TW561696B - Electrical switch-module, switch-module-arrangement and application of the switch-module and switch-module-arrangement - Google Patents

Description

561696 五、發明說明（1 ) 本發明涉及一種電性開關模組，其開關具有一發送輸 入端，一接收輸入端及一輸出端且可選擇地使輸入端之 一導電性地與輸出端相連；此開關模組另有多個被動元 件，其形成一種低通濾波器（其導電性地與此開關之發送 輸入端相連）。 上述形式之開關模組已爲人所知，其中此開關由PIN 二極體所組成而能以電流來控制。因此使各種低通濾波 器，其積體化於一包含10至15個陶瓷層之LTCC多層 陶瓷中。這些開關模組作爲行動式電話用之多頻帶前端 模模組且對至少二個不同之頻帶而言分別具有一接收輸 入端及一發送輸入端。 此種習知之開關模組滿足以下各種不同之功能： 功能1 :使所使用之頻帶連結至一種天線。 功能2 :選取該頻帶。 功能3 :在發送操作及接收操作之間進行選擇。 功能4 :對這些由功率放大器而來之信號進行濾波。 功能5 :對這些由天線所接收之信號進行濾波。 功能1及2由雙工器（Duplexer)來達成，雙工器由被 動元件所組成且積體化於被動模組中。功能3由PIN二 極體所製成之開關所達成。對由放大器而來之信號進行 濾波是由低通-或帶通濾波器來達成。功能5則使用單 石式微波陶瓷，LC濾波器’ SAW(Surface Acoustic Wave)爐波器及/或BAW(Bulk Acoustic Wave)帶通爐波器 來達成。 這些習知之開關模組之缺點是：所使用之二極體開關 561696 五、發明說明（2) 就其功能而言需要一種可達1 OmA之開關電流，此種電 流由於所需之實際功率而會對行動式電話之最大通話期 間有不良之影響。 此外，習知之開關模組之缺點是較高之***（insertion) 損耗，其主要由許多雙工器所需之被動元件（例如，線圏 及電容）及形成該開關所用之二極體以及發送濾波器相加 成較大之損耗値（有時大於l.OdB)。 習知之開關模組之其它缺點是：由於不同之選擇功能 ，其一方面是在發送及接收之間且另一方面是在各頻帶 之間，則許多被動元件須積體化於被動模組中，這會造 成較大之損耗且使習知之開關模組之小型化受限。 此外，使用二極體時需要其它被動元件，例如，電阻 或電容。 習知之開關模組之其它缺點是：由於被動元件之數目 較多，則在需求改變時多層陶瓷式被動模組具有較高之複 雜性（其硏發期間因此較長）及較小之可變性（flexibility) 。由於操作PIN二極體所需之轉換（transformation)功率 ，則被動模組之複雜性及其構造大小又會增大。 習知之開關模組之其它缺點是：由於每一開關功能分 別需要二個二極體，則許多不同頻帶或相對應之開關功 能之整合會因爲空間需求而不可能實現。 上述形式之開關模組已爲人所知，其中一種砷化鎵開 關安裝在薄板上。低通濾波器以分離式（discrete)元件安 裝在開關旁之薄板上。 