JP4105122B2 - 高周波モジュール - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムで用いられる携帯電話機や携帯端末などの無線機に係り、特に、ダイレクトコンバージョン方式を用いた無線機の高周波モジュールに関する。

近年の移動通信の発展に伴い、携帯電話機および携帯端末の小型化、軽量化、低価格化に対する要求が強まってきている。
このような携帯電話機および携帯端末では、送受信部共に無線部の小型化、軽量化、低価格化が重要な課題である。

この送受信無線部の小型化の実現方法として、超小型の回路部品を高密度実装する方法と、大型部品を使用しないで済む送受信方式を使用する方法の２通りの方法がある。
前者は、超小型部品が一般に価格の点で通常部品よりも高額になるため、無線部の低価格化にはつながらない。従って、価格を考慮すると、後者の大型部品を使用せずに済む方式を使用することが望ましい。ダイレクトコンバージョン送受信方式は、従来より広く使用されていたスーパーヘテロダイン送受信方式より部品点数を少なく、集積回路（ＩＣ）化が可能であるため、小型化、低価格化を実現できる送受信方式の一つである。

以下にダイレクトコンバージョン送受信方式について説明する。
ダイレクトコンバージョン送受信方式は、受信部においては受信した高周波（ＲＦ）信号を、これと同じ周波数を持つローカル信号発振器信号によってミキシングし、直接ベースバンドに周波数変換して検波を行う受信方式である。送信部においては、受信部と逆にベースバンド信号をローカル信号発振器信号によってミキシング（変調）したＲＦ信号に周波数変換された後、アンテナに供給され、アンテナによって送信される。

図１にダイレクトコンバージョン送受信方式を用いた高周波モジュールの構成例を示す。
ダイレクトコンバージョン方式を用いた高周波モジュールの受信部（ＲＸ）１０は、アンテナ１より受信されたＲＦ信号はＲＦ入力端子１ａに入力される。アンテナ切換えスイッチ（ＡＮＴ／ＳＷ）２により受信機（ＲＸ）側に切り換えらて受信したＲＦ信号は、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）３を介して、低雑音増幅器（ＬＮＡ）４により所定レベルまで増幅された後、直交復調器を構成するミキサ５ａ，５ｂに入力される。

ミキサ５ａ，５ｂでは、ローカル信号発振器（ＶＣＯ）１１からのローカル信号１３によって、低雑音増幅器（ＬＮＡ）４からのＲＦ信号が周波数変換（ダウンコンバート）される。ローカル信号発振器１１からのローカル信号１３は、増幅器１２により所定レベルまで増幅された後、ミキサ５ａ及び５ｂに対して９０°移相器１４により互いに９０°位相のずれた信号として与えられる。

ミキサ５ａ，５ｂからの出力信号は、ベースバンド増幅器６ａ，６ｂによりゲインコントロールされ、ベースバンド信号用通過フィルタ（ＢＰＦ）７ａ，７ｂによって不要周波数成分が除去された後、さらに、ＡＧＣを備えたベースバンド増幅器８ａ，８ｂにより所定レベルまで増幅される。ベースバンド増幅器８ａ，８ｂから、ベースバンド出力端子９ａ（Ｉチャネルベースバンド信号），９ｂ（Ｑチャネルベースバンド信号）のＩ−Ｑ信号が出力される。このＩ−Ｑ信号は復調回路により復調検波され、信号処理回路により必要とする信号を得る。

ダイレクトコンバージョン方式を用いた高周波モジュールの送信部（ＴＸ）２０は、デジタルベースバンド信号処理部によって変調されたデジタルベースバンド信号がＤ／Ａ変換器によってアナログベースバンド信号に変換される（記載せず）。アナログベースバンド信号は、ベースバンド信号端子２１に入力され、ベースバンド増幅器２２により所定レベルまで増幅された後、ローカル信号発振器（ＶＣＯ）１１からのローカル信号１３を増幅器１２で所定のレベルまで増幅したローカル信号と、直交変調器を構成するミキサ２３によって、ＲＦ信号に周波数変換される。

ミキサ２３からの出力ＲＦ信号は、ＡＧＣを備えた増幅器２４によりゲインコントロールされ、パワーアンプＩＣ（Ｐｏｗｅｒ ＡＭＰ）２５によって所定レベルまで増幅される。増幅されたＲＦ信号はインピーダンス整合器（ＡＬＵＮ）２６を介し、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２７によって高周波数成分が除去された後、送信側２０に切り換えられたアンテナ切換えスイッチ（ＡＮＴ／ＳＷ）２を介してアンテナ１に供給し、送信される。
なお、ローカル信号発振器（ＶＣＯ）１１のローカル信号は、シンセサイザ１５によって、所定の周波数にロックされる。

