JP3694067B2 - Antenna switch with surface mount parts - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話、自動車電話等の無線機器、或いはその他各種通信機器等の分野において利用可能なアンテナスイッチに関し、特に、多層基板を使用し、SMD(表面実装部品)化したアンテナスイッチに関する。
【0002】
【従来の技術】
図7は従来例の説明図であり、一般的なアンテナ切り替え付きアンテナスイッチの回路を示した図である。図中C40〜C43、C50〜C53、C60〜C62はコンサデンサ、L40、L50、L60はコイル、DA1、DA2、DB1、DB2はPINダイオード、SL41、SL42はストリップライン、Vb1、Vb2はPINダイオードをON/OFFさせるバイアス電流の電源端子、TXは送信端子、RXは受信端子、ANT1は第1のアンテナに接続する端子であり、ANT2は第2のアンテナに接続する端子である。
【0003】
先ず基本的動作について送受信切り替え部を例に説明すると、上記のようなアンテナスイッチは電源端子Vb1 よりバイアス電流が入力されるとDA1及びDA2のPINダイオードがON状態となり、PINダイオードの両端は抵抗の非常に小さな導通状態になる。この時ストリップラインSL41のPINダイオードDA2が接続した側が接地状態となるため、その長さが送信端子TXから入力された信号の波長の1/4波長に設定されていればストリップラインSL41のPINダイオードDA1側端部ではストリップラインSL41の1/4波長共振のために入力インピーダンスが無限大になる。そのため、送信端子TXから入力された信号はPINダイオードD1を通過し、殆どがコンデンサC42側へ流れる。この時の送信端子TXから受信端子RXへの信号の漏れをアイソレーションと呼ぶ。一方、電源端子Vb1からのバイアス電流を切るとPINダイオードDA1及びDA2はOFF状態となり、PINダイオード両端の抵抗は無限大となる。この時送信端子TX側はPINダイオードDA1でコンデンサC42側と絶縁状態となるが、受信端子RX側は、PINダイオードDA2のOFFによりコンデンサC43とストリップラインSL41は導通状態となるためコンデンサC42側から入力した信号の殆どが受信端子RXへ流れる。
【0004】
一般に送信電力は受信電力に比べ非常に大きいため、アイソレーションは送信時の送信端子TX−受信端子RX間において重要であるが、受信時は余り重要視する必要はない。
【0005】
上記の動作はアンテナ切り替え部でも同様であるので説明を省く。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様な従来のものには次の様な課題があった。
(1) ストリップライン共振器を使用した上記のアンテナスイッチは使用する周波数に対して、その波長の1/4の長さのストリップライン共振器を形成する必要があり、更にアンテナ切り替え付きアンテナスイッチではそのストリップライン共振器が2個必要になるため、小型のSMD化した前記アンテナスイッチを設計する場合、小型化を困難にしている。
【0007】
(2) 多層基板内に部品を内蔵させて上記アンテナスイッチを設計する場合、できるだけ構成する素子点数を減らす必要がある。何故ならば、基板内に素子を内蔵させて設計を進めて行く上でパターン領域を確保し易く、また各素子の定数にいくつかの条件付けして試作を繰り返して目標特性への追い込みを行う上で、変化させる素子が多いことは設計を迅速に進める上で負担となる。しかしながら、図3の回路は計算機によるアンテナスイッチの特性の最適化により算出されるが、決して構成素子数が少ないとは言えない。
【0008】
(3) ストリップライン共振器を使用した上記のアンテナスイッチを多層基板で設計する場合、ストリップライン共振器を基板内に収納させる必要があり、通常GND(グランド)電極で挟まれたトリプレート型のストリップライン共振器にするが、その共振器のQ及びラインインピーダンスを確保するためにはGND電極とストリップラインの間の距離をある程度大きく設定する必要がある。そのため、基板として厚くなりやすい。このことは基板をセラミックで設計した場合、焼成時に脱バインダー性を悪くし、製造時の元基板から部品としての基板形状に個別分割する際困難を伴う。
【0009】
本発明は、2系統のスイッチ回路に対称性を持たせて構成素子の種類を少なくし、小型、薄型、低挿入損失で、十分なアイソレーションを持たせることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
図1、図2は本発明の原理説明図であり、図1のAは回路構成の図、図1のBは多層基板のパターン構成の例、図1のCはスイッチ回路の構成例の等価回路、図2のAはアンテナスイッチの断面図である。図中20は多層基板、22はGND電極パターン、21は外部接続電極、フィルタ段はローパスフィルタ(LPF)段としてX−YはLPF段の中央を通過する線、C10〜C13はコンデンサ、L10〜L12はコイル、D1、D2はPINダイオード、aは送信入力またはアンテナ2に接続する端子、cは受信側またはアンテナ1に接続する端子、eはコンデンサを介してLPF(ローパスフィルタ)段に接続する端子を示す。
【0011】
本発明は上記の目的を達成するため、次のように構成したものである。
【0012】
(1) :PINダイオードD1、D2に流す電流をオン/オフして信号の切り替えを行う第1のスイッチ回路と第2のスイッチ回路の少なくとも複数のスイッチ回路とフィルタ段を含む表面実装部品化したアンテナスイッチであって、前記回路及びフィルタ段を形成する受動素子のそれぞれ少なくとも一部がパターン形成された多層基板にPINダイオードD1、D2が搭載され、前記多層基板は、実装面から順にほぼ全面に形成された接地導体と対向する電極からなる接地コンデンサ部と、接地コンデンサ電極間の層間より距離が長い層間を持ち平面方向にパターン電極が形成されていないスペーサー部と、コイル電極パターン及びコンデンサ電極パターンが混在したコンデンサ及びコイル形成部からなる。
(2) :前記(1)の表面実装部品化したアンテナスイッチにおいて、前記多層基板を構成する誘電体はセラミック材料であって、前記多層基板の焼成後の厚みは1.5mm以下とする。
【0013】
(3) :前記(1)又は(2)の表面実装部品化したアンテナスイッチにおいて、前記コイルは前記多層基板の表面に形成されるPINダイオードD1、D2を搭載するための電極との重なりを避けて形成する。
