JP2007151123A - 複合積層モジュール及びこれを用いた通信機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】分波回路と、スイッチ回路と、ローパスフィルタとを有し、これらの回路を構成するLC回路と伝送線路の一部は誘電体層に電極パターンにより構成し、ダイオードは積層体上に配置したアンテナスイッチ積層モジュールと、トランジスタと電源供給回路と整合回路とを有し、これらの回路を構成する伝送線路及びLC回路の一部は誘電体層に電極パターンにより構成し、トランジスタは積層体上に配置した高周波増幅器積層モジュールと、増幅器とアンテナスイッチモジュールを繋ぐ位相調整回路を伝送線路あるいはLC回路で構成し、一部を誘電体層に電極パターンにより構成し、両者を積層体の誘電体層に設けたシールド電極あるいは縦列したスルーホール電極により2つの領域に分けて形成した。
【選択図】図1
Description
従来、複数のシステムに対応した小型軽量の高周波回路部品として、例えばEGSMとDCSの2つのシステムに対応した携帯通信機に用いられるデュアルバンド対応の高周波スイッチモジュールが特開平11−225088号公報に開示されている。また、EGSM、DCS、PCSの3つのシステムに対応した携帯通信機に用いられるトリプルバンド対応の高周波スイッチモジュールが特開2000−165288号公報で提案されている。
また、複数の誘電体層を積層してなる多層基板に高周波スイッチとアンプを構成する伝送線路やコンデンサを内蔵し、多層基板上にトランジスタ等を搭載してモジュール化することが特開平10−126307号公報に示されている。しかし、このものでは構想を示すだけで両者を一体化したときの現実的な問題点や手段は何ら開示されておらず実現困難なものであった。
さらに、ハイパワーアンプとこの出力電力をモニタするカプラを一体化した高周波用送信モジュールが特開2002−141827号公報に開示されている。しかしながら、このものはパワーアンプとカプラを積層モジュール化するに留まっていた。
例え実現したとしても大型のものでは意味がなく、例えば15mm×10mm×2mm以下のサイズが必要である。しかしながら、高周波回路モジュールの小型、高集積化を図ることは、すなわち、各内部回路間の密集度を上げることにつながり、各回路間のアイソレーションが十分とれなくなる。これにより、必然的に各線路間の電磁気的な結合による相互干渉、不要高調波の漏洩等が引き起こす高周波ノイズの飛びつきによる特性劣化が顕著になってくる。
これに関し特開平9−130045号公報では、異なる高周波回路間に相互干渉を防止するためのシールド壁を積層体の積層方向に形成すること、及びその製造方法が提案されている。
以上のことより、マルチバンド用アンテナスイッチモジュールと高周波増幅器を一つの積層体内に構成し、複数の回路間干渉を抑制することについての具体的かつ現実的な検討はなされていなかった。
ここで、上記シールド電極あるいは縦列したスルーホール電極はそれぞれグランド電極に接続されている。
また、シールド電極を設ける場合は、積層体の全ての誘電体層に設けることが望ましいが、少なくとも前記積層体の伝送線路を設けた誘電体層及び/又は当該誘電体層の上下何れかの層に設けることでも効果がある。
また、前記縦列したスルーホールの間隔は、前記複数の送受信系のうち干渉を防ぎたい最も高い周波数のλ/4以下とする必要がある。そして、このスルーホールの間隔をλ/10〜λ/50とすることが好ましい。
また、前記高周波増幅器積層モジュール側の出力整合回路の伝送線路と、前記アンテナスイッチ積層モジュール側のローパスフィルタのインダクタとは、上下異なる層で且つ積層方向に干渉しない位置に前記シールド電極を介して配置することは望ましいことである。
さらに本発明は、上記した複合積層モジュールを搭載した通信機である。
そして、複合積層体モジュールとしての強度や品質も安定し安価に提供することができ、これを用いた小型で高性能な通信機を提供することができる。
(B)2本のストリップラインの中間に帯状のシールド電極を設けると共に、縦列したスルーホール電極を設け、その間隔を変えたときのアイソレーション特性の変化をみた。その結果を図8に示す。
