JP4320122B2 - デュアル・モード・ディジタル・システム用電力増幅出力モジュール - Google Patents

Description

（発明の分野）
本発明は、電気通信装置の内部無線アーキテクチャに関し、更に特定すればデュアル・バンド・ディジタル・システム用電力増幅出力モジュールに関する。
（発明の背景）
多くの異なる電気通信システムを異なる場所(locale)で同時に使用することは、セルラ電話機のユーザに多くの柔軟性を与える反面、これらセルラ電話機の内部アーキテクチャの設計者にとって、多くの課題も生じている。小型化，軽量化，および部品数削減というような従来からの技術的傾向に加えて、設計者は今や電磁スペクトルの２つ以上の異なる帯域において機能することができる能力というような、一層の高性能をセルラ電話機に含ませるように要求されている。
【０００１】
デュアル・モード／デュアル・バンド機能を無線アーキテクチャ設計に組み込むことは、ありきたりの簡単なプロセスではなく、設計プロセスの最も初期の段階において大きな考え方の変更を必要とする可能性がある。
【０００２】
第１図は、従来技術によるデュアル・バンド・セルラ電話機１００の無線アーキテクチャのブロック図を示す。第１図を参照すると、第１バンド（バンド＃１）からの無線送信信号は、ドライバ１０２，電力増幅器１０４，インピーダンス整合ネットワーク１０６，方向性カプラ１０８，高調波フィルタ１１０を通過する。この時点において、信号はダイプレクサ１１２を通過し、最終的にアンテナ１１４から発信する。同様に、第２バンド（バンド＃２）からの無線送信信号は、別のドライバ２０２，別の電力増幅器２０４，別のインピーダンス整合ネットワーク２０６，別の方向性カプラ２０８，および別の高調波フィルタ２１０を通過する。次いで、第２信号はダイプレクサ１１２を通過し、最終的にアンテナ１１４から発信する。
【０００３】
この設計では、バンドの各々がそれら自体の専用部品を有する。各バンドは、それ自体のインピーダンス整合ネットワーク，方向性カプラ，および高調波フィルタを有する。このような部品の二重化のために、セルラ電話機は、体積，重量，およびサイズの増大だけでなく、追加の回路，部品数増大，スイッチングおよび電力消費の増大を伴う。
【０００４】
モノリシック部品内にデュアル・モード・ディジタル・システム用電力増幅出力モジュールを備え、高調波フィルタリング要件をインピーダンス整合ネットワーク内に統合化し、非常に集積度が高い多層セラミック・パッケージ内において単一のカプラおよび単一のアンテナを用いて２つのディスクリート電力増幅器駆動回路を動作させることができ、しかも挿入損失および自己遮蔽特性を改善する無線アーキテクチャ設計があれば、当技術分野における改善となるであろう。
（好適実施例の詳細な説明）
新たなモデル毎にセルラ電話機のサイズが縮小するに連れて、一層多くの部品および機能を少数のディスクリート部品に統合化することが増々必要となる。本発明のデュアル・モード・ディジタル・システム用電力増幅出力モジュールの設計では、以前は多くの部品であったものを単一のモノリシック部品モジュールに統合化したことによって、多数の利点を実現可能としている。
【０００５】
部品数削減，小型軽量化および製造工程削減によって実現される明らかな利点は別として、他のエンジニアリング上の利点も期待することができる。第１に、本発明の電力増幅出力モジュールは、従来の基板（例えば、ＦＲ−４）に実装したディスクリート部品を備えた回路を必要とする従来技術の製造技術と比較して、高周波数において損失が少ない。また、本設計の統合化モジュールは相互接続部も少なく、その結果最終製品の信頼性が向上する。多数の回路部品の統合化によって実現される更に別の利点は、無線機を動作させるために必要なスイッチングが減少することである。無線アーキテクチャの設計では、低損失材料が採用される場合、ダイプレクサの損失が少ないため、スイッチングには一般にダイプレクシング(diplexing)が好まれる。加えて、ダイプレクシングは、本発明の出力モジュールのようなモノリシック部品において容易に行なうことができる。言い換えると、ダイプレクシングは、従来の多層セラミック・パッケージ・プロセスにおいて用いられるのと同じエレメントがあればよい。スイッチング，回路，およびカプラ数の減少の結果、低消費電力化，バッテリの長寿命化，および通話時間の延長が得られる。