図１に示した高周波モジュールのブロック回路図は、ダイレクトコンバージョン送受信方式として一般的に市販されている集積回路（ＩＣ）３０を用いている。
このダイレクトコンバージョン送受信方式の集積回路（ＩＣ）３０は、受信部（ＲＸ）１０における低雑音増幅器（ＬＮＡ）４、ミキサ５ａ及び５ｂ及び９０°移相器１４、ベースバンド増幅器６ａ，６ｂ、ベースバンド信号用通過フィルタ（ＢＰＦ）７ａ，７ｂ、ベースバンド増幅器８ａ，８ｂ、ローカル信号発振器１１からのローカル信号を増幅する増幅器１２及びシンセサイザ１５、と、送信部（ＴＸ）２０におけるアナログベースバンド増幅器２２、直交変調器を構成するミキサ２３、ＡＧＣを備えた増幅器２４等の機能を備えたもである。

以上の構成によるダイレクトコンバージョン送受信方式は、ＲＦ信号を直接ベースバンドに周波数変換するため、中間周波数を持たず、原理的にイメージ応答が存在しないことより、スーパーヘテロダイン方式のＲＦ段に通常使用されているイメージ除去用の急峻なフィルタが不要であること、ベースバンドのチャンネル選択用のフィルタが集積回路化が可能なこと、などの理由により近年の集積回路の進化と共に、受信機の小型化を実現できる送受信方式として注目されている。
特開２００１−５３６２９号公報 特開２００３−１１５７７９号公報

以上、説明した図１のダイレクトコンバージョン送受信方式を用いた高周波モジュールのブロック回路図より、小型化を前提として、各回路を小面積の１つのプリント基板上に配設した場合、以下に述べるような各回路間の信号の相互干渉、異なる信号の混入等により、通信データの欠落や誤り率の劣化を引き起こすという問題が生じていた。

即ち、信号処理回路で構成されるデジタル回路部（記載なし）からのノイズおよび変調回路及び復調回路で構成される変復調回路（記載なし）からのノイズ等が、アンテナ１に混入する。
また、ダイレクトコンバージョン方式の受信部では、直交復調器のミキサにおいて、ＲＦ信号周波数とローカル信号周波数が等しくなり、直交復調器以降のベースバンド部において直流成分の不規則な変動、いわゆる直流オフセット変動が生じることがある。このような直交復調器以降のベースバンド部における直流オフセット変動は、無線機の受信感度の低下等による受信性能の低下の原因となる。

また、ダイレクトコンバージョン方式を用いた送信側では、ローカル信号発振器から発振される信号の漏れによって、スペクトラム拡散方式（直接拡散：ＤＳ）における波形の乱れなどを引き起こし、受信機側での受信感度の低下や、送信出力におけるデータエラーの原因となる。
また、ＶＣＯ回路１１からの発振周波数信号が受信部および送信部の周辺回路に混入する等がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、各回路を回路ブロック毎に分離し、さらにその各回路ブロックの配設方法に工夫をこらすことにより、各回路間の信号の相互干渉及び異なる信号の混入等を低減し、小型化で安価なダイレクトコンバージョン方式を用いた無線機の高周波モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、ダイレクトコンバージョン送受信方式を用いた無線機の高周波モジュールにおいて、コア層を挟んで導体層を具えた基板と、該導体層の表面にプリプレグ層、導体層とを交互に積層した多層基板を用いる。この多層基板は少なくとも４層以上の導体層を備えた矩形の４層基板とする。

この４層基板の導体層を上面から下面し従って、第１の導体層、第２の導体層、第３の導体層、第４の導体層としたとき、第１の導体層を端部の一端にアンテナ端子と、アンテナからの受信信号をローカル信号を用いて受信ベースバンド信号に周波数変換する受信部と、送信ベースバンド信号をローカル信号を用いて無線周波数の送信信号に変換してアンテナに供給する送信部とを配設して配線し、アンテナ端子を除く受信部と送信部を第１のシールドケースを用いてシールドする。

第４の導体層はローカル信号を発生する発振器を配設し、この発振器を第２のシールドケースを用いてシールドし、第２のシールドケースの外周を囲う第３のシールドケースを用いてシールドする。
第２の導体層は発振器を除く受信部と送信部のグランドとする。
第３の導体層は発振器の配線部分と第３のシールドケースのグランド部分に分けて設けたことを特徴とする。

