JP2006270245A - アンテナスイッチモジュール及びこれを用いた通信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 2倍、3倍周波数との間の減衰量のピークをシフトさせることができ、2倍、3倍周波数の減衰量を大きくできるアンテナスイッチモジュールを提供する。
【解決手段】 共用のアンテナと、通過帯域が異なる複数の送受信系の送信回路及び受信回路と、アンテナと前信回路及び受信回路との間に接続された分波器と、分波回路と接続される入出力端子と、受信回路に接続される入力(受信)端子と、送信回路に接続される出力(送信)端子とを有し、入出力端子と出力(送信)端子との間にアンテナと送信回路の接続及びアンテナと受信回路との接続を切り換えるアンテナスイッチ回路を設けたアンテナスイッチモジュールにおいて、アンテナスイッチ回路のうち、送信回路からアンテナへの送信経路にはダイオード素子とローパスフィルタを直列に接続しており、さらにダイオード素子とローパスフィルタとの間に伝送線路を設けたアンテナスイッチモジュール。
【選択図】 図1

Description

本発明は、GSM850、EGSM、DCS、PCSなどの周波数帯と通信方式が異なるマルチバンド携帯電話システムにおいて、アンテナを少なくとも2つ以上の周波数帯の信号経路に切り換えるアンテナスイッチモジュール及びこれを用いた通信装置に関するものである。
携帯電話などのグローバル化の進展は速く、複数の周波数帯と複数の通信方式を使用した携帯電話が実用化されている。周波数帯と通信方式が異なるマルチバンドの端末として動作する必要があるため、回路が複雑になり部品点数の増加が機器の大型化やコストの増加を招く。このため、回路の集約による部品点数の削減や、部品の共用化を積極的に行なうことが必要になっている。特に、サイズの大きいアンテナの共用化を図ることは端末の小型化に大きく寄与するので、1つのアンテナをマルチバンド間で切り換えるために小型のアンテナスイッチ回路の開発が重要な課題になっている。
アンテナスイッチモジュールの小型化かつ、使用バンド数増に伴い、送信時に発生する高調波発生量が問題となっている。高調波発生量を抑制する手段として、直列共振回路と並列共振回路を組み合わせたローパスフィルタが用いられている。(例えば、特許文献1参照)。この回路は直列共振回路ならびに並列共振回路の共振周波数を主信号のほぼ2倍、3倍周波数に合わせ、直列共振回路と並列共振回路の間に位相調整用の伝送線路を接続し、減衰量を増加させたものである。また並列共振回路を構成するローパスフィルタの一端にインダクタとコンデンサからなる共振回路による減衰極を形成し、減衰量を増加させた方法が用いられている(例えば特許文献2)。
特開2004−328136号公報(請求項2、図6参照) 特開2004−241875号公報(請求項1、図1参照)
特許文献1,2のローパスフィルタでは、並列共振回路と直列共振回路の2回路を構成する必要がある。そのためこの回路は従来のローパスフィルタよりも回路構成が大きくなる。近年発展が目覚ましい携帯電話に代表されるデジタル機器は、小型化の要求が強く、内蔵される部品についても同様である。このようなローパスフィルタや分波器を含む回路を誘電体シート上に電極パターンで構成し、これらのシートを積層して積層体となしたアンテナスイッチモジュールについても小型化の要求があり、この点で特許文献1,2のようなローパスフィルタを構成することは、小型化の観点から不利であった。
