JP2007053563A - 弾性表面波フィルタモジュールおよびこのモジュールの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】SAWフィルタモジュールのマッチング用部品の必要個数を削減する。
【解決手段】SAWフィルタモジュール10は、SAWフィルタ10A〜10DとRF−IC20との間の結合に、インピーダンスマッチング回路11A〜11Dでマッチングを得る。SAWフィルタの出力インピーダンスZsawの実部を、RF−ICの入力インピーダンスZicの実部にほぼ合わせる。インピーダンスマッチング回路は、SAWフィルタモジュールの出力インピーダンスZmの虚部を、RF−IC20の入力インピーダンスZicの虚部に合わせて変更する。インピーダンスマッチング回路は、1つのインダクタまたはコンデンサで構成、または複数のインダクタまたはコンデンサの並列接続で構成、モジュールの基板上にプリントパターンとして形成、実部Rsawと実部Ricはほぼ0.8Ric<Rsaw<1.2Ricとすることを含む。
【選択図】 図1

Description

本発明は、携帯電話などの無線端末に実装されて高周波信号を弁別する弾性表面波(SAW)フィルタモジュールに係り、特にトランシーバIC(RF−IC)とのインピーダンスマッチング技術に関する。
図8にクアッドバンドGSM方式携帯電話のフロントエンド部の構成例を示す。本例では、アンテナ1の直下にアンテナスイッチIC2が配置され、受信側は圧電基板上に形成された受信SAWフィルタ(以下、RxSAWフィルタと呼ぶ)を複数個内蔵したフィルタバンク(4系統)300がアンテナスイッチ2に接続され、送信側は高周波送受信デバイスとしてのトランシーバIC4からの送信信号がパワーアンプ5を通して、アンテナスイッチ2に入力される構成となっている。
一般に、無線端末では、高周波信号系でのインピーダンスの不整合によって発生する反射現象を抑制するため、回路要素間の結合にインピーダンスマッチング手段を設ける(例えば、特許文献1参照)。図8の例では、トランシーバIC4と受信SAWフィルタ3(以下、RxSAWフィルタと呼ぶ)の入出力インピーダンスが異なるため、単純にRxSAWフィルタ3をトランシーバIC4に直結することはできず、インダクタンスやコンデンサや抵抗にて構成したインピーダンスマッチング回路6をRxSAWフィルタ3とトランシーバIC4との間に設ける。
このインピーダンスマッチング回路6は、ディスクリート部品を用いて実現する場合、その調整に多くの手間がかかり、さらに携帯端末メーカ側での設計工数の増大に繋がっていた。また、一般的にマッチング回路部品として複数個の部品を必要とするので、その分の材料費のコストアップも招くものであった。
そこで、図9の構成例で示されるような、フィルタバンクモジュールというものが登場した。このフィルタバンクモジュール7は、モジュール基板上もしくは内部に、RxSAWフィルタ3とインピーダンスマッチング回路を一括搭載または形成しておき、そのモジュールの出力インピーダンスをトランシーバIC4の入力インピーダンスとマッチングさせ、トランシーバIC4と直結できるようにしている。
特開平09−270619号公報
前記の図9等のモジュールの登場により、携帯端末メーカ側でのインピーダンスマッチング作業は不要となるため、その開発工数を低減できる。しかし、図9に示すモジュールでは、複数個の受動素子で構成されたインピーダンスマッチング回路とRxSAWフィルタ3を基板に複数個搭載する構造のため、部品点数が多くなり、モジュールの総合特性のばらつきも一般に大きくなるといった問題がある。このインピーダンスマッチング回路をディスクリート部品でなく、たとえLTCC(Low temperature co-fired ceramics)基板内部に構成した内層部品にて実現した場合においても、それらのばらつきにより、モジュール全体の特性ばらつきが問題となる。
また、図8や図9に例を示すように、従来のインピーダンスマッチング回路は、1系統につき複数個のインピーダンスマッチング用回路部品が必要となり、コストアップを招く問題があった。この理由を図10、図11を参照して詳細に説明する。
