JP2006121727A - 高周波回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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と、前記スイッチ回路の各送信系にはローパスフィルタを有したスイッチ回路と、半導体素子と電源供給回路と整合回路とを有する高周波増幅器回路とを有し、前記高周波増幅器回路の出力整合回路とスイッチ回路の送信端子との間に位相調整回路を設け、前記スイッチ回路と高周波増幅器回路との整合が、必要な基本周波数帯域においては共役整合に相当する位相の関係にあるが、不要な2,3倍の周波数帯域においては非共役整合に相当する関係に位相調整した高周波部品である。
【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許文献1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許文献2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許文献4に開示されている。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解決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、両者間の整合をスプリアス周波数において非共役整合に設定した高周波用送信モジュールが特許文献5に開示されている。しかしながら、この高周波用送信モジュールは、ハイパワーアンプとカプラのモジュール化を対象とするものであり、さらに高周波部品間の挿入損失低減と高調波減衰特性の劣化についての具体的な解決手段は提示されていない。
そこで、高周波増幅器HPAとアンテナスイッチモジュールASMの整合を図りながら一つの積層体内に複合モジュール化することが考えられる(図17のASM+HPAの範囲)。しかしながら、複合モジュール化して小型化は図れたとしても、ディスクリートで組み合わせた場合と同様の問題が解決されるわけではない。例えば、高周波増幅器の出力端子とアンテナスイッチモジュールの送信端子はそれぞれ略50Ω整合を狙って設計されるが、各々が厳密に50Ωになっているわけではなく、可能な範囲で50Ω近辺に設定されている場合が一般的である。例えば、高周波増幅器HPA側が45Ωで位相120度の位置にあり、アンテナスイッチモジュールASM側が52Ωで位相80度の位置にあったとしてもお互い50Ω整合していると見なしている。結局、送信帯域におけるスミスチャート中央の50Ω近辺を狙ってはいるが、お互いのリアクタンスまでも含んだインピーダンス関係を考慮していない。従い具体的な設計指針がないと実効を上げることが出来ず、結果として必要周波数帯域での損失が大きくなったり、また不要周波数帯域での減衰量が不充分であったりと言った問題が生じる。この問題は、回路基板上に高周波増幅回路とアンテナスイッチモジュールを個々実装し、例え両者間に整合回路を設けた場合でも同様に生じる。
前記高周波部品は、前記スイッチ回路と高周波増幅器回路との間の接続基準面から高周波増幅器側を見たときのインピーダンスZ1と、前記接続基準面からスイッチ回路側を見たときのインピーダンスZ2との関係が、前記Z1の位相θの共役整合の関係にある位相をθ1としたとき、前記Z2の位相θ2をθ1に対し180度±120度の非共役整合領域に位相調整することが望ましい。より好ましくは180度±90度、更に好ましくは180度±45度の領域に位相調整することである。
また、前記伝送線路あるいはLC回路で構成された位相調整回路により、前記スイッチモジュール部と高周波増幅器モジュール部との間の接続基準面から高周波増幅器側を見たときのインピーダンスZ1と、前記接続基準面からスイッチ側を見たときのインピーダンスZ2との関係が、前記Z1の位相θの共役整合の関係にある位相をθ1としたとき、前記Z2の位相θ2をθ1に対し180度±120度の非共役整合領域に位相調整することが望ましい。より好ましくは180度±90度、更に好ましくは180度±45度の非共役整合領域に位相調整することである。
尚、このとき前記位相調整回路として伝送線路を用いたときは、前記Z2の位相θ2がθ3よりもθ0に近づくように、現在の伝送線路の長さよりも長くなる方向に調整されていることが望ましい。
尚、このとき前記位相調整回路として伝送線路を用いたときは、前記Z2の位相θ2がθ3よりもθ0に近づくように、現在の伝送線路の長さよりも短くなる方向に調整されていることが望ましい。