(4) :前記(1)〜(3)の表面実装部品化したアンテナスイッチにおいて、前記2系統のスイッチ回路と前記フィルタ段の構成を第1のスイッチ回路の後段に前記フィルタ段を接続させ、その後段に前記第1のスイッチ回路と同一構成の第2のスイッチ回路を接続させる。
【0014】
(5) :前記(1)〜(4)の表面実装部品化したアンテナスイッチにおいて、前記第1のスイッチ回路と前記第2のスイッチ回路の多層基板の各層のパターニングは、前記フィルタ段に対して対称にする。
(6) :前記(1)〜(5)の表面実装部品化したアンテナスイッチにおいて、前記第1のスイッチ回路と前記第2のスイッチ回路は、制御電源端子Vbに近い第1のPINダイオードD1と、それに続く第2のPINダイオードD2との間に接続したインダクタンス素子L11を備え、前記制御電源端子Vbの制御電源により前記PINダイオードをオン/オフ制御して送受信の切り替えを行う構成とする。
【0015】
(7) :前記(6)の表面実装部品化したアンテナスイッチにおいて、前記インダクタンス素子L11に対し、インピーダンス補正用の容量素子C13を並列接続する。
【0016】
(作用)
本構成は上記のように構成したので、次のような作用がある。
アンテナ切り替え付きアンテナスイッチではLPF段が付加されると図7に示すように、構成素子数を減らす方向で回路を最適化してもかなりな種類の素子の構成となる。
【0017】
それは、殆どの携帯電話のシステムでは送信周波数と受信周波数を異なる周波数に設定している。そのためそのシステム下で送受信切り換えとアンテナ切り換えを行うアンテナスイッチを設計する場合、送受信切り換え部は送信帯及び受信帯のそれぞれの周波数に送信端側及び受信端側の特性を最適化するようにした方が良好な特性が得られる。一方、アンテナ切り換え側は送受両周波数帯に対して良好な設計にする必要がある。
【0018】
以上により送受信切り換え部の回路とアンテナ切り換え部の回路の構成素子の定数はそれぞれの特長がでるように設定されるべきだと考えていたため、図7に示すようなそれぞれ異なる定数の設定になりやすかった。
【0019】
そこで本発明では、構成素子の定数の種類を減らす構成について検討した。従来各スイッチ回路間のPINダイオードのバイアス電流をカットするために第1のスイッチ回路と第2のスイッチ回路の間の信号線路に直列にコンデンサを1個挿入し、更にLPF段を挿入していたが、LPF段の両側にコンデンサを信号線に直列に挿入することにより各スイッチ回路のそれぞれ対応する構成素子の定数を全く同一にして設計できることを見出した。
【0020】
これにより、従来の設計に比べ構成素子数は1個増加するが、構成素子の定数の種類は約半分になる。
更に多層基板を使って上記の構成でアンテナ切り替え付きアンテナスイッチを設計した場合、各スイッチ回路の構成及び、定数値が全く同一になるため、多層基板内でその同一性を活かした設計が可能となる。即ち、図1のBに示すようにLPF段を基板のほぼ中央付近( 多少基板の一方の端部に偏らせるが) に設定し、LPF段の中央を通過するX−Yの線について対称関係に各スイッチ回路の構成素子のパターニングすることが可能となる。
【0021】
これにより、目標特性の追い込みに関して各素子の条件設定が容易になると共に、パターン設計上の問題についても比較的解決し易くなる。即ち、問題のありそうな箇所にたいして従来は個々に対策をとっていたが、本発明では対称性を利用して同時にもう一箇所を対策することができるため、問題箇所の発見も行い易い構成になる。
【0022】
更に、各端子a、b、c、dの入力インピーダンスについても送信端子aとアンテナ2の接続端子b、及び受信端子cとアンテナ1の接続端子d同士はそれぞれ同一の入力インピーダンスになるため、各端子の入力インピーダンスが異なっていた従来の構成に比べ、特性評価自体もし易くなっている。
【0023】
一方、スイッチ回路については色々あるが図1のCに示す回路が適当と考える。ここでそれについて説明する。先ず、コイルは通常周波数に対して直線的にインピーダンスを増大させる。(Z=ωL Z:インピーダンス、ω:角周波数、L:コイルの持つインダクタンス)しかし、高周波帯ではコイル自身がもつ浮遊容量により周波数に対して非直線的にインピーダンスが増大し、自己共振に行き着く。そのため高周波帯ではコイルのもつ浮遊容量は無視できない。そのため本発明ではPINダイオードのD1とD2の間に挿入するコイルL11に対して予め浮遊容量分を含めるためにコンデンサC13を並列に付加して回路計算を行った。
【0024】
回路計算を行うに当たりPINダイオードの周波数特性は予めSパラメータとして実測し、その結果を図1のCの等価回路の伝送方程式に代入し、最適なコンデンサ及びコイルの定数を求めた結果、図1のCの等価回路で対象となる信号の通過帯(a−e、e−c端子間) で挿入損失を最小化し、PINダイオードのON時のa−c間のアイソレーションを20dB以上確保できる定数の組み合わせがあることがわかった。
【0025】
この時のコンデンサC13の容量値はコイルL11の浮遊容量よりはある程度大きな値となり、コイルL11とコンデンサC13の並列共振周波数は送信及び受信周波数付近の周波数にはならない。従って、ストリップライン共振器を使用した場合のような共振現象によってアイソレーションを発現しているのではないと考えられる。
【0026】
一方、ストリップライン共振器を使用せずにコンデンサとコイルの構成でアンテナスイッチを構成できるため、複数の誘電体シート上に受動素子をパターン形成し、それらを積層整形した多層基板に図1のCの等価回路を使ってアンテナスイッチを構成すればアンテナスイッチを小型化する上で好適である。
【0027】
図2のAに多層基板でアンテナスイッチを構成したときの概略の断面図を示してある。この図にあるように多層基板20は、積層方向で下側の層にGND電極パターン22がその層の表面の略全面に形成され、その上側の層に接地コンデンサの対向電極が形成され、それらにより接地コンデンサ部を形成するようにする。これによりアンテナスイッチを搭載するマザーボードからの電気的影響を受けにくい構成となる。
【0028】
更に、前記接地コンデンサ部の上側に殆どパターンが施されていないスペーサー部を設定し、そのスペーサー部の上側に前記接地コンデンサ以外のコンデンサ及びコイルを混在させてパターニングを行うコンデンサ及びコイル形成部を設定する。これにより、パターニングされたコンデンサ及びコイルはGNDに対する浮遊容量を低下させることができる。特に、コイルは積層方向で電極パターンが近くに存在するとQが劣化する傾向があり、それにより挿入損失の悪化や、アイソレーションの低下が起きるため、GNDから距離を置くと共に、基板表面の部品搭載用電極からもはずれた位置にパターニングしたほうが更に良好である。
【0029】