561696 五、 發 明說明 ( 3) 此 種 開 關 模 組 之 缺 點 是 • 其 需 要 很 多空 間， 因 此 須 配 置 在行 動 式 電 話 電 路 板 之 外 部 0 本 發 明 之 的 是 提 供 一 種 開 關 模 組 ，其 所需 之 開 關 電 流 很 小 且 所 需 之 空 間 較 小 〇 本 發 明 中 此 g 的 以 甲 請 專 利 範 圍 第 1項 之開 關 模 組 來 達 成 0 本 發 明 有 利 之其 它 形式 及 開 關 模組 之應 用 則描 述 在 串 請 專 利 範 圍 其 它 各項 中 〇 本 發 明 之 電 性 開 關 模 組 具 有 一 種 以 電壓 控制 之 開 關 > 其包含 一 發 送 輸 入 端 一 接 收 輸 入 端 及一 輸出 端 〇 此 開 關 可 選 擇 地使 輸 入 端 之 一 在 電 性 上 與 輸出 端相 連 〇 本 發 明 之 電 性 開 關 模 組 另 有 多 個 被 動 元 件 ，其 形成 一 種 低 通 濾 波 器 (其導電性地與此開關之發送輸入端相連） 。這彳 被 動 元 件 是 被 動 模 組 之 組 件 其 以 多 層陶 瓷構 成 0 此 被 動 模 組 具 有 —^ 由 上 下 疊 置 之 介 電 質 層 所構 成之 基 體 及 多 個 導 電 層 〇 此 開 關 模 組 之 開 關 配 置 在 此基 體之 上 側 或 下 側 上 〇 本 發 明 另 涉 及 一 開 關 模 組 配 置 (其具有本發明之開關 模 組 )， 其中每- -發送輸入端經由低通濾波器而與- -發送 放 大 器 導 電 性 地 相 連 且 每 一 接 收 輸 入 端經 由帶 通 濾 波 器 而 與 一 接 收 放 大 器 導 電 性 地相 連 〇 此 開關 模組 之 輸 出 端 另 與 一 種 天 線 相 連 〇 此 種 開 關 模 組 配 置例 如可 用 在 行 動 式 電 話 中 y 因 此 ， 本 發 明 另 — 主 題 是 有利地使用 本 發 明 之 開 關 模 組 及 本 發 明 之 開 關 模 組 配 置 作爲 行動 式 Μ %Ν 線 電 裝 置 中 之 刖 端 模 組 〇 - 5- 561696 五、發明說明 ( 4〕 本 發 明 之 開 關 模 組 之 優 點 是 ： 此 種開關是一種電壓控 制之 開 關 其 藉 助 於 電 壓 (不是電流）來進行切換，因此 具有 一 種 特別小 之 電 流 損 耗 〇 於 是 不必使用電流損耗較 高之 二 極 體 〇 此外 操 作 二 極 體 所 需之其它被動元件（例 如， 電 容 或 電 阻）亦不需要。 本發明之開關模組之優點因 此是 較 低 之 電 流 損 耗及 複 雜 性 較 低 〇 上 述 之 優 點 適 用 於 開 關 模 組 及 其 應用領域中。 若 此 開 關 模 組 之 開 關 所 具 有 之 電 流小於1〇μΑ，則這 樣特別有利 〇 可 製 成 — 種 電 流 損 耗 很小之開關模組。 在 此 開 關 模 組 之 開 關 之 插 入 損 耗 <ldB，則這樣是有利 的。 一 種 行 動 式 Μ /ON 線 電 裝 置（其使用本發明之開關模組） 之發 送 功 率 或 接 收功 率 因 此 可 獲 得 改善。 本 發 明 之 其 它 有 利 之 實 施 形 式 是 一種具有帶通濾波器 之開 關 模 組 1 其 配 置 在 基 體 之 上 側 或下側上。帶通濾波 器亦 可 配 置 在 基 體 之 適 當 之 凹 □ 中 。帶通濾波器亦與一 接收 輸 入 端 導 電 性地相 連 〇 特 別 有 利的是可使用LC-， SAW BAW- ，或 微 波 濾 波 器 作 爲: 帶通濾波器。 相 較 於 習 知 之 用 作 開 關 之 二 極 體 而言，由於以電壓控 制之 開 關 之 空 間 需 求 較 小 ， 則 本 發 明之開關模組可使接 收各無 線 電 信 號 所 需 之 帶 通 濾 波 器 一起與電壓控制之開 關整 合在 基 體 之 同 一 側 上 ， 因 此 可 達成較高之積體密度 使開 關 模 組 之 整 個 空 間 需 求 較 小 0 藉由使用陶瓷之鐵磁 材料 或 鐵 磁 體 ， 則 可 整 合 較 高 之 電 感値或使其小型化而 同時仍 有 較 局 之 品 質 〇 6- 561696 五、發明說明（5) 本發明之開關模組特別是可以多頻帶前端模組構成， 其中此開關之接收輸入端之數目L> 1以及發送輸入端之 數目K> 1。