(C)2本のストリップラインの中間に配置する帯状のシールド電極を積層方向で置き方を変えた場合のアイソレーション特性の変化をみた。その結果を図9に示す。尚、横軸の0は帯状シールド電極が無い場合、1はストリップライン間にのみ帯状シールド電極を設けた場合、2は上下の層にも帯状シールド電極を設けた場合、3はストリップライン間と当該層から1層飛ばした上下の層に帯状シールド電極を設けた場合、4は全ての層に帯状シールド電極を設けた場合である。
(a)500MHz〜6GHzの全域(代表値として前記6点)において、アイソレーションが-30dB以上得られれば、実際の積層体においても回路間の相互干渉は十分に抑制できる。よって、縦列したスルーホール電極を設けること及びスルーホール間の間隔は短いほど効果的であることが図7より確認された。本例の場合特に良いのは1mm以下の間隔であったが、更に狭い間隔にすれば効果も向上すると考える。しかし、あまりに狭くしては製造上のコストアップ、構造的に強度劣化が生じる等のデメリットが発生する。その間隔としては平均して1mm前後であることが望ましい。例えばトリプルバンドアンテナスイッチのとき、最も高い周波数であるDCS送受信系の3倍波を狙いとすれば、5.4GHz(λ=55.6mm)付近の周波数帯であるから、この周波数の波長と誘電体による波長短縮効果を考慮すると、スルーホールのみの場合、λ/20以下で十分な効果が得られる。むろん抑制すべき狙いの周波数としては場合に応じてDCS/PCS系n(nは1以上の整数)倍波、GSM系n倍波等のどれに設定しても良い。上記例の場合、GSM系基本波〜3倍波、DCS/PCS系基本波〜2倍波の波長λはDCS系3倍波よりも長いため、DCS系3倍波を抑制すべき狙いの周波数とすれば、上記全ての周波数は網羅されることになる。このことは全点でアイソレーションが十分とれている図7の検討結果が支持している。また、更に、高周波側に設定する場合が考えられるが、この場合、波長が短くなるため、スルーホール間隔を狭く設定することになる。しかし、あまりスルーホールが近接すると、積層体密着部分が減少し構造的に脆くなるため、下記するようにシールド電極やグランド電極を介在させ、アイソレーション特性を向上させて、少なくともスルーホール径と同等以上の間隔は維持しなければならない。
(c)またシールド電極を設けることの効果は、図9からも確認された。シールド電極を設けない場合(横軸:0)はアイソレーションが悪いが、それ以外のシールド電極を設けた場合(横軸:1〜4)ではアイソレーション特性は向上している。ストリップラインの間のみに設けた場合(横軸:1)よりも、上下の層に設けた場合(横軸:2〜4)の方がより良い結果を得られている。従って、シールド電極は全層に設けることに越したことはないが、電極パターンの形成条件やスペースによっては該当層または上下層に設けること、及び中間層に形成されたグランド電極を適宜兼用するなどすることで抑制効果が効果的に得られる。再度、トリプルバンドアンテナスイッチを例にとれば、最小の効果であるストリップライン間のみにシールド電極を設けた場合でも、スルーホール間隔をDCS送受信系3倍波のλ/4以下に設定することによってアイソレーションを-30dB以下とすることが可能で、十分なシールド効果を得られる。
(1)領域を区分する縦列したスルーホール電極を積層方向に連続して設けることで十分シールドの働きをなし、限られたスペースでは有効であること。このときスルーホール電極間の間隔は調整する必要がある。
(2)次に、領域を区分する帯状のシールド電極を全ての誘電体層に設けることが効果的である。全てに設けられない場合は少なくとも伝送線路を設けた誘電体層に設けることが望ましく、伝送線路を設けた誘電体層の上下いずれかの層に追加すると良い。
(3)そして、帯状のシールド電極と縦列したスルーホール電極の両者を適宜設けることが最も望ましいこと。帯状のシールド電極として中間の層にあるグランド電極を兼用しても良いこと。
以上により、アンテナスイッチモジュールと高周波増幅器等の高周波部品を限られたサイズの中に相互干渉を抑制して積層モジュール化することができるものである。
第1のローパスフィルタLPF1は第1の高周波スイッチSW1の第1のダイオードD1と伝送線路L5の間に配置しているが、これはダイプレクサDipと第1の高周波スイッチSW1との間に配置しても良いし、前記伝送線路L5とEGSM Txとの間に配置しても良い。前記第1のローパスフィルタLPF1のグランドに接続する容量を伝送線路L5と並列に配置すれば、並列共振回路を構成することとなり、伝送線路L5の線路長をλ/4よりも短く構成でき、またチョークコイルのインダクタンス値を小さくすることが出来る。