このような上記構成にすることにより、ストリップラインを基板に内蔵した設計に比べ基板内のスペースの利用度があがり、かつスペーサー部の厚みは、GND電極でストリップラインを挟むトリプレート型のストリップライン共振器で設定されるときのGND電極とストリップラインの間の距離程度のスペーサー部の厚みからアンテナスイッチの特性によっては設定できる。そのため、トリプレート型のストリップライン共振器を使ったアンテナスイッチの基板の厚みに比べれば、上記構成の基板の厚みは約半分に近い厚みでの設計が可能となる。
【0030】
従って、上記多層基板の構成によって小型化が可能で、基板厚みを従来の設計よりも薄く設計でき、しかも低挿入損失でかつ十分なアイソレーションを有するアンテナスイッチが可能となる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図3〜図6は本発明の実施例を示したものであり、図1、図2と同じものは同一符号で示してある。
【0032】
図3はアンテナスイッチの回路図である。図3において、C20A〜C24A及びC20B〜C24Bはコンデンサ、L20A〜L22A、及びL20B〜L22Bはコイル、D1A、D2A、D1B、D2BはPINダイオードである。コンデンサ及びコイルの符号において末尾のA、B以外が同一の符号の部品は同一定数に設定している。即ち、C20A=C20B及びL20A=L20B、・・・・を表す。また、LPF(ローパスフィルタ)段のC31及びC32はC31=C32の関係になっている。
【0033】
本実施例の回路は約1GHz付近で使用するアンテナスイッチであり、コイルL22A、L22Bが付加されているが、これはANT(アンテナ)1−RX、及びANAT2−RX間の挿入損失を改善するために付加されたものであり、その定数は数nH程度であったので上記周波数帯ではそれ自身がもつ浮遊容量をある程度無視しても計算上大きな影響がなかったためコイルL22A、L22Bはそのまま使用した。また、コンデンサC24A、C24Bの容量値は、コイルL22A、L22Bが有する浮遊容量を自己共振周波数の測定を予め行って算出しておき、その値の分だけ差し引いた容量値に設定した。
【0034】
図4はアンテナスイッチの分解斜視図(その1)、図5はアンテナスイッチの分解斜視図(その2)、図6のAはダイオードのパッケージ、図6のBはアンテナスイッチの完成品の図を示す。図6のBにおいて1AはTX端子( 送信端子) 、2A、2B、5A、5B、6A、6BはGND端子( 接地端子) 、3AはVb1端子( 送受信切り替え用バイアス電流端子) 、3BはVb2端子(アンテナ切り替え用バイアス電流端子)、1BはANT2端子(アンテナ2に接続する端子)、4BはANT1端子(アンテナ1に接続する端子) 、4AはRX端子( 受信端子) を示す。また、本実施例で使用したPINダイオードは図6のAに示すパッケージのSMD部品を用いている。従って、搭載部品用の電極501AにはPINダイオードD1Aのアノード、搭載部品用の電極502AにはPINダイオードD1Aのカソードが接続され、搭載部品用の電極503AにはPINダイオードD2Aのアノード、搭載部品用の電極504AにはPINダイオードD2Aのカソードが接続される。一方、搭載部品用の電極501BにはPINダイオードD1Bのアノード、搭載部品用の電極502BにはPINダイオードD1Bのカソードが接続され、搭載部品用の電極503BにはPINダイオードD2Bのアノード、搭載部品用の電極504BにはPINダイオードD2Bのカソードが接続される。
【0035】
図4の分解斜視図において、X−Yの線はその直交方向の基板の長さに対してほぼ中央を示す線である。各符号の末尾のA、Bの記載がある電極はX−Yの線に対して対称に配置された電極であることを示している。即ち、電極221Aと電極221B、420Aと420B、11Aと11B、・・・はX−Yの線に対して対称に配置されている。従って、Aの付いた導体パターン(送受信切り替え部)について説明すれば、そのまま符号をBに付け替えればBの付いた導体パターン(アンテナ切り替え部) について説明したことになるので、Aの付いた導体パターン(送受信切り替え部) について詳細に説明を行い、Bの付いた導体パターン(アンテナ切り替え部) については省略する。
【0036】
図4、図5の図中において、20−1〜20−8は多層基板20の第1層目〜第8層目( 誘電体層) を示す。先ず、電極211A及び電極212Aは第2層20−2を介して対向してコンデンサC21Aを形成し、電極211はスルーホール電極11Aにより搭載部品用の電極501Aに接続しPINダイオードD1Aのアノード側に接続する。一方、電極212Aは電極210Aにより多層基板端部に引き出され外部接続電極1Aに接続する。また電極211Aから延びた電極401Aはスルーホール電極15Aにより電極402Aに接続し、更にスルーホール電極22Aにより電極403Aに接続してコイルL20Aを形成している。このコイルL20Aは電極400Aにより多層基板端部に引き出され外部接続電極3Aに接続される。
【0037】
PINダイオードD1Aのカソードに接続するコンデンサC22Aは電極221A及び電極222Aが第2層20−2を介して対向して形成されるが、搭載部品用の電極502Aからスルーホール電極12Aを介して電極221Aに接続している。更に、スルーホール電極12Aは第3層20−3に到達し、電極412Aに接続し、電極412Aに接続したスルーホール電極20Aにより第4層20−4上の電極413Aにいたる。この電極413Aはスルーホール電極21AによりコンデンサC24Aの一方の電極242Aに接続する。また、前記した電極412Aは第3層20−3上で接続しているスルーホール電極16Aにより第2層20−2上の電極411Aに接続して電極411A、16A、412AによりコイルL21Aを構成している。このコイルL21Aの電極41AはコンデンサC24Aの他方の電極241Aに電極231Aを経由して接続している。コンデンサC24Aは電極242Aと電極241Aが第2層20−2を介して対向して形成しており、この構成によりL21AとC24Aは並列関係で接続されことになる。
【0038】
また、411Aに接続した電極231Aは第2層20−2を介して対向する電極232AとによりコンデンサC23Aを形成している。更に電極231Aはスルーホール電極13Aにより基板表面の部品搭載用電極503A(部品の陰で図中では見えない) に接続し、部品搭載用電極503AはPINダイオードD2APINダイオードD2Aのアノードに接続している。コンデンサC23Aの一方の電極232Aは電極422Aに接続し、電極422Aはスルーホール電極17Aにより第2層20−2上の電極421Aに接続することによりコイルL22Aを形成している。このコイルL22Aは電極420Aにより多層基板端部に引き出され外部接続電極4Aに接続する。また、PINダイオードD2Aのカソード側は、部品搭載用電極504Aに接続され、スルーホール電極14Aを介して第2層20−2上の電極300Aに接続されこれにより多層基板端部に引き出され外部接続電極6AのGND端子に接続する。