此開關可選擇地使輸入端之一導電性地與其 輸出端相連。此電性開關模組之被動元件形成Κ個低通 濾波器，其中每一低通濾波器分別與一發送輸入端導電 性地相連。 此種開關模組之優點是：此開關除了可在發送及接收 之間達成切換功能之外，亦可在不同之頻帶之間進行切 換。特別是亦可藉由選取適當數目之Κ及L(K = 2,3,4... 及L = 2,3，4 ...)利用本發明之開關模組來處理許多不同之 頻率。若本發明之開關模組之每一低通濾波器都適用於 不同之行動式無線電標準（其由GSM，PCN，PCS或其它 行動式無線電標準中選出），則這樣特別有利。本發明之 開關模組因此可在不同之發送輸入端（其可對應於不同之 行動式無線電頻率）之間切換。於是可實現多頻帶模組。 此種開關模組之其它優點是：不需雙工器（Duplexer) 。依據本文開頭所述之先前技藝，在不同之頻帶之間進 行選擇時雙工器是需要的。這樣所造成之優點是：被動 模組中只需整合較少之被動元件。硏發費用因此較少， 或在依據已改變之需求來調整此開關模組時可提高該可 變性（Flexibility)。 被動模組中被動元件數目降低時所顯示之優點是··結 構高度較低，此開關模組之空間需求因此較少。 因此，特別是可製成一種開關模組，其高度小於 561696 五、發明說明（6) 1 . 8mm，此種開關模組之優點是：其對應於製造公司之 行動式無線電裝置之標準尺寸。 可特別有利地構成此開關模組之以電壓來控制之開關 ，使此開關包含一種積體電路（其以GaAs技術製成）。 此種積體電路例如可以場效電晶體爲主而製成。一種以 砷化鎵技術製成之開關具有許多優點：快速，較小之插 入損耗，良好之高頻特性。 此外，在有利之實施形式中被動模組可具有其它之被 動元件（其形成至少一個帶通濾波器），帶通濾波器導電 性地與一接收輸入端相連。在此種情況中，由天線所接 收之這些信號進一步處理時所需之帶通濾波器可以很緊 密（compact)之方式積體化於此開關模組中而不必另外在 基體之上側或下側上配置一種帶通濾波器。所需之空間 因此可進一步降低。 本發明之開關模組可特別有利地以LTCC(Low Temperature Co fired Ceramic)技術來製成。這表示陶瓷 原箔（green foil)之共同燒結是在較低之燒結溫度<1 000 °C 中進行。陶瓷箔之此種在較低溫之共同燒結所具有之優 點是：可使用銅電極（在已降低之含氧量中燒結）或銀電 極作爲導電層。此二種材料之特徵是良好之高頻（HF)特 性。此種共同燒結可使緊密（compact)之單石式 (monolithic)元件之製程更快速。 可使用砷化鎵開關作爲電壓控制之開關。此種開關對 每一輸入端或輸出端而言需要一控制輸入端。因此，此 561696 五、 發明說明 ( 7： 開 關之 每 —* 控 制 輸 入 端須 與 一控制線相 連 。各控制輸入 端 須藉 由 各控 制 線 來 設定 使恰巧有一 控 制輸入端設定 在 ’’高（high〕 ’’而其它控制輸入端設定在π 低 (low)”。這樣 可 對此 開 關 之 已 準 確 界定 之 開關狀態進 行 調整。 爲了 降 低 這 些控 制 線之 數 目，則特別 有 利的是：除了 此 開關 之 外 另 設 有 一 解碼 器 。此解碼器 使 其輸入端上之 趣 輯信 號 轉 換 成 控 制 此以 電 壓控制之開 關 所適用之控制 信 號。 解 碼 器 可 有 利 地配 置 在基體之上 側 或下側。