第2のローパスフィルタLPF2も第1のローパスフィルタLPF1と同様に、ダイプレクサDipと第2の高周波スイッチSW2との間に配置しても良いし、前記伝送線路L7とDCS送信端子DCS Txとの間に配置しても良い。第1、第2のローパスフィルタLPF1、LPF2は、ダイオードD1と伝送線路L5との間、及びダイオードD3と伝送線路L7との間に構成されて、スイッチ回路の中に設けられている。これは回路設計上好ましいが必須ではない。ローパスフィルタは送信信号が通過するダイプレクサ〜送信端子との間の送信経路のどこかの位置に設けてあれば良い。
また、逆に位相調整回路のアンテナスイッチモジュール側からアンテナスイッチを見たときのインピーダンスZ3の位相θ3がθ0に対し時計回り方向にある場合は、狙いの位相領域θ2がθ3よりも最良位相θ0に近づくように、LC回路からなるハイパスフィルタを挿入するか、あるいは現在の伝送線路ASL1の長さを短くする方向に調節し、必要に応じてL5の長さ、幅、LPF送信端子側の並列Cの容量値等も調整して、θ3を反時計回り方向に移動させるのである。
このような位相調整回路及び調整手段をとることによって、必要な基本周波数帯域での挿入損失を最小に抑えると共に、不用なn倍周波数帯域、特に2倍周波数帯域での高調波減衰量を最大にすることが出来る。
本実施例で使用した誘電体グリーンシート(以下、グリーンシート或いはシートと言う。)は950℃以下の低温焼成が可能なLTCC材料からなる。例えば、Al2O3換算で10〜60質量%、SiO2換算で25〜60質量%、SrO換算で7.5〜50質量%、TiO2換算で20質量%以下のAl,Si,Sr,Tiと、Bi2O3換算で0.1〜10質量%、Na2O換算で0.1〜5質量%、K2O換算で0.1〜5質量%、CuO換算で0.01〜5質量%、MnO2換算で0.01〜5質量%のBi、Na、K、Cu、Mnをそれぞれ含有した誘電体組成物が用いられる。
このように縦列したスルーホール電極HGは間欠的に設けているので層間の密着強度が高まり強度が増すと言う効果も備えている。ここでスルーホールは必ずしも直線上に設ける必要は無く、例えば図1の7層目及びそれ以下の層で見られるように電極パターンの配置等を考慮し適宜ずらして設けてもよい。さらに、図5に示すように縦列したスルーホール電極HGL1とHGL2を並列に、かつ間隙を埋めるようにずらして設けることもできる。この場合、より高いシールド効果が期待できる。余裕があれば3列以上に並列して設けても良いことはもちろんである。
以上の複合積層モジュールは、シールド電極SG及び/又はグランド電極とスルーホール電極HGによるグランド遮蔽効果により両者高周波部品間のノイズ等の相互干渉が無くなり、高周波増幅器の発振等の不安定動作を防止できる。また必要信号(送信信号)と不要信号とのスプリアス発生を抑えることができ、通過特性の悪化を防止できる。さらに、高周波部品を一つの積層体の中に集約したのでその占有面積は、従来のパワーアンプとアンテナスイッチを別々に基板に実装した場合に比べて約50%の小型化が出来ており、携帯電話などの通信機に搭載することで小型軽量化のニーズに答えることが出来る。
本発明の複合積層モジュールでは、アンテナスイッチモジュールと高周波増幅器の間にカプラ回路やアイソレータ回路を備えても良く、受信系経路にはSAWフィルタを挿入しても良い。また、アンテナスイッチモジュール回路とカプラ回路を複合積層モジュールとしても良い。これらの高周波部品を複合積層モジュール化したときにも、高周波部品回路間に本発明によるシールド電極あるいは縦列したスルーホール電極を形成して相互干渉を抑制することが有効である。
HPA:ハイパワーアンプ
Dip:ダイプレクサ(分波器)
SW:スイッチ回路
LPF:ローパスフィルタ回路
SAW:弾性表面波フィルタ
L、SL、ASL:インダクタ、伝送線路
C、Ca:コンデンサ
Q1、Q2:半導体スイッチング素子
SG:シールド電極
HG:スルーホールによるシールド電極
S1、S2:ストリップライン
T:積層体
h:電極の無い部分
g:スルーホール間の間隔
Claims (10)