また、送信経路において一般的なローパスフィルタの共振周波数は、送信周波数のほぼ2倍周波数となっていることが多い。DCS/PCS通信モード(送信周波数:1710〜1910MHz)であり、共振周波数が2倍周波数(3420〜3820 MHz)であるローパスフィルタを接続した高周波特性のシミュレーションデータを図7(a)に、その際のアンテナスイッチ回路の一例を図7(b)に示す。図7(b)の回路では3倍周波数(5130〜5730 MHz)を減衰させるための回路構成にはなっていない。しかし実用上は、通信機器において2倍周波数と共に3倍周波数の高調波発生量の大きさが規定されており、またパワーアンプから発生する高調波発生量は低次高調波の発生量が大きい。そのためアンテナ端子とパワーアンプの間で、これらの低次高調波成分を優先的に減衰させることが必要である。そのため3倍周波数の減衰量を得るためには、ローパスフィルタ周辺の回路を調整し、2倍周波数の減衰量を得つつ、2倍周波数と3倍周波数の中間周波数付近で減衰量を小さくし、3倍周波数付近に減衰量のピークを作ることで対処している。図7(a)では実際の3倍周波数付近の減衰極が狙いの3倍周波数(5130〜5730MHz)よりも高周波側にあるため、高調波減衰量がスペックアウトした。しかし、このとき共振周波数をローパスフィルタで調整すること自体手間であるし、調整したとしても、2倍波減衰量がずれることは避けられず、簡単にローパスフィルタの共振周波数を調整することはできない。そのため2倍波減衰量と3倍波減衰量の両方を、単純なローパスフィルタで得ることは困難であった。
そこで本発明の目的は、一般的なスイッチ回路において、2倍周波数と3倍周波数との間の減衰量のピークを簡単にシフトさせることができ、1段のローパスフィルタで2倍周波数と3倍周波数の減衰量を大きく得ることが容易に可能である、アンテナスイッチモジュール及びこれを用いた携帯電話等の無線通信機器を提供することである。
本発明は、共用のアンテナと、通過帯域が異なる複数の送受信系の送信回路及び受信回路と、前記アンテナと前記送信回路及び受信回路との間に接続された分波器と、前記分波回路と接続される入出力端子と、前記受信回路に接続される入力(受信)端子と、前記送信回路に接続される出力(送信)端子とを有し、前記入出力端子と出力(送信)端子との間に前記アンテナと送信回路の接続及び前記アンテナと受信回路との接続を切り換えるアンテナスイッチ回路を設けたアンテナスイッチモジュールにおいて、前記アンテナスイッチ回路のうち、前記送信回路からアンテナへの送信経路にはダイオード素子とローパスフィルタを直列に接続しており、さらに前記ダイオード素子とローパスフィルタとの間に伝送線路を設けたことを特徴とするアンテナスイッチモジュールである。
本発明は前記記載の入出力端子とダイオード素子との間にコンデンサ素子を接続し、前記の伝送線路とローパスフィルタの間にインダクタ素子を接続し、前記記載のコンデンサ素子と前記記載のインダクタ素子が直列に接続されているアンテナスイッチモジュールであることが望ましい。
本発明における前記のダイオード素子は、入出力端子側をアノード、出力端子側をカソードとしたアンテナスイッチモジュールであることが望ましい。
本発明は前記記載のアンテナスイッチモジュールを用いたことを特徴とする通信装置である。
本発明によれば、アンテナスイッチ回路を構成するダイオード素子とローパスフィルタの間に伝送線路を接続することにより、送信時に発生する2倍高調波、3倍高調波などの高調波成分を容易に減衰させることが可能となった。また、これらのアンテナスイッチモジュールを用いることにより、小型で性能の良い通信装置を構成することが可能となった。
まず、図1を用いて本発明のアンテナスイッチ回路部分について説明する。図1で示している11はアンテナ端子、12は分波回路、13はダイオード、14は伝送線路、15はローパスフィルタ、16は受信端子、17は送信端子、18はアンテナスイッチ回路である。本発明では図1に示すように、ダイオード13とローパスフィルタ15との間に伝送線路14を接続する。この伝送線路14の線路幅、長さ、形状などを変化させることにより、送信時に発生する2倍高調波と3倍高調波などの高調波成分を容易に減衰させることが出来る。伝送線路14はダイオード13のアノード側に接続しても効果は得られるが、受信回路側のインピーダンスに影響を与えるため、カソード側に接続するほうが望ましい。