【０００６】
本発明は多くの利点を有する。最初に、デュアル・モード・ディジタル・システム用電力増幅出力モジュールは、デュアル・バンド電力増幅回路のサイズを縮小し、機能性を高め、性能を向上させる。これは、無線機即ちセルラ電話機の種々のフロント・エンド機能を統合化した多層セラミック・パッケージの設計および実施によって得られる。
【０００７】
種々の部品を単一のモジュールに統合化することによって実現される効果は、控えめに言うことができない。統合化によって実現される相乗的利点はばく大である。例えば、統合化モジュール内の回路は、ＦＲ−４材料のようなプリント回路ボード上のディスクリート部品程、損失が多くない。更に、回路経路はそれほど長くなく、そのため必要な電力が少なくて済み、一層の軽量化および高信頼性が可能となる。
【０００８】
従来の設計は、その多くがプリント回路ボード等の上でディスクリート素子を用いていた。伝送線を有するプリント回路ボードは損失性であり、回路の性能を低下させる傾向があったので、これは課題であった。本発明の統合化による解決策は、より信頼性の高い回路を提供しつつ同時にプリント回路ボード上で増々貴重になる有効面積(real estate)の問題を解決する。多層セラミック材の使用により、従来のプリント回路ボード技術を用いて達成可能なものよりも、損失が少ない伝送線構成部品の実現が可能となる。多層セラミック材は、無線周波数（ＲＦ）用途に必要な高誘電率，高電気Ｑ，および低損失というような電気的特性の一部を得るのに適しており、理想的である。一般に、高Ｑ材料は、無線周波数（ＲＦ）用途において低損失特性を呈する。言い換えると、統合化セラミック多層素子は、従来のプリント回路ボード手法よりも少ない体積で、より多くの機能性をもたらす。
【０００９】
本出願人の発明の重要な態様の１つは、統合化電力増幅出力モジュールは無線設計における恒久的な因果(nemesis)である、第２次および第３次高調波を効果的に減衰させるという事実を伴う。第５図を参照すると、実線は、第２次および第３次高調波の減衰が、従来のローパス・フィルタの設計（破線参照）よりもかなり大きいことを示している。これは、インピーダンス整合ネットワークおよび高調波フィルタを共に効果的に統合化し、コンパクトな集積化設計とした回路設計によって達成される。高次高調波の効果的な減衰は「帯域内」損失に悪影響を及ぼさないという事実が、アーキテクチャ上その他にも利点を与えることは重要である。
【００１０】
本発明は、第１バンド内の信号および第２バンド内の信号の効果的な結合，フィルタリング，および出力インピーダンス整合を可能にする。一実施例では、第１バンドはディジタル信号であり、第２バンドはディジタル信号である。例えば、第１ディジタル・バンドはＧＳＭ（８８０ないし９６０ＭＨｚ）とし、第２ディジタル・バンドはＤＣＳ（１７１０ないし１８８０ＭＨｚ）とすることができる。勿論、この設計は電磁スペクトルのいずれの２バンドにも適合化することが可能である。今日ではユーザまたは消費者が種々の周波数の信号を透過的に扱いかつ処理可能であることが電気通信システムに求められているので、この機能は増々重要になりつつある。
【００１１】
第２図に、電力増幅出力モジュールのブロック図を示す。第２図を参照すると、低挿入損失および自己遮蔽特性を有するデュアル・モード・ディジタル・システム用モジュール２００は、第１ディジタル・モード（バンド＃１）において動作する第１電力増幅器駆動回路を内蔵する。これは、第１電力増幅器２２０，および高次高調波の抑制を統合化した第１出力インピーダンス整合ネットワーク２２２を含む。
【００１２】