また、ローパスフィルタまたはハイパスフィルタをチップインダクタとチップコンデンサで構成したとき、チップインダクタとチップコンデンサは前記積層体上に搭載するか、回路基板上に実装する外付け部品となすので、モジュールした後でも適宜調整ができて望ましい。
本発明では、高周波増幅器回路とスイッチ回路の間にカプラ回路を介するか、またはスイッチ回路の代わりにカプラ回路を構成しても実現できる。
また、本発明は、上記した高周波部品または高周波モジュールを搭載することにより小型軽量で電力付加効率の高い通信機となすことができる。
尚、本発明では便宜上、高周波増幅器側のインピーダンスZ1を固定し、アンテナスイッチモジュール側のインピーダンスZ2を変化調整した例に基づいて説明するが、逆にアンテナスイッチモジュール側のインピーダンスZ2を固定し、高周波増幅器側のインピーダンスZ1を変化調整することでも本発明は実施できる。さらに、両側(高周波増幅器HPA、アンテナスイッチモジュールASM)を適宜調整することでも本発明は実施できる。これらは特許請求の範囲についても言えることである。また、本明細書においてアンテナスイッチモジュールとあるのは、本発明の高周波モジュールを共用のアンテナに接続したときの呼称として用いているものであって、本発明の高周波部品並びに高周波モジュールと実質的に同等のものである。
(1)基準面から見たアンテナスイッチモジュール側の位相が、高周波増幅器側の位相θの符号を反転させた位相θ1(−θ)のとき挿入損失及び減衰量は最小となる。即ち、インピーダンスZ1の共役整合に相当する位相θ1で挿入損失が最小となる。しかしこのとき減衰量も最小となる。
(2)基準面から見たアンテナスイッチモジュール側の位相が、θ1の逆位相θ0(θ1±180度)で挿入損失及び減衰量は最大となる。即ち、共役インピーダンスに相当する位相θ1の逆位相θ0で減衰量が最大となる。しかし、このとき挿入損失も最大となる。
尚、共役インピーダンスとは、あるインピーダンスに対して複素共役の関係にあるインピーダンスである。等しい抵抗成分と大きさが等しく符号が反対のリアクタンス分をもつインピーダンスの関係をいい、θのインピーダンス(R+jX)とθ1のインピーダンス(R−jX)は複素共役である。このような関係を共役整合と言いインピーダンス整合が実現する。ここで(R+jX)と(R−jX)による共役整合が理想的で最適であるが、(R’−jX)というリアクタンス部分のみを考慮し調整するだけでも効果があることを本検討により知見した。また、インピーダンス(R+jX)全てを合わせるのは難しいが、少なくとも位相を考慮すれば十分な効果があり、且つ現実的な調整手段であることを見出した。
次に、不要な2倍波、3倍波のn次周波数帯域においては高調波減衰量を最大にするため(2)を満足するように、インピーダンスZ2を非共役整合に相当する位相θ2に調整する。非共役整合とは共役整合以外の状態である。これはθ1に対して逆位相にあるθ0が最も望ましい位置であることを知見し、且つ許容範囲があることを見出した。この点が本発明の特徴の一つであり、これを最大減衰量に対し5dB劣化を許容するθ0±120度の位相θ2の領域とした。好ましくは3dB劣化を許容するθ0±90度であり、更に好ましくはθ0±45度である。領域としたのは個々の場合によって条件が異なるし移動する方向も異なるので±の範囲としてとらえた。よって、まずは共役整合に相当する位相θ1から逆位相の方向に位相をずらすことを行い、より具体的にはθ2の領域内に位相調整することが第2の指針となる。
(a)位相調整回路のアンテナスイッチ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がスミスチャート上でθ0に対し反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、現在の伝送線路の長さよりも長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を時計回り方向に移動させて調整する。尚、ここで伝送線路の幅を細くしても良いが、定性的にはこのときの位置がスミスチャートの上半円にいるときは時計回りの動きをするが、下半円にいるときは反時計回りに近い動きをする。よって、幅を細くする手段は現在位置と回転方向の考慮が必要となる。
(b)同じく位相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、現在の伝送線路の長さよりも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。尚、伝送線路ASL1側は太く短くする調整の方が望ましい。但し、伝送線路の幅を太くする場合は、細くする場合とは反対にスミスチャートの上半円にいるときは反時計回りの動きをするが、下半円にいるときは時計回りに近い動きをするので、この場合も現在位置と回転方向の考慮が必要となる。