図10は、SAWフィルタが1つの不平衡入力ポートと1つの平衡出力ポートを有する場合の例である。本例において、SAWフィルタ3の出力インピーダンスをZsaw(=Rsaw+jXsaw)、フィルタバンクモジュールの出力インピーダンスをZm(=Rm+jXm)、RF−ICの入力インピーダンスをZic(=Ric+jXic)とする。ここで、Zsaw=Zicの関係(複素共役)であれば、インピーダンスマッチング回路も不要でかつ両者間のエネルギー伝達ロス(反射ロス)を最小にできるが、一般的なSAWフィルタ3とRF−IC4の組み合わせにおいては、両者が上記のような複素共役の関係であることは極めて少なく、一般的にはZsaw≠Zic(Rsaw≠RicかつXsaw≠−Xic)であるため、複雑な特性をもつインピーダンスマッチング回路の設計および構成を必要とする。
具体的に、Zsaw≠Zic(Rsaw≠RicかつXsaw≠−Xic)である場合の、インピーダンスマッチング回路の合成の様子を図11に示す。図11(a)はマッチング素子がない場合、図11(b)は出力ポート3aに対して並列にマッチング素子としてインダクタを接続した場合、図11(d)は出力ポート3aに対して直列及び並列に夫々マッチング素子としてコンデンサ及びインダクタを接続した場合である。各図の左側の図はスミスチャート、中央の図は通過特性、右側の図はフィルタバンクモジュールの構成を夫々示している。
図11中のスミスチャートの中心がRF−ICの整合インピーダンスであるとし、太い実線で示す部分はZm(フィルタバンクモジュールのインピーダンス)である。図中●印は、マッチングを行わない場合においてフィルタの中心周波数付近におけるインピーダンスであり、これをスミスチャートの中央付近に近づくように整合部品の定数や回路構成を選び、マッチングを行う。同図の(a)〜(c)からわかるように,Rsaw≠RicかつXsaw≠−Xicであると、RmとXmの双方を同時にマッチング回路によって調整する必要があり、これはマッチングには少なくとも2つ以上の部品が必要であることを意味する。
このように、マッチング回路用に複数個の部品を必要とするSAWフィルタでは、それらの部品コストが高くなり、また部品点数が多くなることにより、個々の部品のばらつきの自由度が増えるため、モジュールの総合特性もばらつきやすいという問題点を有する。しかも、部品点数が多いと、モジュールの出力インピーダンスを最適にするための特性調整に多くの工数を必要とする問題もある。
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、調整工数の低減を図ることのできる弾性表面波フィルタモジュールおよびこのフィルタモジュールの製造方法を提供することにある。
本発明は、前記の課題を解決するため、SAWフィルタの出力インピーダンスZsawの実部(=Rsaw)を、トランシーバICの入力インピーダンスZicの実部(=Ric)に合わせるようにしたもので、具体的には以下の通りである。
本発明の弾性表面波フィルタモジュールは、無線端末における受信高周波信号を弁別する弾性表面波フィルタと、この弾性表面波フィルタと高周波受信処理デバイスとの間の結合にインピーダンスマッチングを得るインピーダンスマッチング回路とを備えた弾性表面波フィルタモジュールであって、
前記弾性表面波フィルタは、その出力インピーダンスZsawの実部を、前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicの実部に合わせた構成とし、
前記インピーダンスマッチング回路は、前記弾性表面波フィルタモジュールの出力インピーダンスZmと前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicとが複素共役の関係になるように弾性表面波フィルタモジュールの出力ポートに対して並列にのみマッチング素子を接続したことを特徴とする。
他の発明の弾性表面波フィルタモジュールは、無線端末における受信高周波信号を弁別する弾性表面波フィルタと、この弾性表面波フィルタと高周波受信処理デバイスとの間の結合にインピーダンスマッチングを得るインピーダンスマッチング回路と、を含む系統を複数備えた弾性表面波フィルタモジュールであって、 各系統の弾性表面波フィルタは、その出力インピーダンスZsawの実部を、前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicの実部に合わせた構成とし、 各系統のインピーダンスマッチング回路は、前記弾性表面波フィルタモジュールの出力インピーダンスZmと前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicとが複素共役の関係になるように弾性表面波フィルタモジュールの出力ポートに対して並列にのみマッチング素子を接続したことを特徴とする。
