合器ＣＯＰ１０の回路図である（ＣＯＰ２０も同じ回路なのでＣＯＰ１０のみ説明する）。方向性結合器ＣＯＰ１０は、分布定数線路ＳＴＬＤ２、結合線路ＳＴＬＤ３を備えている。結合線路ＳＴＬＤ３のスイッチ回路ＳＷ側の端には、終端抵抗ＲＤ２が接続されている。結合線路ＳＴＬＤ３は、結合線路ＳＴＬＤ２に近接することによって、容量結合、及び磁気結合を形成し、この結合により、高周波電力増幅回路ＡＭＰからの出力の一部を取り出してモニタレベルとして自動電力制御器ＡＰＣ１０に帰還させている。

図４は、整合回路ＭＡＴ１０の回路図である（ＭＡＴ２０も同じ回路なのでＭＡＴ１０のみ説明する）。整合回路ＭＡＴ１０は、分布定数線路ＳＴＬＤ４、分布型のコンデンサＣＤ４，５を備えている。これらの分布定数線路ＳＴＬＤ４、コンデンサＣＤ４，５によりローパスフィルタを構成している。このローパスフィルタは、高周波電力増幅回路ＡＭＰの出力インピーダンス（０．５〜２Ω程度）とカップラＣＯＰ１０の入力インピーダンス（３０〜５０Ω程度）とのインピーダンス整合を行うとともに、高周波電力増幅回路ＡＭＰから発生する高調波不要信号を低減するという機能を有する。

図５は、本発明に係る高周波モジュールＲＦＭ１０の一部切欠斜視図である。
図５に示すように、高周波モジュールＲＦＭ１０は、同一寸法形状の８層の誘電体層１１〜１８が積層された多層基板構造を有している。この多層基板の上面及び側面は樹脂１０，２１で被覆され、さらに図示しないが、多層基板の下面で当該多層基板の側面に近い部分には信号用端子パターンがＬＧＡ（ランドグリッドアレイ）方式の電極として形成されている。

最上層の誘電体層１１の上面には、各種のパターン、各種チップ部品のほか、集積回路ＳＷ１００を搭載した半導体チップ２３と、集積回路ＡＭＰ１００を搭載した半導体チップ２４とが載せられ、半田などで誘電体層１１上のパターンに接合されている。各種チップ部品のひとつとして、電源パスコン用のコンデンサ２２を図示している。なお、多層基板の裏面に半導体チップ２３，２４を載せるようにしてもよい。

集積回路ＳＷ１００，ＡＭＰ１００の下側には、分波回路ＤＩＰ１０、方向性結合器ＣＯＰ１０，２０及び整合回路ＭＡＴ１０，２０が、いずれか１枚又は複数枚の誘電体層１１〜１８上に導体パターン２５として形成されている。
具体的にいえば、分波回路ＤＩＰ１０、カップラＣＯＰ１０、ＣＯＰ２０、整合回路ＭＡＴ１０、ＭＡＴ２０を構成する、前述した分布定数線路、結合線路、分布型コンデンサ、抵抗などの導体パターン２５が誘電体層１１〜１８上に、それぞれ設けられている。

すなわち、分波回路ＤＩＰ１０の一部を構成するローパスフィルタＬＰＦ１０、２０が誘電体層間に内蔵され、カップラＣＯＰ１０（２０）を構成する分布定数線路ＳＴＬＤ２、結合線路ＳＴＬＤ３等が誘電体層間に導体パターンとして内蔵され、整合回路ＭＡＴ１０（２０）を構成する分布定数線路ＳＴＬＤ４等が、誘電体層間に導体パターン２５として内蔵されている。

これらの分布定数線路等を形成する導体パターンは、すべて誘電体層の同一層に設けられていてもよく、図５に示したように異なる層に分散されて形成されていてもよい。
そして、各誘電体層１１〜１８には複数の層にわたって回路を接続するために必要なビアホール導体が縦方向に形成されている。
それぞれの誘電体層１１〜１８は、例えば、ガラスエポキシ樹脂などの有機系誘電体基板に対して、銅箔などの導体によって導体パターンを形成し、積層して熱硬化したもの、又は、セラミック材料などの無機系誘電体層に種々の導体パターンを形成し、これらを積層後同時に焼成したものが用いられる。