解碼 器 之控 制 輸 出 端 經 由 控制 線 而與此開關 之 控制輸入端相 連 。解 碼 器 之 控 制 輸 入端 之 數目較此開 關 之控制輸入端 之 數目 還 少 > 由 外 部 而來 之 控制線之數 巨 因此可有利地 降 低。 施 加 至 解 碼 器 之輸 入 端上之信號 對 應於一種二進 位 數字 此 時 多 個 輸 入端 可 施加該切換 狀 態"high” 。這 些 輸入 信 號 須 藉 由 解 碼器 來 轉換，使得 在 解碼器輸出端 只 恰巧 有 —^ 控 制 線 具 有信 號 ，’high，，。 在本 發 明 之其它有 利之 實 施形式中， 此 開關模組包含 一 種放大 器 > 其 被 動 元件 積 體化於被動 模 組中且其主動 元 件配 置 在 基 體 之 上 側或 下 側。例如， 功 率（power)放大 器 或低 雜 訊 (L 0 W r Noise)放 大 器（LNA)可作: 爲此種放大器 〇 若帶 通 濾 波 器 積 體 化於 被 動模組中， 則 需要LNA。在 此 種情 況 下 此 LNA .連接於帶通濾波器之後。上述之放大 器 可支 配 此 開 關 模 組 之其 它 功能。因此 J 使各放大器積 mm 體 化於 開 關 模 組 中 是 有利 的 〇 此外 5 若 低 通 濾 波 器（其積體化於被動模組中）是一種 -9-

561696 五、發明說明（8) 較高階（〇 r d e r)之濾波器’則這樣是有利的。藉由擴大一 種π濾波器（其由二個電容所構成，此二個電容藉由電感 而互相連接）而形成此種濾波器。π濾波器之擴大可在電 感之所形成之橋接中藉由其它電容來達成。這樣可獲得 此濾波器所需之其它極點（pole)。此濾波器特別適合用 來使基頻f〇之高階波成份衰減。由於在以較低電壓來操 作此種砷化鎵開關時會產生基頻f〇之高階波（harmonic) 成份，則在本發明之開關模組中使用高階（Oder)之低通 濾波器是有利的。此時可使干擾性之高階波受到抑制。 本發明以下將依據圖式中之實施例來描述。圖式簡單 說明= 第1圖 以方塊圖所表示之本發明之開關模組配置中 之開關模組。 第2圖 本發明之電性開關模組之橫切面。 第3圖 使用二極體之情況下本發明中以方塊圖所表 示之開關模組。 第1圖之開關模組具有一種開關1，開關1包含：一 輸出端4，二個發送輸入端2及三個接收輸入端3。此 外，此開關模組具有二個低通濾波器5，6，其中此低通 濾波器5用於GSM頻帶中，低通濾波器6用於PCN/ PCS頻帶中。此開關1可選擇地使輸入端2，3之一與 其輸出端4相連。此開關模組另具有帶通濾波器1 0，1 1 ，1 2，其是與接收輸入端3相連。帶通濾波器1 0針對 GSM頻率來調整，帶通濾波器11針對PCN頻率來調整 -10- 561696 五、發明說明（9) ，帶通濾波器12針對PCS頻率來調整。帶通濾波器10 ，1 1，1 2可以各別之元件配置在基體之上側或下側上， 但亦可由積體化於被動模組中之被動元件所構成。 就本發明之開關模組配置而言，開關1之發送輸入端 2導電性地與發送放大器1 3相連。發送放大器1 3就像 低通濾波器5，6 —樣針對無線電頻率GSM或PCN/PCS 來調整。各接收輸入端3經由帶通濾波器1 0，1 1，12 而導電性地與接收放大器14相連，其中此接收放大器 14針對頻帶GSM，PCN或PCS來調整。開關1之輸出 端4是與天線1 5相連。由天線1 5所接收之信號現在藉 由開關1而傳送至帶通濾波器Π，1 2或1 0，在該處依 據所使用之無線電頻率對這些信號進行濾波且繼續在放 大器1 4中對各信號進行處理。由發送放大器1 3所傳送 之信號由低通濾波器5，6進行濾波且選擇性地傳送至 天線1 5以發送此信號。 