「弾性表面波フィルタは、その出力インピーダンスZsawの実部を、前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicの実部に合わせた構成」とは、Zsawの実部とZicの実部とが一致していることは勿論のこと、弾性表面波フィルタモジュールの出力インピーダンスの実部と高周波受信処理デバイスの入力インピーダンスの実部とを整合させるためにインピーダンスマッチング回路にマッチング素子(実部調整用のマッチング素子)を設けなくても、実用上特性に影響がないつまり製品として使用できる程度に近い値である場合も含む意味である。ここでいう近い値とは、例えば0.8Ric<Rsaw<1.2Ricである。即ち、弾性表面波フィルタと高周波受信処理デバイスとの間の結合を行うにあたって、実部調整用のマッチング素子が不要である場合には、本発明の技術的範囲に属することになる。
前記弾性表面波フィルタの出力インピーダンスZsawの実部の調整は、例えばIDT及び反射器の少なくとも一方について、電極の本数、交差幅、電極の膜厚、ピッチ及び電極の形状の少なくとも一つを調整することにより行われる。
前記インピーダンスマッチング回路のマッチング素子は、インダクタ素子及びコンデンサ素子の少なくとも一方であり、これら素子は、ディスクリート部品であってもよいし、あるいはプリントパターンにより構成されていてもよい。
本発明の弾性表面波モジュールの製造方法は、無線端末における受信高周波信号を弁別する弾性表面波フィルタと、この弾性表面波フィルタと高周波受信処理デバイスとの間の結合にインピーダンスマッチングを得るインピーダンスマッチング回路とを備えた弾性表面波フィルタモジュールを製造する方法であって、
前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicの実部および虚部のデータを取得する過程と、
前記弾性表面波フィルタの出力インピーダンスZsawの実部を前記データの実部に合わせて該弾性表面波フィルタを作成する過程と、
前記弾性表面波フィルタモジュールの出力インピーダンスZmと前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicとが複素共役の関係になるように弾性表面波フィルタモジュールの出力ポートに対して並列にのみマッチング素子を接続する過程と、を有することを特徴とする。
以上のとおり、本発明によれば、以下の効果がある。
(1)SAWフィルタモジュールのインピーダンスマッチング用部品の必要個数を削減でき、インピーダンス調整工数も低減でき、部品コストの低減と全体の特性のばらつきの低減に繋がる。
(2)SAWフィルタとLTCC基板やプリント基板との組み合わせ構成の場合でも、インピーダンスマッチング素子構成のための内層部品点数が少なくできるため、基板の層数が少なく、そして全体特性のばらつきが小さく、より低コストのモジュールを実現できる。
(3)SAWフィルタモジュールの作成には、高周波送受信デバイスの入力インピーダンスZicのデータを取得することで、SAWフィルタおよびインピーダンスマッチング回路の設計、製作ができ、高周波送受信デバイスの仕様変更などに容易に対応できる。
図1は、本発明の実施形態を示す弾性表面波フィルタモジュールをRF−ICに接続した構成を示す。
弾性表面波フィルタモジュール10は、1つの不平衡入力ポートと1つの平衡出力ポートをそれぞれ有する4つのSAWフィルタ10A〜10Dを実装し、これらSAWフィルタ10A〜10Dの平衡出力ポートにはインピーダンスマッチング回路11A〜11Dをそれぞれ実装した構成とする。インピーダンスマッチング回路11A〜11Dの出力端になるモジュール10の4つの出力ポートOPA〜OPDはRF−IC20の4つの入力ポートとそれぞれ接続される。即ちこの例では、4系統の信号路が存在することになる