- 複数の誘電体層を積層してなる積層体に複数の高周波部品を備え、前記高周波部品の回路の一部は電極パターンと誘電体層とからなる積層体内に、前記電極パターンにより構成し、一部の回路は前記積層体上に配置して構成した複合積層モジュールであって、前記高周波部品の回路間の相互干渉を抑制するために、前記積層体の誘電体層にシールド電極あるいは縦列したスルーホール電極を形成したことを特徴とする複合積層モジュール。
- 通過帯域が異なる複数の送受信系に信号を分波する分波回路と、前記分波回路に接続され、前記各送受信系のそれぞれに送信系と受信系を切り替えるスイッチ回路を有し、前記スイッチ回路の各送信系にローパスフィルタを有し、前記分波回路はLC回路で構成され、前記スイッチ回路はスイッチング素子と伝送線路を主構成とし、前記ローパスフィルタはLC回路で構成され、前記分波回路のLC回路、前記ローパスフィルタのLC回路及び前記スイッチ回路の伝送線路の少なくとも一部は、電極パターンと誘電体層との積層体内に、前記電極パターンにより構成し、前記スイッチング素子は前記積層体上に配置して構成されたアンテナスイッチ積層モジュールと、
少なくとも半導体素子と電源供給回路と整合回路とを有し、前記電源供給回路と整合回路を構成する伝送線路及びLC回路の少なくとも一部は、電極パターンと誘電体層との前記積層体内に、前記電極パターンにより構成し、前記半導体素子は前記積層体上に配置して構成された高周波増幅器積層モジュールと、
前記高周波増幅器積層モジュールと前記アンテナスイッチ積層モジュールを繋ぐ位相調整回路を、伝送線路あるいはLC回路で構成し、この伝送線路あるいはLC回路の少なくとも一部は、電極パターンと誘電体層との前記積層体内に、前記電極パターンにより構成し、
前記アンテナスイッチ積層モジュールの領域と前記高周波増幅器積層モジュールの領域は、前記積層体の誘電体層に設けたシールド電極あるいは縦列したスルーホール電極を介して略2つの領域に分けて形成されていることを特徴とする複合積層モジュール。 - 前記シールド電極は、少なくとも前記積層体の伝送線路を設けた誘電体層及び/又は当該誘電体層の上下何れかの層に設けることを特徴とする請求項1又は2記載の複合積層モジュール。
- 前記縦列したスルーホール電極は、前記積層体の誘電体層に設けたシールド電極に繋がっており、かつ中間の誘電体層に設けたグランド電極とも繋がった箇所を有することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の複合積層モジュール。
- 前記縦列したスルーホールの間隔は、前記複数の送受信系のうち干渉を防ぎたい最も高い周波数のλ/4以下としたことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の複合積層モジュール。
- 前記縦列したスルーホールの間隔をλ/10〜λ/50としたことを特徴とする請求項5記載の複合積層モジュール。
- 前記積層体の上層に帯状のシールド電極を設け、以下の誘電体層には適宜複数のグランド電極を介在させ、前記シールド電極と前記グランド電極に繋がる縦列したスルーホール電極を設け、前記上層のシールド電極と下層のグランド電極間を前記スルーホール電極で接続して左右2つの領域をシールドすると共に、前記グランド電極で積層方向の領域もシールドすることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の複合積層モジュール。
- 前記縦列したスルーホール電極を、スルーホール間の間隙を埋めるようにずらして複数列設けたことを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の複合積層モジュール。
- 前記高周波増幅器積層モジュール側の出力整合回路の伝送線路と、前記アンテナスイッチ積層モジュール側のローパスフィルタのインダクタとは、上下異なる層で且つ積層方向に干渉しない位置に前記シールド電極を介して配置されていることを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の複合積層モジュール。
- 請求項1〜9の何れかに記載の複合積層モジュールを搭載したことを特徴とする通信機。
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