(c)位相θ3がθ0に対し反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、図3▲1▼〜▲4▼のLC回路からなるローパスフィルタを挿入する。ここで直流カットコンデンサCa1、Ca2のどちらか一方は省略できるので、ここではCa1を省略し点線で示している。また、▲2▼、▲4▼でアンテナスイッチ側のコンデンサCa1を省略すればグランドに落ちる伝送線路L5と並列共振を作ることが出来る。この場合伝送線路L5が短くてすみ、積層時のレイアウト調整に都合が良い。
(d)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、図4▲1▼〜▲4▼のLC回路からなるハイパスフィルタを挿入する。この場合もどちらか一方の直流カットコンデンサCa1、Ca2は省略できるし、他方のCは実質無くても動作するので、結局、高周波増幅器側のコンデンサCa2あるいはCだけを残しておき、他端が接地されたインダクタLあるいは伝送線路SLの一端をアンテナスイッチ側に接続して構成すれば良い。従って、ハイパスフィルタを挿入する場合の位相調整は回路が簡略されて望ましい。以上の調整手段も本発明の特徴である。
一般に携帯電話システムでは、周囲の携帯電話機との混信を避けるため、基地局から携帯電話へ向けて、発信出力が交信に必要な最小限度のパワーとなるように制御信号(パワーコントロール信号)が送られている。この制御信号に基づいて動作するAPC(Automatic Power Control)回路によって、送信側出力段の高周波増幅器では、その送信出力が通話に必要な出力となるようにゲート電圧が制御される。これは実際に高周波増幅器から出力されている電力をモニタして得られた検知信号と、基地局からのパワーコントロール信号とを比較し制御される。このように、携帯電話の通信システムでは周囲環境に適応するよう出力を可変させて通話をおこなうことにより、他の携帯電話との間で混信を生じ難くくし、通話品質を安定維持できるように構築されている。また、欧州のデジタル携帯電話のシステムにおいて高周波増幅器の出力検出回路は大きく分けて2つの方式がある。一つは高周波増幅器の出力端子にカプラ回路を取り付け、出力電力を検出する方式と、もう一つの方式は高周波増幅器部に1〜10Ω程度の抵抗を付け、電圧降下から消費電力を求め、高周波電力に換算する方式の2つである。一般的に前者は積層体への回路形成で実現され、後者には色々な種類の派生手段がある。例えば搭載部品や半導体チップへの回路集積で実現される等である。以下の実施例は、後者の方式で出力電力をモニタする機能が予め備えられた半導体チップを用いている場合である。
さて、実施例の図6はEGSM、DCS、PCSトリプルバンド用アンテナスイッチモジュールの等価回路図を示す。図7には同じく高周波増幅器の等価回路図を示す。図5は両者を繋ぐ位相整合回路周辺を示している。また、本実施例では図17の実線で示す範囲を一つの積層体内に複合化した高周波モジュールであり、図10はその積層体シートの一部展開図である。
以上の高周波部品(アンテナスイッチモジュール)の制御ロジックをまとめると表1のようになる。
尚、図6及び図7の等価回路において伝送線路及びインダクタはストリップラインで構成されることが多いものの、マイクロストリップライン、コプレーナガイドライン等で構成されていてもよい。また、増幅器回路側は、半導体素子Q3と電源供給回路を同様に付加して増幅回路を3段、またそれ以上の多段となしハイパワーアンプとして構成することも出来る。尚、トランジスタはQ1をFET、Q2をB-Trとしたが、それぞれ他の種類のトランジスタでも良い。例えば、Si-MOSFET、GaAsFET、Siバイポーラトランジスタ、GaAsHBT(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)、HEMT(高電子移動度トランジスタ)等があげられる。もちろん、いくつものトランジスタを集積化したMMIC(モノリシックマイクロ波集積回路)を用いても良い。また、本実施例では伝送線路SL3とトランジスタQ2の間を直接繋いでいるが、抵抗を介して接続しても良い。