ここで、インピーダンスマッチング回路11A〜11Dは、SAWフィルタ10A〜10Dの平衡出力ポートに並列にのみマッチング用素子(インダクタまたはコンデンサ)を設けた構成とすることで、SAWフィルタ10A〜10DとRF−IC20との間のインピーダンスマッチングを得る。このようなインピーダンスマッチング回路11A〜11Dによってインピーダンスマッチングが得られる理由を、図2を参照して詳細に説明する。
図2は1つのSAWフィルタのみを即ち1系統の信号路のみを代表して示し、このSAWフィルタの出力インピーダンスをZsaw、SAWモジュールの出力インピーダンスをZm、RF−ICの入力インピーダンスをZicとする。ここで、Zsawの実部(=Rsaw)がZicの実部に合わせて、つまり一致あるいはほぼ一致するように設計、製作されていれば、インピーダンスマッチング回路では実部の操作を施す必要がないので、弾性表面波フィルタモジュールの出力インピーダンスZmの虚部のみを、RF−ICの入力インピーダンスZicの虚部に合わせて変化させればよいことになる。つまり、インピーダンスマッチング回路としては並列に1素子のインダクタまたはコンデンサを挿入した構成で済む。
したがって、本実施形態では、SAWフィルタ10A〜10Dの出力インピーダンスZsaw(=Rsaw+jXsaw)の実部(=Rsaw)をRF−ICの入力インピーダンスZic(=Ric+jXic)の実部(=Ric)とほぼ一致させた構成とし、インピーダンスマッチング回路11A〜11DをSAWフィルタ10A〜10Dの出力ポートに並列に1素子のみを設けたフィルタモジュール構成とする。
図3は、縦結合型SAWフィルタの構成を示す図であり、SAWフィルタ10A〜10Dの各々は実際には、例えば縦結合型SAWフィルタが複数個組み合わされて構成されている。図3において、30は入力側のIDT(インターディジタルトランスデューサー)であって、櫛歯電極31、32が互いにかみ合うように配置されて構成されると共に、40は出力側のIDTであって、櫛歯電極41、42が互いにかみ合うように配置されて構成されている。50はグレーティング反射器である。ここでZsawの実部Rsawの調整は,SAWフィルタを構成するIDT30、40や反射器50について、それらの電極の本数(対数)、交差幅W、電極膜厚、電極ピッチ、電極構造を調整することにより行うことができるし、また圧電材料を選定すること、及び電極の本数などの調整と圧電材料の選定との組み合わせなどで実現される。
Zsawの実部(=Rsaw)をZicの実部に合わせる場合、Rsaw=Ricが最も望ましいが、完全に一致していなくてもよい。即ちインピーダンスマッチング回路に実部調整用のマッチング素子を設けなくても、実用上特性に影響がないつまり製品として使用できる程度に近い値であればよく、0.8Ric<Rsaw<1.2Ricでも十分有効である。これは、±20%程度のインピーダンスのずれであれば、VSWR(電圧定在波比)の劣化は0.20〜0.25程度であり、それによるモジュール全体の挿入損失の増分は0.1dB以下であるので、特性の大きな劣化には繋がらないからである。
SAWフィルタモジュールメーカはこのようなSAWフィルタモジュールを例えば次のようにして製造する。先ずRF−ICの入力インピーダンスZicの実部および虚部のデータをRF−ICメーカから取得し、前記データに基づいてSAWフィルタの出力インピーダンスZsawの実部が前記入力インピーダンスZicの実部に合うように既述のようにIDTの電極の本数などを調整する。そしてSAWフィルタモジュールの出力インピーダンスZmの虚部を、RF−ICの入力インピーダンスZicの虚部に合わせる(ZmとZicとは複素共役の関係とするので、両虚部の正負の符号は逆である)ためにSAWフィルタモジュールの出力ポートに対して並列にのみマッチング素子を接続し、こうしてSAWフィルタモジュールが製造される。