第2圖之開關模組具有基體7，基體7包含多層陶瓷 (其具有介電質層8)及介於陶瓷層之間之導電層9。介電 質層8是陶瓷層，其具有電容器所需之介電質功能。例 如，可使用一種具有玻璃成份之ai2o3陶瓷。此種陶瓷 在低損耗時有效之ε是7.8。 除了介電質層以外，此開關模組亦具有電阻層’其藉 由在導電層9上塗佈電阻糊（paste)而製成。 除了導電層9(其介於介電質層8之間）之外，此基體7 亦包含一些穿孔17，其使不同平面之導電層9導電性地

-11- 561696 五、發明說明（1〇) 互相連接。各導電層9例如可由銅層構成。在基體7之 下側上配置多個外接觸區1 6，藉此可使開關模組固定地 焊接至電路板而可被接觸。這些接觸區1 6亦位於基體7 之上側，使該處以電壓來控制之開關1及濾波器之可能 存在之其它被動元件可被固定及接觸。 開關1例如可藉由黏合及其它之導線連結而被固定及 達成電性上之接觸。較佳是使用GaAs多層開關作爲開 關1，其例如是由公司Alpha Industries，Inc.所提供之 PHEMT GaAs IC High Power SP5T Switch (K1-2GHZ。此 種開關在頻率範圍0.1至0.5 GHZ中所具有之***損耗 是0.8dB。其因此是一種以砷化鎵爲主而製成之積體電 路（包含FET)，其銷（pin)面可藉由焊接而與基體7相連。 第3圖中以電壓控制之開關1具有一輸出端4，其上 連接一種天線1 5。此開關1包含各發送輸入端TX,， TX2及各接收輸入端RXi，RX2及RX3。此開關1經由 控制輸入端Si，S2，S3，S4，S5而受到控制。須進行此 種控制，使各控制輸入端Si，S2，S3，S4，S5中恰巧有 一個設定在’’High”，其它之控制輸入端則設定在” Low” 。藉由連接至開關1之解碼器1 8，則可使所需之輸入端 之數目下降。解碼器1 8例如可爲一種5至1之解碼器 ，其具有各控制輸入端Ei，E2，E3及各控制輸出端Ai ，A2，A3，A4及A5。各控制輸出端Ai，A2，A3，A4及 A5藉由控制線1 9而與開關1之各控制輸入端S !，S2， S3，S4，S5 相連。 -12- 561696 五、發明說明（11) 在適用於控制此開關1且施加至此開關1之控制輸入 端Si，s2，s3，s4，s5上之這些信號中，施加至此解碼 器18之各輸入端Ει，E2和E3上之邏輯信號之解碼藉由 以下之表來說明： 表1 :各控制輸入端Si，s2，s3，s4，s5之邏輯狀態相 對於各控制輸入端E!，E2，E3之邏輯狀態之關係。 1 = ’’ h i g h ’’ 且 Ο = ’’ 1 o w 丨’ 〇 Ει e2 e3 —> Si s 2 S3 s4 S5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 本發明不限於所述之實施例，而是可藉由申請專利範 圍第1項來界定本發明之一般形式。 符號之說明 1 開關 2 發送輸入端 3 接收輸入端 4 輸出端 5,6 低通濾波器 7 基體 8 介電質層

-13- 561696 五、發明說明（12) 9 導電層 10，1 1，12 帶通濾波器 13 發送放大器 14 接收放大器 15 天線 16 外接觸區 17 穿孔 18 解碼器 19 控制線