ダイレクトコンバージョン送受信方式における本発明の高周波モジュールは、４層基板を用いて、第１の導体層にローカル信号発振器を除く受信部および送信部の高周波回路部品を搭載し、その全体を第１のシールドケースを被せること、および、第２の導体層にはローカル信号発振器を除く受信部および送信部の高周波回路のグランドとする。そして、第４の導体層にローカル信号発振器を搭載し、その全体を第３のシールドケースで被うと共に、さらに、第２のシールドケースを用いて第３のシールドケースを囲ってシールードする。第３の導体層にはローカル信号発振器の接続とその外周に第３のシールドケースのグランドを分けて設ける。なお、第１、第２、第３のシールドケースの半田付け作業はシールドケース全周に沿って半田付けする。

このことによって、アンテナ端子（１ａ）におけるオシレータ信号の発振出力の漏れレベルは、受信感度の低下を落とすことなく、さらに、送信時のスペクトラム拡散方式における波形の乱れを防止することができ、通信飛距離の低下や音声品質の劣化のない安定した無線通信設備とすることができた。また、４層樹脂基板を用いることによって、軽くて安価な小型の高周波モジュールとすることができる。

以下に、本発明の一実施形態に係る無線機の高周波モジュールにおける４層基板を用いた概略配置図を図２から図５を用いて説明する。

図２は、図１に示す高周波モジュールのブロック回路図の概略的配置図である。図３は、図２に示す高周波モジュールを形成する４層基板の断面図である。図４は、図２に示す高周波モジュールを多層基板に配置する説明図である。図５は、図４に示す高周波モジュールの４層基板に配置する上面（Ａ）と下面（Ｂ）のシールドケースの配置図である。

図２に示すように、まず、第１のシールドケース３１は、アンテナ端子１ａを除く切換えスイッチ２と、受信部１０の帯域通過フィルタ３、送信部２０のパワーアンプＩＣ２５、インピーダンス整合器２６、低域通過フィルタ２７と、送受信用ダイレクトコンバージョンＩＣ３０を収納する。
第３のシールドケース３３は、ローカル信号発振器１１を収納する。
第２のシールドケース３２は、第３のシールドケース３３の全体を囲うように設ける。
このように第１、第２、第３のシールドケース３１、３２、３３を用いてシールドすることによって、ローカル信号発振器からの漏れ信号を完全に封じ込めると共に外部からのデジタルノイズの影響を防止することができる。

図３、図４、図５を用いて、高周波モジュールを形成する部品の配置について説明する。
図３に示すように、４層基板として、例えば、４層基板の中心となるコア材４０は、一般に軽くて加工製のよい安価な樹脂をベースに用いた両面銅箔基板（導体層４４と４５）を備えており、その上面、下面に絶縁樹脂エポキシ材であるプリプレグ層４１と４２を設け、さらにその上面に、銅箔からなる導体層４３と４６、を備えた安価な４層プリント基板（例えば、ＦＲ４、４層基板、ｔ＝１．２ｍｍ）を用いた。

４層基板の最上面の第１の導体層４３をＡ面とし、最下面の第４の導体層４６をＢ面として説明する。
Ａ面には、Ａ面の端部にアンテナ端子１ａを配置して、切換えスイッチ２、受信部１０の帯域通過フィルタ３、送信部２０のパワーアンプＩＣ２５、インピーダンス整合器２６、低域通過フィルタ２７、送受信用ダイレクトコンバージョンＩＣ３０を搭載し、その全体を第１のシールドケース３１でシールドする。

図３と図４から、上記、Ａ面に配置した部品の接続は、第１の導体層４３を用いる。第２の導体層４４は、受信部２０の帯域通過フィルタ３と、送信部３０のパワーアンプＩＣ２５、インピーダンス整合器２６、低域通過フィルタ２７等のグランドＧ１と、ダイレクトコンバージョンＩＣ３０のグランドＧ２に使用する。

そして、図５に示すように、Ａ面の回路を構成する導体層４３と第１のシールドケース３１のグランドパターン３１ａとを間隔ｅを設けて分離する。なお、第１のシールドケース３１とそのグランドパターン３１ａの接続は、図３のａ部に示すように半田付け等により全周を覆うことを基本とする。

次に、Ｂ面には、図３と図４に示すように、ローカル信号発振器１１をシールドする第３のシールドケース３３と、その第３のシールドケース３３の全周を囲って第２のシールドケース３２を取り付ける。
ローカル信号発振器１１の内部回路接続は、第４の導体層４６と第３の導体層を用いる。また、第３の導体層４５は、ローカル信号発振器１１の内部回路接続を囲むように第３のシールドケース３３のグランドＧ３とを分離して設ける。

そして、図５に示すように、Ｂ面の回路を構成する導体層４６と第３のシールドケース３３のグランドパターン３３ａは間隔ｇを設けて分離する。また、導体層４６と第２のシールドケース３２のグランドパターン３２ａは間隔ｆを設けて分離する。なお、第１、第２のシールドケース３２、３３と各々のグランドパターン３２ａ、３３ａとの接続は、図３のｂ部、ｃ部に示すように半田付け等により全周を覆うことを基本とする。