グリーンシートは伝送線路や容量を形成しやすいようにシート厚みは40〜200μmのものを使用した。電極材は銀系のものを用いた。このセラミックグリーンシートの各層に伝送線路やコンデンサ容量を電極パターンにより形成し、適宜スルーホールを設けて回路を構成した。このセラミックグリーンシートを順次積層圧着し、950℃で焼成することにより高周波部品が複合化された積層体モジュールが得られる。積層体の大きさは横13.75mm×縦8mm×高さ0.75mm程度であり、積層体の上面にはダイオードやトランジスタ及びチップインダクタ、チップコンデンサを搭載し、その上に金属ケースを被せて完成品とする。完成後の全高は1.8mm程度である。ただし、金属ケースの代わりに、樹脂封止パッケージとしても良く、この場合の全高は1.5mm程度である。また、他の積層体の大きさとしては横10mm×縦8mm×高さ0.75mmのものも実施した。この場合も完成品としての全高は、金属ケースの場合で1.8mm程度、樹脂封止パッケージの場合で1.5mm程度である。
以上により、グランド電極G0及びスルーホール電極HGによるグランドによって両者間の干渉が無くなり、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ものである。さらに、高周波部品を一つの積層体内に集約したので携帯電話内のプリント配線基板上の実装面積は、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25%〜50%の小型化が出来た。よって、携帯電話やPDA等の小型情報端末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。
特性について言えば、従来はGSM送信時において、効率35%、2倍高調波-25dBm、3倍高調波-25dBm 程度であったが、本実施例によれば効率43%以上、2倍高調波-38dBm以下、3倍高調波-36dBm以下と特性向上が図られた。このとき、DCS/PCS送信時の特性は効率34%以上、2倍高調波-38dBm以下、3倍高調波-36dBm以下を達成できた。これにより、GSM帯域のみならず、DCS/PCS帯域においても本発明の有効性を確認できた。
以上の特性向上により、この高周波モジュールを携帯電話に用いた場合、従来のように別々に部品を実装した場合と比べて、5〜10%程度の高効率化が可能となった。これにより、送信時の消費電力が少なくなり、バッテリーの持ちが良くなり、一充電あたりの通話時間として10〜20%程度の長期通話が可能となった。
また、上記のようにこれまでは携帯端末メーカが所望の特性を得るために複数種の高周波増幅器とアンテナスイッチモジュールを組合せて評価をしたり、また、それらを使いこなすために、プリント基板上に整合回路や高調波フィルタ等を形成するといった様々な工夫を行っていたが、これらを全て省略できる。
HPA:ハイパワーアンプ
Dip:ダイプレクサ(分波器、分波回路)
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
G0:グランド電極
HG:スルーホールによるグランド電極
Claims (13)
- 通過帯域が異なる複数の送受信系を扱う高周波部品であって、
高周波数側の信号と低周波数側の信号を分波する分波回路と、
前記分波回路に接続され、送信系又は受信系との接続を切り替えるスイッチ回路と、
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する高周波増幅器回路と、
前記スイッチ回路と高周波増幅器回路との間に位相調整回路を有し、
前記スイッチ回路と高周波増幅器回路の前記位相調整回路を介しての整合が、必要な基本周波数帯域においては共役整合に相当する位相の関係にあるが、不要なn倍(nは2以上の自然数)の周波数帯域においては非共役整合に相当する位相の関係にあることを特徴とする高周波部品。 - 前記スイッチ回路と高周波増幅器回路との間の接続基準面から高周波増幅器側を見たときのインピーダンスZ1と、前記接続基準面からスイッチ回路側を見たときのインピーダンスZ2との関係が、前記Z1の位相θの共役整合の関係にある位相をθ1としたとき、前記Z2の位相θ2をθ1に対し180度±120度の非共役整合領域に位相調整したことを特徴とする請求項1記載の高周波部品。
- 通過帯域が異なる複数の送受信系を扱う高周波部品であって、
高周波数側の信号と低周波数側の信号を分波する分波回路と、
前記分波回路に接続され、送信系又は受信系との接続を切り替えるスイッチ回路とを有し、
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、前記分波回路のLC回路、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電極パターンにより構成し、前記スイッチング素子またはLC回路の一部を構成するチップ素子は前記積層体上に配置したスイッチモジュール部と、