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。
(実施例)
図2は、本発明のアンテナスイッチ回路を用いたアンテナスイッチモジュール回路の一実施形態を示す。このアンテナスイッチモジュールは、GSM850帯域(送信周波数:824〜849MHz、受信周波数:869〜894MHz)、EGSM帯域(送信周波数:880〜915MHz、受信周波数:925〜960MHz)、DCS帯域(送信周波数:1710〜1785MHz、受信周波数:1805〜1880MHz)、PCS帯域(送信周波数:1850〜1910MHz、受信周波数:1930〜1990MHz)の4つの異なる周波数帯の信号を取り扱うものである。アンテナに接続された分波回路21は、LC回路からなるローパスフィルタ22と、LC回路からなるハイパスフィルタ23を組み合わせたものである。そして、この分波回路21の後段には、アンテナスイッチ回路24、26が接続されている。アンテナスイッチ回路24はGSM850とEGSM経路の送信信号と受信信号の切り換えを行い、アンテナスイッチ回路26はDCSとPCS経路の送信信号と受信信号の切り換えを行っている。また、アンテナスイッチ回路24の後段の受信経路側にはGaAsスイッチ30が、アンテナスイッチ回路26の後段の受信経路側にはGaAsスイッチ31がそれぞれ接続されている。これらのGaAsスイッチは、GSM850とEGSMの受信信号ならびにDCSとPCSの受信信号を切り換える機能を持っている。
回路27にあるコンデンサCD6とインダクタLD4は、GSM850/EGSM送信時に発生するDCS/PCSTx端子からの漏洩信号を減衰させるためのノッチフィルタの一部である。漏洩信号はダイオードD4を通過する際に、ダイオードD4がオフ状態であるため大きな高調波を発生する。しかし、図1に示したように伝送線路28をこの回路に接続することにより、回路27にあるインダクタLD4とダイオードD4のコンデンサ成分により漏洩信号を反射させることができる。そのため、ダイオードD4に入力される漏洩信号が小さくなり、高調波発生量を減衰させることが可能となる。伝送線路28はDCS/PCS送信時には、ダイオード素子と伝送線路が接続された線路が主線路となり、高周波特性にはほとんど影響しない。
次に、DCS/PCS送信時のアンテナスイッチモジュール回路の状態を説明する。送信時にはVC2とVC3がON状態となり、VC1とVC4がOFF状態となる。DCS/PCS送信端子から入力された信号は、ローパスフィルタ29を通過した際に、2倍高調波ならびに3倍高調波成分が減衰される。ローパスフィルタ29を通過した信号は、ダイオード素子D4、伝送線路28、インダクタ素子LD4、コンデンサCD6で組み合わされた回路27を通過する。この際、VC2がオン状態であるため、回路27に組み込まれたダイオード素子D4はオン状態であり、通過する信号はほとんど減衰されない。回路27を通過した信号は、分波回路23とλ/4伝送線路LD1の接続点P1に到達する。このとき受信側のダイオードD3と接地されたコンデンサCD4により、λ/4伝送線路LD1の受信端子側はほぼ送信周波数において、ショート状態となっている。そのため接続点P1から受信端子側を見た場合には、ほぼ高周波的にオープンとなり、受信側にはほとんど信号が漏洩しない。結果としてローパスフィルタ29を通過した信号は、分波回路21のハイパスフィルタ23を通過し、アンテナ端子から放射される。