このように、ダイレクトコンバージョン送受信方式における本発明のＲＦモジュールは、４層基板を用いて、第１の導体層にローカル信号発振器を除くＲＦ回路部品を搭載し、その全体を第１のシールドケースを被せること、および、第２の導体層にはローカル信号発振器を除くＲＦ回路部品のグランドとする。そして、第４の導体層にローカル信号発振器を配置し、その全体を第３のシールドケースで囲うと共に、さらに、第２のシールドケースを用いて第３のシールドケースを被せ、第３の導体層には、ローカル信号発振器の接続とその外周に第３のシールドケースのグランドを設ける。なお、第１、第２、第３のシールドケースのグランドパターンへの半田付け作業はシールドケース全周に沿って半田付けする。

この結果、例えば、本発明の実施例による高周波モジュールは、アンテナ端子（１ａ）におけるローカル信号発振出力の漏れレベルをおよそ１００ｄＢｍ減衰させることができ、受信感度の低下を落とすことなく、さらに、送信時におけるスペクトラム拡散方式の波形の乱れを防止することができ、通信飛距離の低下や音声品質の劣化のない安定した無線通信設備とすることができる。また、実施例に用いたＲＦモジュールは、およそ３１ｍｍ×２６ｍｍ×高さ７．５ｍｍと小型化することができる。

以上、本発明の高周波モジュールの実施例を述べたが、本発明は、これらの実施例に限られるものではない。例えば、多層基板として４層の導体層を持つ４層基板を用いたが５層、６層基板を用いて、オシレータ信号発振器と送受信ＲＦ部の距離を離すことによってさらに発振出力の漏れレベルを低減することができる。小型化を目的としてパワーＩＣおよびダイレクトコンバージョンＩＣを用いたが、ディスクリート部品を用いて構成してもよい。

本発明に用いた高周波モジュールのブロック回路図。 本発明の一実施例に係る高周波モジュールの概略的配置図。 本発明の一実施例に係る高周波モジュールを形成する４層基板の断面図。 本発明の一実施例に係る高周波モジュールを多層基板に配置する説明図。 図４に示す高周波モジュールの４層基板に配置するＡ面とＢ面のシールドケースの概略配置図。

符号の説明

１ アンテナ
１ａ アンテナ端子
２ 切換えスイッチ
３ 帯域フィルタ
４ 低雑音増幅器（ＬＮＡ）
５ａ、５ｂ ミキサ（直交復調器）
６ａ，６ｂ 増幅器
７ａ，７ｂ 帯域通過フィルタ
８ａ、８ｂ 増幅器
９ａ，９ｂ 出力端子
１１ オッシレータ信号発振器（ＶＣＯ）
１２ 増幅器
１３ ローカル信号
１４ ９０°位相器
１５ シンセサイザ
２１ 送信用入力端子
２２ 増幅器
２３ ミキサ（直交変調器）
２４ 増幅器
２５ パワーアンプＩＣ
２６ インピーダンス整合器
２７ 低域通過フィルタ

Claims (2)

1. ダイレクトコンバージョン送受信方式を用いた無線機の高周波モジュールにおいて、
   コア層を挟んで導体層を備えた基板と該導体層の表面にプリプレグ層と導体層とを交互に積層した多層基板、
   該多層基板は少なくとも４層以上の矩形の導体層を備え、
   該多層基板の導体層を上面から下面にしたがって第１の導体層、第２の導体層、第３の導体層、第４の導体層としたとき、
   第１の導体層に端部の一端にアンテナ端子とアンテナからの受信信号をローカル信号を用いて受信ベースバンド信号に周波数変換する受信部と、
   送信ベースバンド信号をローカル信号を用いて無線周波数の送信信号に変換して該アンテナに供給する送信部と、を配設して配線し、
   該第２の導体層を該発振器を除く該受信部と該送信部のグランドとし、
   該第３の導体層を該発振器の配線部分と該第３のシールドケースのグランド部分に分け
   該第４の導体層に該ローカル信号を発生する発振器を配設し、
   該アンテナ端子を除く該受信部と該送信部とを第１のシールドケースを用いてシールドし、該発振器を第２のシールドケースを用いてシールドし、該第２のシールドケースの外周を囲う第３のシールドケースを用いてシールドしたことを特徴とする高周波モジュール。
2. 前記第１、第２、第３のシールドケースの各導体層との接続は接続面全周を半田付けしたことを特徴とする請求項１記載の高周波モジュール。

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