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Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 第9 1 1 003 65號「電性開關模組，開關模組配置及其應用 」專利案 (92年8月修正） Λ申請專利範圍： 1. 一種電性開關模組，其特徵爲： -具有一以電壓控制之開關（1 )，其包含一發送輸入 端（2 )及一接收輸入端（3 )以及一輸出端（4 )且可選 擇地使各輸入端（2，3 )之一導電性地與輸出端（4) 相連， -具有被動元件，其形成低通濾波器（5，6 )，低通濾 波器導電性地與此開關之發送輸入端（2 )相連， -這些被動元件是多層陶瓷被動模組之組件，被動 模組包含一由上下疊置之介電質（8)所構成之基體 (7)及多個導電層（9)， -此開關（1 )配置在基體（7 )之上側或下側上。 2. 如申請專利範圍第1項之開關模組，其中此開關（1 ) 中之開關電流<10μΑ。 3. 如申請專利範圍第1或2項之開關模組，其中此開 關（1)之***損耗<ldB。 4. 如申請專利範圍第1項之開關模組，其中此開關模 組包含帶通濾波器（1 0，1 1，1 2 )，其配置在基體（7 )之 上側或下側上且與接收輸入端（3 )導電性地相連。 5. 如申請專利範圍第1項之開關模組，其中 修止補充 六、申請專利範圍 -其開關（1)所具有之發送輸入端（2)之數目K>1且接 收輸入端（3)之數目L>1且此開關（1)可選擇地使輸 入端（2,3)之一導電性地與輸出端（4)相連， -其被動元件形成K個低通濾波器（5,6)， -每一低通濾波器（5,6)分別與一發送輸入端（2)導電 性地相連。 6. 如申請專利範圍第1或5項之開關模組，其中被動 模組中被動元件之數目小於10。 7. 如申請專利範圍第1或5項之開關模組，其中此開 關（1)包含以GaAs技術製成之積體電路。 8. 如申請專利範圍第1或5項之開關模組，其中此開 關模組之高度（h)小於1. 8 m m。 9. 如申請專利範圍第1或5項之開關模組，其中每一 低通濾波器（5,6)適用於不同之行動式無線電標準（其 由GSM，PCN及PCS中選取）。 10·如申請專利範圍第1，4或5項之開關模組，其中具有 積體化於被動模組中之其它被動元件，這些被動元件 形成至少一種帶通濾波器（10，11，12)，其導電性地與 接收輸入端（3)相連。 11.如申請專利範圍第1或5項之開關模組，其中此開關 模組以低溫共燒陶瓷（LTCC)技術製成。 1Z如申請專利範圍第1項之開關模組，其中在基體（7) 之上側或下側上配置一解碼器（1 8)，其包含各控制輸

   561696 私年月ί 修正 煩請务π:·ν]禾ν^ί Μή曰所提之 疹£本t變·?:ν:質内容是^?准予修正。 六、申請專利範圍 出端（A! ’ A2，A3，A4，A5)及各控制輸入端（E】’ E2 ’ E 3)，此解碼器（1 8)之控制輸出端（A i ’ A 2 ’ A 3 ’ A 4 ’ A 5) 藉由控制線（19)而與開關（1)之各控制輸入端S, ’ S2 ’ S3，S4，S5)相連。 n如申請專利範圍第1或5項之開關模組，其中包含 一放大器，其被動元件積體化於被動模組中且其主動 元件配置在基體（7)之上側或下側上。 14. 如申請專利範圍第1或5項之開關模組，其中該低 通濾波器（5,6)是一種高階（order)之濾波器。 15. —種開關模組配置，其包含一種如申請專利範圍第1 至1 4項中任一項所述之開關模組，其特徵爲： -每一發送輸入端（2)經由低通濾波器（5,6)而與發送放 大器（13)相連， -每一接收輸入端（3)經由帶通濾波器（10，11，12)而與 接收放大器（14)相連， -輸出端（4)是與天線（15)相連。 16·如申請專利範圍第1或5項之開關模組，其係用 作行動式無線電裝置中之前端模組。 17·如申請專利範圍第1 5項之開關模組配置，其係用作 行動式無線電裝置中之前端模組。