ここで、まず回路27において伝送線路28を接続していない場合のDCS/PCS_TxからANTまでの減衰量のシミュレーションデータを図3(a)に、実測データを図3(b)に示す。なお減衰量は2倍周波数(3420〜3820 MHz)の図中で塗り潰した領域以下を、3倍周波数(5130〜5730 MHz)の図中で塗り潰した領域以下をクリアできれば良い。アンテナスイッチモジュールではDCS/PCS_Tx送信周波数の2倍、3倍周波数といった高調波信号を減衰させる必要がある。しかしアンテナスイッチモジュールの小型化を満足させるためには、せいぜい1段型のローパスフィルタ29のみを接続することしかできず、特許文献1,2のような多段型のローパスフィルタを接続することは難しい。1段のローパスフィルタを用いたアンテナスイッチモジュールのDCS/PCS_TxからANTまでの高周波特性は、図3(a)のシミュレーションデータでは、25dB以下が必要である3倍周波数減衰量を満たすことができたが、実際の製品モジュールを測定した結果では図3(b)に示すように、2倍周波数減衰量は目標である30dB以上の減衰量を得ることができたが、3倍周波数減衰量は最悪点で13dBであり、規格値を大幅にスペックアウトした。2倍周波数減衰量の共振周波数はほぼ目的の位置にあるため、この共振周波数をシフトさせることは難しい。
次に本発明を適用したアンテナスイッチモジュールにおけるDCS/PCS_TxからANTまでの経路の高周波特性のシミュレーションデータを図4(a)に、実測データを図4(b)に示す。このアンテナスイッチモジュールは伝送線路28を接続したことにより、シミュレーション上では図4(a)に示すように2倍周波数と3倍周波数の間のピークを、伝送線路28を接続しなかった場合の4.5GHz付近と比べて低周波側に500MHz程度シフトさせることができた。このピークは、伝送線路28の長さや形状を変更することにより、容易に調整が可能である。例えば、伝送線路28の長さを長くすると、ピークがシフトする量が大きくなり、図4(b)よりも低周波側にピークの盛り上がりが現れる。また伝送線路28を巻線型にするとインダクタ成分が大きくなり、図4(b)よりも低周波側へピークがシフトする。また伝送線路28を接続した回路の実際の製品モジュールでの高周波特性を図4(b)に示す。伝送線路を接続したことにより、図4(b)では3倍周波数付近にあった減衰量の最大極は2倍周波数と3倍周波数のほぼ中間にシフトさせることができた。そのため2倍波減衰量は目標である30dBを確保しつつ、3倍周波数付近に減衰量のピークをシフトさせることにより、3倍波減衰量の規格値である25dB以上を確保することができている。
次に、伝送線路28の接続の有無による送信周波数の挿入損失を比較した結果を図5に示す。通常、信号が伝達する主線路に伝送線路を接続した場合は挿入損失の悪化が見られる。しかし本発明では、伝送線路28接続前後で挿入損失の劣化はほとんど見られない。これはこの伝送線路28が、送信波長のλ/4よりも充分短いものであり、送信周波数付近の位相などにはほとんど影響を与えないためであると考えている。本実施例では伝送線路28の長さは下記するように1.2mm、線幅75μmであり、伝送線路の有無で0.01dB程度の挿入損失の差しか見られず、ほとんど影響していないことがわかる。
さて本発明によるアンテナスイッチモジュールは、図6に示すように誘電体シートを複数枚積層した積層体構造となし、その積層体上にチップ部品を搭載することにより軽量小型に構成できる。裏面のRX1〜4、TX1〜2、ANT端子はそれぞれ高周波信号用の端子であり、RX1端子はGSM850_Rx端子、RX2端子はEGSM_Rx端子、RX3端子はDCS_Rx端子、RX4端子はPCS_Rx端子、TX1端子はGSM850/EGSM_Tx端子、TX2端子はDCS/PCS_Tx端子に対応している。GNDはグラウンドに接続される端子である。それぞれの高周波信号用端子は、特に送信端子どうしが隣り合わないように設計している。これにより高出力である送信端子間の干渉を抑え、挿入損失の改善ができる。