第２ディジタル・モード（バンド＃２）において動作する第２電力増幅器駆動回路は、第２電力増幅器２２４，および高次高調波の抑制を統合化した第２出力インピーダンス整合ネットワーク２２６を内蔵する。第１インピーダンス整合ネットワーク２２２および第２インピーダンス整合ネットワーク２２６に結合された単一のダイプレクサ２２８も設けられている。単一のダイプレクサ２２８は、第１条件において、第１電力増幅器駆動回路（バンド＃１）からの信号を選択的に通過させつつ、同時に第２電力増幅器駆動回路（バンド＃２）からの信号を減衰させる。単一のダイプレクサ２２８は、第２条件において、第２電力増幅器駆動回路（バンド＃２）からの信号を選択的に通過させつつ、同時に第１電力増幅器駆動回路（バンド＃１）からの信号を減衰させる。
【００１３】
好適実施例では、ダイプレクサ２２８は、より低いバンドに対してローパス応答特性を有するので、低バンド信号の高調波を更に減衰させる。同様に、ダイプレクサ２２８は、より高いバンドに対してハイパス応答特性を有する。この特徴は、本発明の電力増幅出力モジュールの統合化によって実現される更に別の利点である。
【００１４】
好適実施例では、ダイプレクサ２２８は、ローパス・フィルタおよびハイパス・フィルタを含むことができる。バンド＃１がロー・バンドでありバンド＃２がハイ・バンドである場合、バンド＃１に対するダイプレクサ２２８への入力はローパス応答であり、バンド＃２に対するダイプレクサ２２８への入力はハイパス応答である。
【００１５】
また、第２図におけるブロック図は、ダイプレクサ２２８に結合され、第１電力増幅器駆動回路（バンド＃１）および第２電力増幅器駆動回路（バンド＃２）双方を結合する単一のブロードバンド方向性カプラ２３０も示す。好適実施例では、単一のブロードバンド方向性カプラは約−２０ｄＢである。しかしながら、他の用途に対して他の設計が要求される場合、方向性カプラは他の望ましい値を有することも可能である。
【００１６】
第２図の別の興味深い態様は、破線２３４に囲まれたブロックを含む。第２図を参照すると、ローパス・フィルタ２３６を更にモジュール２００内に組み込み、ハイ・バンド信号の高調波に対処することが時として望ましい場合もある。加えて、Ｔ／Ｒ（送信／受信）スイッチ２３８を、ローパス・フィルタ２３６およびアンテナ２４０間の線内に配することも可能である。別の実施例では、Ｔ／Ｒスイッチ２３８をマルチプレクサで置き換えることが望ましい場合もある。全ての無線機について、Ｔ／Ｒスイッチまたはマルチプレクサ（例えば、デュプレクサ）のいずれかが、出力モジュール２００およびアンテナ２４０の間に必要とされる。更に、Ｔ／Ｒスイッチを直接出力モジュール２００内に組み込むことも可能であり、あるいはこれを無線回路ボード上に個別に配置することも可能である。
【００１７】
電力増幅出力モジュール２００の別の実施例では、方向性カプラに結合され、第１ディジタル・モードおよび第２ディジタル・モードの信号を受信する単一のアンテナをモジュールに組み込むことも可能である。同様に、別の実施例では、モジュール２００に取り付けるかまたは直接内蔵した電力増幅器を含むことも可能である。この場合、多層パッケージは、アクティブ整合チューニング機能を統合化した電力増幅器を備えることができる。しかしながら、第２図では、破線２３２は、第３図に示す電力増幅出力モジュールの最も好適な実施例において見られるブロック図を取り囲んでいる。
【００１８】
第３図は、種々の誘電体セラミック・シートの分解図であり、これらが全体で本発明の電力増幅出力モジュール３００を構成する。第３図を参照すると、１組の誘電体セラミック・シート３０２が設けられおり、その各々には、導電性ペースト・プリント・パターン３０４が堆積されている。また、各シートには、１組のビア・ホール３０６も穿設することができる。出力モジュール３００では、ビア・ホール３０６は垂直方向に一直線上に並んでおり、導電性ペースト材が充填されている。これは、明確化の理由のため、第３図には示されていない。加えて、誘電体シートの各々におけるプリント・パターンの正確な位置も、誇張されている。
【００１９】
第３図は、電力増幅出力モジュールの内。代表的な層の見本を与えることのみを意図するのであり、製造用図面を意図する訳ではない。しかしながら、第３図は、種々のプリント伝送線３０８，埋め込みメッシュ接地面３１０およびキー相互接続構成(keyed interconnect configuration)３１２を示す。また、モジュール３００内部の誘電体シートは、十分に余裕があり、他の多くの部品および回路をその上に組み込み可能であることを注記しておく。