【0039】
第4層20−4及び第5層20−5、第6層20−6の誘電層はスペーサー部として使用される。第7層の電極201Aは接地コンデンサC20AのGND(グランド)ではない側の電極であり第7層20−7を介して対向するGND(グランド)電極22より接地コンデンサC20Aを形成する。接地コンデンサC20Aの電極201Aは電極200Aにより多層基板端部に引き出され外部接続電極3Aに接続される。
【0040】
第8層20−8は誘電体表面の略全面にGND電極を形成している。このGND電極22電極22−1A、22−2A、22−3Aにより多層基板端部に引き出されそれぞれ外部接続電極2A、6A、5AのGND端子に接続する。
【0041】
以上がAの付いた導体パターン( 送受信切り替え部) についての説明である。
次にLPF段について説明する。LPF段は送受信切り換え部のコンデンサCC22Aの一方の電極222Aが入出力部となる。第3層20−3上の電極222Aは電極312に接続し、電極312は第2層20−2を介して対向する第2層20−2上の電極311とコンデンサC31を形成する。コンデンサC31は電極311側が電極300Aに接続して多層基板端部に導出され外部接続電極6AのGND端子に接続する。
【0042】
また、第3層20−3上の電極312は電極602に接続し、この電極602はスルーホール電極18に接続して第2層20−2上の電極601に接続する。これらの電極602、18、601によりコイルL30が構成される。またこのコイルL30の両端は第3層20−3上の電極602で電極302に、また第2層20−2上の電極601で電極301にそれぞれ接続し、前記電極302と301は第2層20−2を介して対向してコンデンサC30を形成する。これによりコンデンサC30とコイルL30は並列接続される形態をとっている。
【0043】
更に第2層上の電極601はスルーホール電極19によって第3層20−3上の電極322に接続する。この電極322は第2層20−2を介して対向する第2層20−2上の電極321とコンデンサC32を構成する。このコンデンサC32は第2層20−2上の一方の電極321が電極300Bにより多層基板端部に導出され、外部接続電極6BのGND電極に接続する。そして、前記電極322はアンテナ切り換え回路側入出力部となるコンデンサC22Bの一方の電極222Bに接続する。以上がLPF段のパターン構成である。
【0044】
本実施例においては第2層、第3層、及び第4層の表面がコンデンサ及びコイルの形成部、第4の誘電層及び第5、第6層がスペーサー部、第7層と第8層の表面が接地コンデンサ部となっている。コンデンサ及びコイルの形成部において特にコイルのパターニングについては基板表面の搭載部用電極(501A、502A、503A、504A、501B、502B、503B、504B)に重なる部分をできるだけ避けてパターニングしたほうがコイルのQを劣化させないですむ。また、基板内に形成される複数のコイル同士は近づき過ぎると迷結合を起こしやすいため、できるだけ離すか、コイルとコイルの間に積極的にコンデンサを形成させて迷結合を起こりづらくさせてやる必要がある。特に、コイルとコイルの間にコンデンサを形成する方法はコイル同士のシールディング効果をつくり、且つ狭い領域を有効活用する上で非常に有効な方法である。
【0045】
スペーサー部は厚くする程、接地しないコンデンサやコイルにとっては特性的に良好であるが、例えば、本構成をセラミックで行った場合、焼成時の脱バインダー性、及び製造時に部品としての基板形状にするために元基板から個別分割する方法が問題になる。従って、目安として全体の基板厚みが約1.5mm程度以下の厚み(セラミックの場合は焼成後の基板厚み) になるようにスペーサー部の厚みを調整する。
【0046】
また、フィルタ段の回路についても、フィルタ段の入出力部において、対称構成の回路にした方が良い。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば次のような効果がある。
(1) 多層基板内の構成素子の種類が従来の約半分になるため、目標特性の追い込みにおいて素子定数の条件の組み合わせを少なくできるので開発を迅速に進めることが可能となる。
【0048】
(2) 多層基板内の構成素子のパターニングが対称性を活かした設定となるためパターニング上の問題点の発見及び対策が行い易くなる。
(3) 各端子の入力インピーダンスについても従来は各端子の入力インピーダンスは異なっていたが、回路の対称性により、各端子の内2つの端子は同一入力インピーダンスになるため、特性評価も行い易くなる。
【0049】
(4) ストリップラインを使用しない分アンテナスイッチを小型に設計できる。
(5) セラミックの多層基板を使った場合、基板厚みを薄く設計できるため焼成時の脱バインダー性を良好にし、製造時に元基板からの部品としての基板形状に個別分割を容易に行うことができる。
【0050】
(6) 多層基板を使い、基板厚みを薄くした形状の下でも低挿入損失で、十分なアイソレーションをもつアンテナスイッチが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図(その1)である。
【図2】本発明の原理説明図(その2)である。
【図3】実施例におけるアンテナスイッチの回路図である。
【図4】実施例におけるアンテナスイッチの分解斜視図(その1)である。
【図5】実施例におけるアンテナスイッチの分解斜視図(その2)である。
【図6】Aはダイオードのパッケージ、Bはアンテナスイッチの完成品の図である。
【図7】従来例の説明図である。
【符号の説明】
20 多層基板
21 外部接続用電極
22 GND電極
ANT1 アンテナ1に接続する端子
ANT2 アンテナ2に接続する端子
TX 送信端子
RX 受信端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an antenna switch that can be used in the field of wireless devices such as mobile phones and automobile phones, or other various communication devices, and more particularly to an antenna switch that uses a multilayer substrate and is made into an SMD (surface mount component).