図4に本実施形態を基にしたインピーダンスマッチングの実験結果を示す。同図の(a)はインピーダンスマッチング回路を設けない場合の特性を示し、(b)は1つのインダクタをSAWフィルタに並列に設けたインピーダンスマッチング回路とした場合の特性を示す。各図の左側の図はスミスチャート、中央の図は通過特性、右側の図はフィルタバンクモジュールの構成を夫々示している。スミスチャート中、●印は、マッチングを行わない場合においてフィルタの中心周波数付近におけるインピーダンスであり、Zmを示す太線からわかるように、Zmは●印からRF−IC20の整合インピーダンスに近づいていく。図11の従来手法では、実部と虚部の両方のインピーダンス操作が必要であったため、インピーダンスマッチングには複数個(図11の場合、インダクタとコンデンサ)必要であったのに対し、本実施形態による場合はRsaw=Ricであるため、インピーダンスマッチング回路は1個の並列インダクタを設けるのみで所期のインピーダンスマッチングを得ることができる。
以上のように、本実施形態を適用することにより,SAWモジュール上のマッチング用部品の個数が削減され、インピーダンス調整工数も低減でき、しかも部品コストの低減と全体の特性のばらつきの低減に繋がる。
また、本実施形態によるSAWフィルタをLTCC基板に搭載した場合において、LTCC内部に形成する部品点数が少なくできるため、基板層数が少なく、そして全体特性のばらつきが小さく、より低コストのモジュールを実現できる。
また、本実施形態は、SAWフィルタおよびインピーダンスマッチング回路の変形に応じて適宜設計変更して同等の作用効果を得ることができる。
例えば、図5は、出力ポートOPが不平衡のSAWフィルタの場合の例であり、SAWフィルタ10A〜10Dの出力ポートOPA〜OPDと基準電位間に1つの素子構成のインピーダンスマッチング回路11A〜11Dを設けた場合であり、本発明はポートの種類は平衡または不平衡のどちらでも厭わない。
また、図6は、インピーダンスマッチング回路として、並列に2個の素子を設けた場合である。モジュール全体の通過挿入損失を低減するために、マッチング部品のQ値が低い場合、例えば、インダクタの等価回路に含まれる抵抗値が高い場合、このように2個並列にして電流を分流させて実効的な抵抗成分を下げることができる。
また、図7は、インピーダンスマッチング部品をLTCCやプリント板などの基板に内層化した場合の例である。同図では、1層目(下から数えた1層目)の基板100の裏面に、RF−ICとの接続のための出力ポート端子101を形成すると共に、2層目の基板200の裏面にインピーダンスマッチング回路の構成要素である内層部品201例えばインダクタをプリントパターンとして形成し、1層目の基板100のスルーホールの導電層であるメッキ層を介して出力ポート端子101と内層部品201とが電気的に接続されている。また2層目の基板200の表面には、例えば4つのSAWフィルタ202が実装され、各SAWフィルタ202の出力ポートと内層部品201とが当該基板200に形成されたスルーホールの導電層メッキ層を介して互いに接続され、こうしてSAWフィルタモジュールが構成されている。なお図7では、1系統についてのみ、出力ポート端子101と内層部品201とを示してある。
このように、本発明では付加するインピーダンスマッチング回路用の部品をSAWフィルタの出力ポートに並列にのみ挿入した構造を特徴とするが、その部品の形態に関しては、前述のような個別部品(ディスクリート部品)で構成、または基板に内層化したものなど、どのような形態のものでも厭わない。
また、SAWフィルタの回路構成、およびモジュールの基板の種類については任意のものに適用できる。また、SAWフィルタの圧電基板としては,LiTaO3,LiNbO3、水晶を初めとする、圧電作用のあるSAWデバイス用ウェハを利用することができる。
本発明の実施形態を示す弾性表面波フィルタモジュールの構成図。 実施形態における弾性表面波フィルタモジュールとRF−ICのインピーダンス関係を示す図。 縦結合型SAWフィルタを示す構成図である。 実施形態を基にしたインピーダンスマッチングの実験結果を示す図。 出力ポートが不平衡のSAWフィルタの実施形態を示す図。 インピーダンスマッチング素子を並列構成とした実施形態を示す図。 インピーダンスマッチング部品を基板に内層化した実施形態を示す図。 クアッドバンドGSM方式携帯電話のフロントエンド部の構成例(従来)。 クアッドバンドGSM方式携帯電話のフィルタバンクモジュール構成例(従来)。 弾性表面波フィルタモジュールとRF−ICのインピーダンス関係を示す図。 インピーダンスマッチング素子による特性変化の例を示す図。
符号の説明
1 アンテナ
2 アンテナスイッチIC
3 SAWフィルタバンク
4 トランシーバIC
5 パワーアンプ