【００２０】
第４図は、本発明のインピーダンス整合ネットワーク／高調波フィルタの電気構成図を示す。これは、第３図に示すブロック２２２または２２６のいずれにも対応する。電力増幅出力モジュール３００のインピーダンス整合および高調波フィルタリング機能の統合化は、本出願人の発明の重要な態様である。これは、第４図に示すような新規な回路によって達成される。
【００２１】
第４図を参照すると、インピーダンス整合ネットワーク／高調波フィルタ回路４００は、第１ノード４０６に直列に接続されている入力４０２を含む。第１ノード４０６から接地まで、共振伝送線４０８および容量４１０が延びている。この回路の脚部は、高調波フィルタリング機能を与える。また、第１ノード４０６からは、接地に至る分路コンデンサ４１２および直列コンデンサ４１４が延びており、π−ネットワーク設計となっている。コンデンサ４１４は、直列伝送線４１６と直列であり、また、直列伝送線４１６は第２ノード４１８とも直列である。
【００２２】
尚、接地に至る分路コンデンサ４１２は、直列コンデンサ４１４および直列伝送線４１６と共に、低インピーダンス（例えば、１ないし５Ω）から高ピンピーダンス（例えば、５０Ω）へのインピーダンス変換を行なう。また、第２ノード４１８からは、共振伝送線４２０および接地に至る容量４２２から成る第２脚部が延びている。また、第２ノード４１８は、出力４２４と直列である。勿論、この回路は電力増幅出力モジュール内の残りの回路に必然的に結合されている。
【００２３】
本発明の最も好適な実施例は、デュアル・モード・ディジタル・システムを想定するが、誘電体シート上で伝送線を選択的にパターニングすることによって無線アーキテクチャを更に変更し、電子素子内に１つのディジタル・バンドおよび１つのアナログ・バンドを収容することも容易に可能である。しかしながら、かかる設計は、純理論的には各バンド毎に１つずつ、２つの別個で異なるブロードバンド・カプラを必要とする。とは言え、高調波除波および自己遮蔽特性の改善というような統合化の別の利点がなおも得られる。この一例は、ＰＣＳ（１８５０ないし１９３０ＭＨｚ）のような１つのディジタル・バンドおよびＡＭＰＳ（８２４ないし８９４ＭＨｚ）のような１つのアナログ・バンドである。したがって、これは他の関連周波数にも適用可能である。
【００２４】
本発明の一実施例では、電力増幅出力モジュールは、多層セラミック・パッケージの形態で製造することができる。かかる多層セラミック・パッケージは、複数の誘電体材料シート，およびその間に堆積された導電性ペースト伝送線で構成することができる。多層セラミック・パッケージは、更に、複数の誘電体シートの１つに取り付けられた半導体集積回路を備えることも可能である。
【００２５】
この半導体集積回路は多くの形態を取ることができる。採用可能な典型的な技術には、フリップ・チップ，ＢＧＡ素子，ワイヤボンド素子，プラスチックまたはセラミック・パッケージ，あるいはその他のあらゆる業界標準技術が含まれる。好適実施例では、ガリウム砒素材を用いた半導体フリップ・チップ集積回路を用いることができる。他の実施例では、半導体材料は、シリコン，ゲルマニウム，シリコン・ゲルマニウム，またはその他のあらゆる適当な材料とすることができる。
【００２６】
半導体集積回路（ＩＣ）を出力モジュール２００に組み込む場合、大きな利点をもたらすことができる設計手法は、モジュール２００内のキャビティにＩＣを配置することを必要とする。モジュール２００のような多層パッケージにキャビティを作成するのは容易であるが、「ボード上の高さ」寸法を最小に抑えれば、モジュール２００に対して更に部品サイズの利点を得ることができる。
【００２７】
本発明の電力増幅出力モジュールによって与えられる程度の統合化によって、重要な解決策が無線（ＲＦ）設計者に与えられる。送信（Ｔｘ）回路の機能性を単一モジュールに統合化することによって、ディスクリート手法を用いる場合よりも、必要な回路ボードの空間は少なくて済む。また、結果的に得られるモジュールは、単一の標準的な部品でありながら多数の機能を実行する。
【００２８】