[0002]
[Prior art]
FIG. 7 is an explanatory diagram of a conventional example, and shows a circuit of a general antenna switch with antenna switching. In the figure, C40 to C43, C50 to C53 and C60 to C62 are capacitors, L40, L50 and L60 are coils, DA1, DA2, DB1 and DB2 are PIN diodes, SL41 and SL42 are striplines, Vb1 and Vb2 are PIN diodes. A power supply terminal for bias current to be turned off / off, TX is a transmission terminal, RX is a reception terminal, ANT1 is a terminal connected to the first antenna, and ANT2 is a terminal connected to the second antenna.
[0003]
First, the basic operation will be described by taking the transmission / reception switching unit as an example. In the antenna switch as described above, when a bias current is input from the power supply terminal Vb1, the PIN diodes of DA1 and DA2 are turned on, and both ends of the PIN diode are resistances. Very small conductive state. At this time, since the side of the strip line SL41 to which the PIN diode DA2 is connected is grounded, if the length is set to ¼ wavelength of the signal input from the transmission terminal TX, the PIN diode of the strip line SL41 At the DA1 side end, the input impedance becomes infinite due to the 1/4 wavelength resonance of the stripline SL41. Therefore, the signal input from the transmission terminal TX passes through the PIN diode D1, and almost flows to the capacitor C42 side. Signal leakage from the transmission terminal TX to the reception terminal RX at this time is called isolation. On the other hand, when the bias current from the power supply terminal Vb1 is cut off, the PIN diodes DA1 and DA2 are turned off, and the resistances at both ends of the PIN diode become infinite. At this time, the transmission terminal TX side is insulated from the capacitor C42 side by the PIN diode DA1, but the reception terminal RX side is input from the capacitor C42 side because the capacitor C43 and the stripline SL41 are in a conductive state by turning off the PIN diode DA2. Most of the received signals flow to the receiving terminal RX.
[0004]
In general, since transmission power is much larger than reception power, isolation is important between the transmission terminal TX and the reception terminal RX at the time of transmission, but it is not necessary to place much importance on reception.
[0005]
Since the above operation is the same in the antenna switching unit, the description is omitted.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional ones as described above have the following problems.
(1) The above antenna switch using a stripline resonator needs to form a stripline resonator having a length that is ¼ of the wavelength for the frequency to be used. Since two stripline resonators are required, it is difficult to reduce the size when designing a small SMD antenna switch.