図6の誘電体シートに印刷された電極について説明する。図6は本発明を用いたアンテナスイッチモジュールの積層体構造を形成するシートの一部を示している。上面にはチップコンデンサ、インダクタ、抵抗やPINダイオード、GaAsスイッチなどが搭載されている。2枚目のシートには主な伝送線路としてLG3A、LG5A、LF4A,LF5Aが印刷されている。LG3Aはスイッチ回路24の中にある、受信側のλ/4伝送線路LG3の一部である。LG5Aはスイッチ回路24とGaAsスイッチ30を接続するための伝送線路である。伝送線路38の長さは約1.2mmであり、線幅は75μmである。この伝送線路長ならびに伝送線路幅、また伝送線路の形状を変更することにより、3倍周波数の減衰極をシフトさせることができる。また伝送線路28はローパスフィルタ29や分波回路23と干渉しないように設計するのが望ましい。また伝送線路28をダイオードD4のアノード側に接続した場合には同様の効果が得られるが、受信経路のλ/4伝送線路LD3のインピーダンスに影響を与えるため、本実施例においてはダイオードD4のカソード側に伝送線路38を接続することが望ましい。
3枚目のシートには3つのグラウンド電極が印刷されている。この電極パターンはグラウンド電極との間で接地容量を構成する役割を持つほか、上下間の層どうしでの干渉を防ぐために挿入されている。またCF2Aは分波器21のハイパスフィルタ23を構成するためのコンデンサ電極CF2の一部であり、LG1Aはローパスフィルタ25を構成する伝送線路LG1の一部である。この伝送線路の長さや幅を調整することにより、EGSM_Tx→ANT間の高周波特性の減衰特性を調整することができる。
4枚目のシートには、8つの主な伝送線路の一部である電極が印刷されている。LF1A、LF2Aは分波器33を構成するローパスフィルタ21の伝送線路LF1、LF2の一部である。LG1B、LG2Aはローパスフィルタ25を構成する伝送線路LG1,LG2の一部である。LG3Aはアンテナスイッチ回路24の受信側のλ/4伝送線路LG3の一部である。LD1Aはローパスフィルタ29を構成する伝送線路の一部である。LV5Aは上面に搭載されているGaAsスイッチ30、31に電圧を印加させるための伝送線路である。
本発明では、1層の厚みが20〜80μm(一体焼成後の寸法)の誘電体シートの各層の電極を印刷してスルーホールで接続した例である。図6でスルーホールは黒塗りした正方形である。この正方形部に孔があいておりスルーホールを形成している。誘電体としては、例えばアルミナ系ガラスセラミック等の低温同時焼成セラミクス(LTCC)材料などが挙げられる。この積層体は、低温焼成が可能なセラミック誘電体材料からなるグリーンシートを用意し、そのグリーンシート上にAg、Pd、Cuなどの導電ペーストを印刷して、所望の電極パターンを形成し、それを適宜積層し、900℃程度で一体焼成して構成される。シートの厚さは大体25〜110μmの範囲で、使用用途によりドクターブレード法などで制御される。所定の内部電極パターンを多数形成した大きなシートを積層し、一つ一つのチップサイズに切断した後、焼成し、端子電極を形成し、誘電体積層素体を作製する。端子電極は、通常Ag−Ni−半田の三層構造をしており、Ni層により半田熱耐性、半田層による半田濡れ製を充分得られるようにしている。この誘電体積層素体上にメタルマスクを使用した半田印刷を行い、そのあとGaAsスイッチやダイオードスイッチ、また容量が大きく積層素体内に形成できなかったチップコンデンサや抵抗、インダクタなどを搭載し、リフローする。
本発明では、積層体上に配置されたチップ部品を囲むように金属ケースを配置するか、もしくはリフローハンダ時の熱に耐えられる耐熱性の樹脂でモールドすることが望ましい。金属ケースもしくは耐熱性の樹脂を用いることにより、チップ上面を平坦にすることが可能となり、アンテナスイッチモジュールを用いるメーカ側が自動実装の際に、真空吸引しやすくなるためである。
本発明はアンテナスイッチモジュールだけではなく、他の通信機器にも展開することが可能である。特に高周波を扱う、Bluetooth通信機器、無線LAN通信機器(802.11a/b/g/n)などにも応用することが可能である。