電力増幅出力モジュールによって行われる多数の機能は、多様であるが、セルラ電話機または無線機の有効性能には全て重要である。信号を自動出力コントローラ（ＡＯＣ）に効果的に結合するためには、２０ｄＢ方向性カプラが必要となる。ＡＯＣは、結合された信号を受信し、続いて電力増幅器（ＰＡ）の電力出力を調節し、所望のスペックの範囲内に止める回路である。ダイプレクサは、２つのフィルタの機能を行い、ハイ・バンドおよびロー・バンドを効果的に分離／結合する。インピーダンス整合ネットワークは、電力増幅器（ＰＡ）の低インピーダンスから５０オーム（Ω）またはあらゆる要求インピーダンスへのインピーダンス整合を行なう。これは、増幅器の効率的な動作を維持し、増幅器を安定させる。本発明は、賢明にも、それぞれのインピーダンス整合ネットワークと共に、高調波フィルタリング機能を備えている。
【００２９】
更に、本発明のインピーダンス整合ネットワークは、分散型整合ネットワークである。これは、単なる１組の集中インダクタおよび／またはコンデンサ以上のことである。言い換えると、整合ネットワークは、種々の誘電体シートにわたって分散されている。
【００３０】
本発明の電力増幅出力モジュールは、高Ｑ、低損失多層セラミック・パッケージにおいて実施するのが最も好ましい。かかる多層パッケージは、例えば、チタン酸バリウム(barium titanate)，チタン酸ネオジム(neodymium titanate)材料，またはガラス入りアルミナ(glass loaded alumina)のような誘電体材料の層またはシートで製作することができる。誘電体シートを形成するには、業界標準の多層製造プロセスおよび技術を用いる。続いて、典型的にスクリーン・プリンティングによって、シート上に導電性ペースト材を堆積する。シートに穿設して、層間にビア即ち相互接続部を設け、更に最終的に圧力および温度下でシートを積層する。正確な層数および各層に印刷する設計即ちパターンは、用途に特定であり、個々の用途毎に異なる。好適実施例では、電力増幅出力モジュールは、誘電体材料のシートを含み、その間に導電性ペースト伝送線およびエレメントが堆積された、多層セラミック・パッケージ内に配置される。
【００３１】
第５図は、種々のフロント・エンド無線機能を多層セラミック・パッケージに統合化することによって実現される、挿入損失値の改善をグラフ形態で示す。第５図を参照すると、ｙ軸に沿ってデシベル（ｄＢ）単位で測定した挿入損失，およびｘ軸に沿ってメガヘルツ（ＭＨｚ）単位で測定した周波数のグラフが与えられている。第２および第３高調波を意味することと理解される対象領域において、従来技術の無線アーキテクチャは、僅かに最低の減衰を与えるに過ぎなかった（破線参照）。回路を電力増幅出力モジュールに統合化することによって、性能に著しい改善が得られた（実線参照）。サイズおよび堆積の減少に加えて、本発明の出力モジュールは、第２および第３高調波における高調波除波の増大という形で、性能の向上ももたらす。
【００３２】
用途によっては、予め調整した状態で入出力接続を計画的に配し、「キー」構成を備えることにより、唯一の非常に具体的な方法でパッケージをプリント回路ボードのみに取り付けることが望ましい場合もある。他の用途では、業界標準の間隔，サイズ，およびフットプリント・トポグラフィを用いることが好ましいであろう。
【００３３】
本出願人の発明の別の興味深い態様に、埋め込みメッシュ接地面がある。埋め込み接地面の使用は部品製造業界では既知であるが、本発明の電力増幅出力モジュールは、誘電体シートの１つに印刷された埋め込みメッシュ型接地面を採用する。かかるメッシュ接地面は、適当な接地を得るために十分な量のメタライゼーションを与えるが、メタライズされていないエリアも十分に残し、セラミック・シート相互の十分な接着を可能にする。
【００３４】
本発明の電力増幅出力モジュールは、小型化した部品を、例えば、セルラ電話機内部に備えることは確かであるが、他の半導体部品のための基礎基板も備えることができる。本発明の一実施例では、電力増幅出力モジュールには、更に、他の集積回路（ＩＣ）チップ等を実装することも可能である。例えば、本発明の別の実施例では、出力モジュールは、更に、複数の誘電体シートの１つに取り付けられた半導体フリップ・チップ集積回路を含むことも可能である。このように、更に大きな統合および空間の削減も可能である。