[0007]
(2) When designing the antenna switch by incorporating components in a multilayer board, it is necessary to reduce the number of constituent elements as much as possible. This is because it is easy to secure the pattern area when the design is advanced with the element built in the board, and the trial characteristics are repeated by making several conditions on the constants of each element and driving to the target characteristics. Thus, the large number of elements to be changed is a burden for advancing the design quickly. However, although the circuit of FIG. 3 is calculated by optimizing the characteristics of the antenna switch by a computer, it cannot be said that the number of constituent elements is small.
[0008]
(3) When the above antenna switch using a stripline resonator is designed with a multilayer substrate, the stripline resonator needs to be housed in the substrate and is usually a triplate type sandwiched between GND (ground) electrodes. Although a stripline resonator is used, in order to ensure the Q and line impedance of the resonator, it is necessary to set the distance between the GND electrode and the stripline large to some extent. Therefore, it tends to be thick as a substrate. This means that when the substrate is designed with ceramic, the debinding property is deteriorated at the time of firing, and it is difficult to individually divide the original substrate at the time of manufacture into a substrate shape as a component.
[0009]
It is an object of the present invention to provide two systems of switch circuits with symmetry so as to reduce the types of constituent elements, and to achieve sufficient isolation with a small size, a thin shape, low insertion loss.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
1 and FIG. 2 are diagrams for explaining the principle of the present invention. FIG. 1A is a circuit configuration diagram, FIG. 1B is an example of a multilayer substrate pattern configuration, and FIG. 1C is an equivalent of a switch circuit configuration example. The circuit, A in FIG. 2, is a cross-sectional view of the antenna switch. In the figure, 20 is a multilayer substrate, 22 is a GND electrode pattern, 21 is an external connection electrode, the filter stage is a low-pass filter (LPF) stage, XY is a line passing through the center of the LPF stage, C10 to C13 are capacitors, L10 L12 is a coil, D1 and D2 are PIN diodes, a is a terminal connected to the transmission input or the
[0011]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
[0012]
(1) : A surface mount component including at least a plurality of switch circuits and a filter stage of a first switch circuit and a second switch circuit for switching a signal by turning on / off a current flowing through the PIN diodes D1 and D2. PIN diodes D1 and D2 are mounted on a multilayer substrate, which is an antenna switch, and at least a part of each of the passive elements forming the circuit and the filter stage is patterned. A grounding capacitor portion composed of an electrode opposed to the formed grounding conductor, a spacer portion having a layer whose distance is longer than that between the grounding capacitor electrodes and having no pattern electrode formed in a plane direction, a coil electrode pattern and a capacitor electrode pattern Consists of a capacitor and a coil forming part.
(2) In the antenna switch formed as a surface mount component according to ( 1 ) above, the dielectric material constituting the multilayer substrate is a ceramic material, and the thickness of the multilayer substrate after firing is 1.5 mm or less.
[0013]
(3) In the antenna switch formed as a surface mount component according to ( 1 ) or ( 2 ), the coil avoids overlapping with electrodes for mounting PIN diodes D1 and D2 formed on the surface of the multilayer substrate. Form.
(4) : In the antenna switch formed as a surface mount component according to ( 1 ) to ( 3 ), the two stages of the switch circuit and the filter stage are connected to the filter stage after the first switch circuit, A second switch circuit having the same configuration as that of the first switch circuit is connected to the subsequent stage.
[0014]
(5) In the antenna switch formed as a surface mount component according to (1) to ( 4 ) above, the patterning of each layer of the multilayer substrate of the first switch circuit and the second switch circuit is performed on the filter stage. Make symmetrical.
(6) : In the antenna switch formed as a surface mount component according to (1) to ( 5 ), the first switch circuit and the second switch circuit include a first PIN diode D1 close to the control power supply terminal Vb. An inductance element L11 connected between the second PIN diode D2 and the second PIN diode D2 is provided, and the PIN diode is turned on / off by the control power supply of the control power supply terminal Vb to switch between transmission and reception.
[0015]
(7) : In the antenna switch formed as a surface-mount component according to ( 6 ), an impedance correcting capacitive element C13 is connected in parallel to the inductance element L11.
[0016]
(Function)
Since this configuration is configured as described above, it has the following effects.
In the antenna switch with antenna switching, when an LPF stage is added, as shown in FIG. 7, even if the circuit is optimized in the direction of reducing the number of constituent elements, a considerable number of elements are configured.
[0017]
In most cellular phone systems, the transmission frequency and the reception frequency are set to different frequencies. Therefore, when designing an antenna switch that performs transmission / reception switching and antenna switching under the system, the transmission / reception switching unit should optimize the characteristics of the transmitting end side and the receiving end side to the respective frequencies of the transmission band and the reception band. Good characteristics can be obtained. On the other hand, the antenna switching side needs to be designed well for both transmission and reception frequency bands.
[0018]
Based on the above, it was thought that the constants of the constituent elements of the transmission / reception switching unit circuit and the antenna switching unit circuit should be set so that their respective features can be obtained. Therefore, different constants as shown in FIG. 7 are likely to be set. It was.
[0019]
Therefore, in the present invention, a configuration for reducing the types of constants of the constituent elements has been studied. Conventionally, in order to cut the bias current of the PIN diode between the switch circuits, one capacitor is inserted in series in the signal line between the first switch circuit and the second switch circuit, and an LPF stage is further inserted. However, it has been found that the constants of the corresponding constituent elements of each switch circuit can be designed to be exactly the same by inserting capacitors on both sides of the LPF stage in series with the signal line.
[0020]
As a result, the number of constituent elements is increased by one compared to the conventional design, but the number of types of constituent elements is reduced to about half.