特に、セラミック材料を用いれば、セラミック誘電体の比誘電率は通常９から２５と、樹脂基板に比べて高いので、誘電体層を薄くでき、誘電体層に内装された回路の素子のサイズを小さくでき、素子間距離も狭くすることができる。
とりわけ、ガラスセラミックスなどの低温で焼成が可能なセラミック材料を用いると、導体パターンを低抵抗の銅、銀などによって形成することができるので望ましい。また、ビアホール導体は誘電体層に形成した貫通孔にメッキ処理するか、導体ペーストを充填するかして形成される。

以上のように構成された高周波モジュールでは、高周波電力増幅回路、スイッチ回路といった能動素子を用いる回路は、集積回路化して、誘電体基板の表面又は裏面に搭載し、分波回路、カップラ、整合回路など受動素子で構成される回路は、誘電体基板の内部の各層に分散して形成することにより、高周波モジュールを高密度化、小型化できるとともに、各回路要素を同時設計することができるため、モジュールとして最適な特性調整を行なうことができる。

また、この高周波モジュールを携帯電話機などの無線通信装置に搭載することにより、安価、小型で高性能の無線通信装置を実現することができる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

本発明の高周波モジュールのブロック図である。 分波回路ＤＩＰ１０の回路図である。 方向性結合器ＣＯＰ１０の回路図である。 整合回路ＭＡＴ１０の回路図である。 本発明の高周波モジュールの一部切欠斜視図である。

符号の説明

１０ 樹脂
１１〜１８ 誘電体層
２１ 樹脂
２２ コンデンサ
２３，２４ 半導体チップ
２５ 導体パターン
ＡＭＰ１１０，１２０ 高周波電力増幅回路
ＡＭＰ１００ 集積回路
ＡＰＣ１０ 自動電力制御器
ＣＯＮ１０ 制御回路
ＣＯＰ１０，２０ 方向性結合器
ＤＥＣ１０ デコーダ
ＤＩＰ１０ 分波回路
ＭＡＴ１０，２０ 整合回路
ＲＦＭ１０ 高周波モジュール
ＳＷ１１０，１２０ スイッチ回路
ＳＷ１００ 集積回路

Claims (6)

1. アンテナ端子に接続され通過帯域の異なる複数の送受信系を各通過帯域ごとに分ける分波器と、
   分波器に接続され、前記各送受信系を送信系と受信系とに切り替える複数のスイッチ回路と、
   各スイッチ回路に接続され、送信通過帯域での送信信号を増幅する高周波増幅回路と、
   高周波増幅回路の出力から前記スイッチ回路までのインピーダンスマッチングをとるための整合回路とを備えた高周波モジュールであって、
   前記高周波増幅回路を構成する電力増幅素子を集積した第１の集積回路と、前記スイッチ回路を構成するスイッチング素子を集積した第２の集積回路とを、誘電体層と導体層が交互に積層されてなる多層基板の表面又は裏面にそれぞれ実装し、
   前記分波器及び前記整合回路を、前記多層基板内部の誘電体層に内装していることを特徴とする高周波モジュール。
2. 前記分波器及び前記整合回路を、前記第１の集積回路又は第２の集積回路が搭載された部分の下側に形成している請求項１記載の高周波モジュール。
3. 電力増幅素子の出力電力を自動制御する電力増幅用制御素子が、前記第１の集積回路内に形成され、前記高周波増幅回路の出力から前記スイッチ回路までの間に方向性結合器が挿入され、当該方向性結合器は、前記多層基板内部の誘電体層に内装されている請求項１又は請求項２記載の高周波モジュール。
4. 前記方向性結合器を、前記第１の集積回路又は第２の集積回路が搭載された部分の下側に形成している請求項３記載の高周波モジュール。
5. 前記多層基板が、セラミック誘電体層を含む多層セラミック基板である請求項１〜請求項４のいずれかに記載の高周波モジュール。
6. 前記請求項１〜請求項５のいずれかに記載の高周波モジュールを搭載する無線通信装置。

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