【００３５】
以上、本発明の種々の実施例を示しかつ説明したが、本発明の新規の精神および範囲から逸脱することなく、前述の実施例の再構成や組み合わせだけでなく、種々の変更や交換も当業者には可能であることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術によるデュアル・バンド・フロント・エンド無線設計のブロック図。
【図２】 本発明によるデュアル・モード・ディジタル・システム用電力増幅出力モジュールのブロック図。
【図３】 本発明によるデュアル・モード・ディジタル・システム用電力増幅出力モジュールを形成する多層パッケージの分解図。
【図４】 本発明による統合化インピーダンス整合ネットワーク／高調波フィルタの回路図。
【図５】 従来技術の設計を組み込んだ場合の周波数応答曲線（破線），および本発明によるデュアル・モード・ディジタル・システム用電力増幅出力モジュールの周波数応答曲線を示す図。

Claims (3)

1. 複数の誘電体シートを含む多層セラミックパッケージに配置され、かつ低挿入損失および高調波除波特性を有するデュアル・モード・ディジタル・システム用電力増幅出力モジュール（２００）であって：
   第１電力増幅器（２２０）と、高次高調波の抑制機能が組み込まれた第１出力インピーダンス整合ネットワーク（２２２）とを備え、第１ディジタル・バンドで動作する第１電力増幅器駆動回路；
   第２電力増幅器（２２４）と、高次高調波の抑制機能が組み込まれた第２出力インピーダンス整合ネットワーク（２２６）とを備え、第２ディジタル・バンドで動作する第２電力増幅器駆動回路；
   ローパス・フィルタおよびハイパス・フィルタを含み、かつ前記第１出力インピーダンス整合ネットワークおよび前記第２出力インピーダンス整合ネットワークに結合された単一のダイプレクサ（２２８）であって、該単一のダイプレクサは、前記第１電力増幅器駆動回路からの信号と、前記第２電力増幅器駆動回路からの信号とを受信し、ローパス・フィルタリング機能を行う時に、前記ローパス・フィルタを用いて前記第１出力インピーダンス整合ネットワーク（２２２）からの信号を通過させつつ、同時に前記第２出力インピーダンス整合ネットワーク（２２６）からの信号を減衰させ、ここで、前記ローパス・フィルタは、高周波信号を減衰させつつ低周波信号を通過させるものであり、前記単一のダイプレクサは、ハイパス・フィルタリング機能を行う時に、前記ハイパス・フィルタを用いて前記第２電力増幅器駆動回路からの信号を通過させつつ、同時に前記第１電力増幅器駆動回路からの信号を減衰させ、ここで、前記ハイパス・フィルタは、低周波信号を減衰させつつ高周波信号を通過させるものである、前記単一のダイプレクサ；および
   前記ダイプレクサを介して、前記第１電力増幅器駆動回路および前記第２電力増幅器駆動回路双方に結合する単一のブロードバンド方向性カプラ（２３０）；
   を具備し、前記第１出力インピーダンス整合ネットワーク（２２２）及び前記第２出力インピーダンス整合ネットワーク（２２６）は、前記複数の誘電体シートにわたって分散されていることを特徴とする電力増幅出力モジュール。
2. 前記単一のブロードバンド方向性カプラ（２３０）に結合され、かつ送信／受信スイッチ（２３８）を介して単一のアンテナ（２４０）に結合され、前記第１ディジタル・バンドにおいて前記第１電力増幅器駆動回路からの信号を受信し、前記第２ディジタル・バンドにおいて前記第２電力増幅器駆動回路からの信号を受信する第２ローパス・フィルタ（２３６）を更に備えることを特徴とする請求項１記載の電力増幅出力モジュール。
3. 前記単一のブロードバンド方向性カプラ（２３０）に結合され、かつ
   マルチプレクサを介して単一のアンテナ（２４０）に結合され、前記第１ディジタル・バンドにおいて前記第１電力増幅器駆動回路からの信号を受信し、前記第２ディジタル・バンドにおいて前記第２電力増幅器駆動回路からの信号を受信する入力を有する第２ローパス・フィルタ（２３６）を更に備えることを特徴とする請求項１記載の電力増幅出力モジュール。

Images