Furthermore, when designing an antenna switch with antenna switching with the above configuration using a multilayer substrate, the configuration and constant values of each switch circuit are exactly the same, so it is possible to design utilizing the sameness within the multilayer substrate Become. That is, as shown in FIG. 1B, the LPF stage is set near the center of the substrate (although slightly biased to one end of the substrate), and the XY line passing through the center of the LPF stage is symmetrical. In addition, it is possible to pattern the constituent elements of each switch circuit.
[0021]
As a result, it becomes easier to set the conditions of each element with respect to the pursuit of the target characteristic, and it becomes relatively easy to solve the problem in the pattern design. That is, conventionally, countermeasures have been taken individually for places where problems are likely to occur.However, in the present invention, another place can be taken simultaneously by using symmetry, so that it is easy to find the problematic places. Become.
[0022]
Further, as for the input impedance of each terminal a, b, c, d, since the transmission terminal a and the connection terminal b of the
[0023]
On the other hand, although there are various switch circuits, the circuit shown in FIG. This will be described here. First, the coil increases its impedance linearly with respect to the normal frequency. (Z = ωL Z: impedance, ω: angular frequency, L: inductance of the coil) However, in the high frequency band, the impedance increases nonlinearly with respect to the frequency due to the stray capacitance of the coil itself, resulting in self-resonance. Therefore, the stray capacitance of the coil cannot be ignored in the high frequency band. Therefore, in the present invention, the circuit calculation is performed by adding a capacitor C13 in parallel to the coil L11 inserted between the PIN diodes D1 and D2 in order to include the stray capacitance.
[0024]
In performing the circuit calculation, the frequency characteristic of the PIN diode is measured in advance as an S parameter, and the result is substituted into the transmission equation of the equivalent circuit of C in FIG. 1, and the optimum capacitor and coil constants are obtained. A constant that can minimize the insertion loss in the signal passband (between ae and ec terminals) in the equivalent circuit of C, and ensure isolation between a and c when the PIN diode is ON is 20 dB or more. I found that there was a combination.
[0025]
At this time, the capacitance value of the capacitor C13 is somewhat larger than the stray capacitance of the coil L11, and the parallel resonance frequency of the coil L11 and the capacitor C13 does not become a frequency near the transmission and reception frequencies. Therefore, it is considered that the isolation is not expressed by a resonance phenomenon as in the case of using a stripline resonator.
[0026]
On the other hand, since an antenna switch can be configured with a capacitor and a coil without using a stripline resonator, a passive element is patterned on a plurality of dielectric sheets, and a multilayer substrate obtained by laminating them is formed as shown in FIG. If the antenna switch is configured using the equivalent circuit, it is preferable to reduce the size of the antenna switch.
[0027]
FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view when an antenna switch is configured with a multilayer substrate. As shown in this figure, the
[0028]
Furthermore, a spacer part with almost no pattern is set on the upper side of the grounding capacitor part, and a capacitor and a coil forming part for patterning by mixing capacitors and coils other than the grounding capacitor are set on the upper side of the spacer part. To do. Thereby, the patterned capacitor | condenser and coil can reduce the stray capacitance with respect to GND. In particular, the coil tends to deteriorate if the electrode pattern is close to the coil in the stacking direction. This causes deterioration of insertion loss and reduction of isolation. It is even better to perform patterning at a position deviated from the electrode for use.
[0029]
With such a configuration, the space utilization in the substrate is increased as compared with the design in which the strip line is built in the substrate, and the thickness of the spacer portion is a triplate type strip line in which the strip line is sandwiched between the GND electrodes. It can be set depending on the characteristics of the antenna switch from the thickness of the spacer portion, which is about the distance between the GND electrode and the strip line when set by the resonator. Therefore, compared to the thickness of the substrate of the antenna switch using the triplate type stripline resonator, the thickness of the substrate having the above configuration can be designed to be approximately half the thickness.
[0030]
Therefore, it is possible to reduce the size by the configuration of the multilayer substrate, and it is possible to design an antenna switch having a substrate thickness thinner than that of the conventional design and having a low insertion loss and sufficient isolation.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
3 to 6 show an embodiment of the present invention, and the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
[0032]
FIG. 3 is a circuit diagram of the antenna switch. In FIG. 3, C20A to C24A and C20B to C24B are capacitors, L20A to L22A, and L20B to L22B are coils, and D1A, D2A, D1B, and D2B are PIN diodes. Components having the same reference numerals other than A and B at the end of the capacitor and coil are set to the same constant. That is, C20A = C20B and L20A = L20B,. Further, C31 and C32 in the LPF (low-pass filter) stage have a relationship of C31 = C32.
[0033]
The circuit of this embodiment is an antenna switch used in the vicinity of about 1 GHz, and coils L22A and L22B are added to improve the insertion loss between ANT (antenna) 1-RX and ANAT2-RX. Since the constant was about several nH, the coil L22A and L22B were used as they were because there was no significant influence on calculation even if the stray capacitance of the frequency band was ignored to some extent in the frequency band. Further, the capacitance values of the capacitors C24A and C24B were calculated by previously measuring the stray capacitance of the coils L22A and L22B by measuring the self-resonance frequency, and set the capacitance value by subtracting that value.