6 インピーダンスマッチング回路
7 フィルタバンクモジュール
10 SAWフィルタモジュール
10A〜10D SAWフィルタ
11A〜11D インピーダンスマッチング回路
20 RF−IC

Claims (6)

  1. 無線端末における受信高周波信号を弁別する弾性表面波フィルタと、この弾性表面波フィルタと高周波受信処理デバイスとの間の結合にインピーダンスマッチングを得るインピーダンスマッチング回路とを備えた弾性表面波フィルタモジュールであって、
    前記弾性表面波フィルタは、その出力インピーダンスZsawの実部を、前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicの実部に合わせた構成とし、
    前記インピーダンスマッチング回路は、前記弾性表面波フィルタモジュールの出力インピーダンスZmと前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicとが複素共役の関係になるように弾性表面波フィルタモジュールの出力ポートに対して並列にのみマッチング素子を接続したことを特徴とする弾性表面波フィルタモジュール。
  2. 無線端末における受信高周波信号を弁別する弾性表面波フィルタと、この弾性表面波フィルタと高周波受信処理デバイスとの間の結合にインピーダンスマッチングを得るインピーダンスマッチング回路と、を含む系統を複数備えた弾性表面波フィルタモジュールであって、
    各系統の弾性表面波フィルタは、その出力インピーダンスZsawの実部を、前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicの実部に合わせた構成とし、
    各系統のインピーダンスマッチング回路は、前記弾性表面波フィルタモジュールの出力インピーダンスZmと前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicとが複素共役の関係になるように弾性表面波フィルタモジュールの出力ポートに対して並列にのみマッチング素子を接続したことを特徴とする弾性表面波フィルタモジュール。
  3. 前記弾性表面波フィルタの出力インピーダンスZsawの実部Rsawは、前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicの実部Ricに対して、0.8Ric<Rsaw<1.2Ricとしたことを特徴とする請求項1または2に記載の弾性表面波フィルタモジュール。
  4. 前記弾性表面波フィルタの出力インピーダンスZsawの実部の調整は、IDT及び反射器の少なくとも一方について、電極の本数、交差幅、電極の膜厚、ピッチ及び電極の形状の少なくとも一つを調整することにより行われることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一つに記載の弾性表面波フィルタモジュール。
  5. 前記インピーダンスマッチング回路のマッチング素子は、インダクタ素子及びコンデンサ素子の少なくとも一方であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一つに記載の弾性表面波フィルタモジュール。
  6. 無線端末における受信高周波信号を弁別する弾性表面波フィルタと、この弾性表面波フィルタと高周波受信処理デバイスとの間の結合にインピーダンスマッチングを得るインピーダンスマッチング回路とを備えた弾性表面波フィルタモジュールを製造する方法であって、
    前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicの実部および虚部のデータを取得する過程と、
    前記弾性表面波フィルタの出力インピーダンスZsawの実部を前記データの実部に合わせて該弾性表面波フィルタを作成する過程と、
    前記弾性表面波フィルタモジュールの出力インピーダンスZmと前記高周波受信デバイスの入力インピーダンスZicとが複素共役の関係になるように弾性表面波フィルタモジュールの出力ポートに対して並列にのみマッチング素子を接続する過程と、を有することを特徴とする弾性表面波モジュールの製造方法。
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