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、電極パターンにより構成し、前記半導体素子またはLC回路の一部を構成するチップ素子は前記積層体上に配置した高周波増幅器モジュール部と、
前記高周波増幅器モジュール部と前記スイッチモジュール部との間の位相調整回路を、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、電極パターンにより構成し、
前記スイッチモジュール部と高周波増幅器モジュール部及び位相調整回路を前記一つの積層体に形成したことを特徴とする高周波モジュール。 - 前記伝送線路あるいはLC回路で構成された位相調整回路により、前記スイッチモジュール部と高周波増幅器モジュール部の前記位相調整回路を介しての整合が、必要な基本周波数帯域においては共役整合に相当する位相の関係にあるが、不要なn倍(nは2以上の自然数)の周波数帯域においては非共役整合に相当する位相の関係にあることを特徴とする請求項3記載の高周波モジュール。
- 前記伝送線路あるいはLC回路で構成された位相調整回路により、前記スイッチモジュール部と高周波増幅器モジュール部との間の接続基準面から高周波増幅器側を見たときのインピーダンスZ1と、前記接続基準面からスイッチ側を見たときのインピーダンスZ2との関係が、前記Z1の位相θの共役整合の関係にある位相をθ1としたとき、前記Z2の位相θ2をθ1に対し180度±120度の非共役整合領域に位相調整したことを特徴とする請求項3又は4記載の高周波モジュール。
- 接続基準面から高周波増幅器側を見たときのインピーダンスZ1、
前記接続基準面からスイッチ側を見たときのインピーダンスZ2、
前記位相調整回路のスイッチ側からスイッチ側を見たときのインピーダンスZ3との関係が、
Z1の位相θの共役整合の関係にある位相をθ1、
θ1に対する180度の逆位相をθ0としたとき、
Z3の位相θ3がθ0に対し反時計回り方向にあるとき、
前記位相調整回路としてLC回路からなるローパスフィルタを用い、Z2の位相θ2がθ3よりもθ0に近づくように調整したことを特徴とする請求項3〜5の何れかに記載の高周波モジュール。 - 前記位相調整回路として伝送線路を用いたときは、前記Z2の位相θ2がθ3よりもθ0に近づくように、現在の伝送線路の長さよりも長くなる方向に調整したことを特徴とする請求項6記載の高周波モジュール。
- 接続基準面から高周波増幅器側を見たときのインピーダンスZ1、
前記接続基準面からスイッチ側を見たときのインピーダンスZ2、
前記位相調整回路のスイッチ側からスイッチ側を見たときのインピーダンスZ3との関係が、
Z1の位相θの共役整合の関係にある位相をθ1、
θ1に対する180度の逆位相をθ0としたとき、
Z3の位相θ3がθ0に対し時計回り方向にあるとき、
前記位相調整回路としてLC回路からなるハイパスフィルタを用い、Z2の位相θ2がθ3よりもθ0に近づくように調整したことを特徴とする請求項3〜5の何れかに記載の高周波モジュール。 - 前記位相調整回路として伝送線路を用いたときは、前記Z2の位相θ2がθ3よりもθ0に近づくように、現在の伝送線路の長さよりも短くなる方向に調整したことを特徴とする請求項8記載の高周波モジュール。
- 前記ハイパスフィルタのインダクタLの一端が前記スイッチモジュール部側にコンデンサを介さずに接続され、他端が接地されていることを特徴とする請求項8記載の高周波モジュール。
- 前記ローパスフィルタまたはハイパスフィルタをチップインダクタとチップコンデンサで構成し、これらチップインダクタとチップコンデンサは前記積層体上に搭載するか、回路基板上に実装する外付け部品としたことを特徴とする請求項6、8、10の何れかに記載の高周波モジュール。
- 前記高周波増幅器回路とスイッチ回路の間にカプラ回路を介するか、またはスイッチ回路の代わりにカプラ回路を構成したことを特徴とする請求項3〜11の何れかに記載の高周波モジュール。
- 前記請求項1又は2に記載の高周波複合部品または前記請求項3〜12の何れかに記載の高周波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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JP2010528545A (ja) * | 2007-05-29 | 2010-08-19 | テレフオンアクチーボラゲット エル エム エリクソン(パブル) | マルチバンドrf受信機用の構成設定可能な可変利得のlna |
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