[0034]
4 is an exploded perspective view of the antenna switch (part 1), FIG. 5 is an exploded perspective view of the antenna switch (part 2), FIG. 6A is a diode package, and FIG. 6B is a completed antenna switch. Show. In FIG. 6B, 1A is a TX terminal (transmission terminal), 2A, 2B, 5A, 5B, 6A, 6B are GND terminals (grounding terminals), 3A is a Vb1 terminal (transmission / reception switching bias current terminal), and 3B is a Vb2 terminal. (Antenna switching bias current terminal) 1B is an ANT2 terminal (terminal connected to the antenna 2), 4B is an ANT1 terminal (terminal connected to the antenna 1), and 4A is an RX terminal (receiving terminal). In addition, the PIN diode used in this example uses the SMD component of the package shown in FIG. Therefore, the anode of the PIN diode D1A is connected to the
[0035]
In the exploded perspective view of FIG. 4, the line XY is a line that substantially indicates the center with respect to the length of the substrate in the orthogonal direction. The electrode having the description of A and B at the end of each symbol indicates that the electrode is arranged symmetrically with respect to the XY line. That is, the
[0036]
4 and 5, reference numerals 20-1 to 20-8 denote the first to eighth layers (dielectric layers) of the
[0037]
The capacitor C22A connected to the cathode of the PIN diode D1A is formed such that the
[0038]
Further, the
[0039]
The dielectric layers of the fourth layer 20-4, the fifth layer 20-5, and the sixth layer 20-6 are used as a spacer portion. The
[0040]
The eighth layer 20-8 has a GND electrode formed on substantially the entire surface of the dielectric. These
[0041]
This completes the description of the conductor pattern with A (transmission / reception switching unit).
Next, the LPF stage will be described. In the LPF stage, one
[0042]
The
[0043]
Furthermore, the
[0044]
In this embodiment, the surfaces of the second layer, the third layer, and the fourth layer are the capacitor and coil forming portions, the fourth dielectric layer and the fifth and sixth layers are the spacer portions, and the seventh and eighth layers. The surface is a grounding capacitor. Regarding the patterning of the coil, particularly in the capacitor and coil forming part, it is better to pattern the coil by avoiding the part overlapping the mounting part electrodes (501A, 502A, 503A, 504A, 501B, 502B, 503B, 504B) on the substrate surface as much as possible. Does not deteriorate. Also, multiple coils formed on the substrate are prone to stray coupling if they are too close to each other, so it is necessary to separate them as much as possible or to form a capacitor between the coils to make stray coupling difficult to occur. There is. In particular, the method of forming a capacitor between coils is a very effective method for producing a shielding effect between coils and effectively utilizing a narrow area.
[0045]
The thicker the spacer, the better the characteristics for capacitors and coils that are not grounded.For example, when this configuration is made of ceramic, it has a debinding property during firing and a substrate shape as a component during manufacturing. Therefore, a method of dividing the original substrate separately is a problem. Therefore, as a guideline, the thickness of the spacer portion is adjusted so that the entire substrate thickness is about 1.5 mm or less (in the case of ceramic, the thickness of the substrate after firing).
[0046]
In addition, the circuit of the filter stage is preferably a symmetrical circuit in the input / output section of the filter stage.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has the following effects.
(1) Since the number of component elements in the multilayer substrate is about half that of the conventional one, the number of combinations of element constant conditions can be reduced in pursuing the target characteristics, so that development can be promoted quickly.
[0048]
(2) Since the patterning of the constituent elements in the multilayer substrate is set taking advantage of symmetry, it becomes easy to find and take measures against patterning problems.
(3) Regarding the input impedance of each terminal, the input impedance of each terminal was different in the past, but due to the symmetry of the circuit, two of the terminals have the same input impedance, making it easier to evaluate the characteristics. .
[0049]
(4) the amount antenna switch that does not use a strip line can be designed compact.
(5) When a ceramic multilayer substrate is used, the substrate thickness can be designed to be thin, so that the binder removal property during firing is good, and individual division can be easily performed into the substrate shape as a component from the original substrate during manufacturing. .
[0050]
(6) An antenna switch with sufficient isolation can be obtained with a low insertion loss even when a multilayer board is used and the board thickness is reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention (part 1);
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the present invention (part 2);
FIG. 3 is a circuit diagram of an antenna switch in the embodiment.
FIG. 4 is an exploded perspective view (No. 1) of the antenna switch in the embodiment.
FIG. 5 is an exploded perspective view (No. 2) of the antenna switch in the embodiment.
6A is a diagram of a diode package, and B is a diagram of a completed antenna switch. FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a conventional example.
[Explanation of symbols]
20
Claims (7)
前記回路及びフィルタ段を形成する受動素子のそれぞれ少なくとも一部がパターン形成された多層基板にPINダイオードが搭載され、
前記多層基板は、実装面から順にほぼ全面に形成された接地導体と対向する電極からなる接地コンデンサ部と、
接地コンデンサ電極間の層間より距離が長い層間を持ち平面方向にパターン電極が形成されていないスペーサー部と、
コイル電極パターン及びコンデンサ電極パターンが混在したコンデンサ及びコイル形成部からなることを特徴とする
表面実装部品化したアンテナスイッチ。An antenna switch that is a surface-mount component including at least a plurality of switch circuits of a first switch circuit and a second switch circuit that switch a signal by turning on / off a current flowing through a PIN diode and a filter stage,
A PIN diode is mounted on a multilayer substrate in which at least a part of each of the passive elements forming the circuit and the filter stage is patterned,
The multilayer substrate comprises a grounding capacitor portion composed of an electrode facing a grounding conductor formed on almost the entire surface in order from the mounting surface;
A spacer part having a layer whose distance is longer than that between the grounded capacitor electrodes and having no pattern electrode formed in the plane direction;
An antenna switch formed as a surface mount component, comprising a capacitor and a coil forming portion in which a coil electrode pattern and a capacitor electrode pattern are mixed.
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