本発明に係るアンテナスイッチ回路の一実施例を示す回路ブロック図である。 本発明に係るアンテナスイッチ回路を用いたアンテナスイッチモジュールの等価回路図である。 図2の回路において本発明に係る伝送線路が無い場合のDCS/PCSTxからANT間経路の減衰量特性を示すもので、(a)はシミュレーションデータを、(b)は実測データを示すものである。 図2の回路において本発明に係る伝送線路が有る場合のDCS/PCSTxからANT間経路の減衰量特性を示すもので、(a)はシミュレーションデータを、(b)は実測データを示すものである。 図2の回路において本発明に係る伝送線路が有る場合と無い場合での、DCS/PCSTxからANT間経路の挿入損失データを示すものである。 本発明のアンテナスイッチモジュールを積層体に構成したときの積層シートの一部の展開図である。 従来のローパスフィルタの一例を示すもので、(a)は減衰特性を示す図、(b)は等価回路図を示すものである。
符号の説明
11:アンテナ端子、12:分波回路、13:ダイオード素子、14:伝送線路、15:ローパスフィルタ、16:受信端子、17:送信端子、18:アンテナスイッチ回路
21:分波器、22:分波器を構成するローパスフィルタ回路、23:分波器を構成するハイパスフィルタ回路、24:GSM850/EGSM経路のアンテナスイッチ回路、25:GSM850/EGSM_Tx経路のローパスフィルタ、26:DCS/PCS経路のアンテナスイッチ回路、27:DCS/PCS_Txがオフ時の高調波発生抑制回路、28:本発明に関わる伝送線路、29:DCS/PCS_Tx経路のローパスフィルタ、30:GSM850/EGSMの受信信号を切り換えるためのGaAsスイッチ、31:DCS/PCSの受信信号を切り換えるためのGaAsスイッチ
71:分波回路との接続端子、72:受信端子、73:電源端子、74:送信端子、75:アンテナスイッチ回路
LF:分波器を構成する伝送線路
LG:GSM側アンテナスイッチ回路を構成する伝送線路
LD:DCS側アンテナスイッチ回路を構成する伝送線路
CF:分波器を構成するコンデンサ電極
CG:GSM側アンテナスイッチ回路を構成するコンデンサ電極
CD:DCS側アンテナスイッチ回路を構成するコンデンサ電極
D:ダイオード素子
G:GaAsスイッチ
GND:グラウンド端子
Tx1:GSM850/EGSM送信端子
Tx2:DCS/PCS送信端子
Rx1:GSM850受信端子
Rx2:EGSM受信端子
Rx3:DCS受信端子
Rx4:PCS受信端子

Claims (4)

  1. 共用のアンテナと、通過帯域が異なる複数の送受信系の送信回路及び受信回路と、前記アンテナと前記送信回路及び受信回路との間に接続された分波器と、前記分波回路と接続される入出力端子と、前記受信回路に接続される入力(受信)端子と、前記送信回路に接続される出力(送信)端子とを有し、前記入出力端子と出力(送信)端子との間に前記アンテナと送信回路の接続及び前記アンテナと受信回路との接続を切り換えるアンテナスイッチ回路を設けたアンテナスイッチモジュールにおいて、前記アンテナスイッチ回路のうち、前記送信回路からアンテナへの送信経路にはダイオード素子とローパスフィルタを直列に接続しており、さらに前記ダイオード素子とローパスフィルタとの間に伝送線路を設けたことを特徴とするアンテナスイッチモジュール。
  2. 前記入出力端子とダイオード素子との間にコンデンサ素子を接続し、前記伝送線路とローパスフィルタの間にインダクタ素子を接続し、前記コンデンサ素子と前記インダクタ素子が直列に接続されていることを特徴とする請求項1記載のアンテナスイッチモジュール。
  3. 前記ダイオード素子は、入出力端子側をアノード、出力端子側をカソードとしたことを特徴とする請求項1又は2記載のアンテナスイッチモジュール。
  4. 請求項1乃至3の何れかに記載のアンテナスイッチモジュールを用いたことを特徴とする通信装置。
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