JP4485982B2 - 高周波スイッチングモジュール及び無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は高周波スイッチングモジュールに関し、特にマルチバンド対応移動無線端末機などの無線通信装置に好適に使用される、高周波スイッチングモジュールに関するものである。

近年、携帯電話端末機の普及が進みつつあり、携帯電話端末機の機能、サービスの向上が図られている。この新たな携帯電話端末機として、マルチバンド対応携帯電話端末機の提案がなされている。マルチバンド対応携帯電話端末機は、通常の携帯電話端末機が一つの送受信系のみを取り扱うのに対し、２つ以上の送受信系を取り扱うことができるものである。これにより、地域や使用目的等応じて、利用者が都合の良い送受信系を選択して利用することができる。

マルチバンドの例として、欧州では９００ＭＨｚ帯を使用したＧＳＭ(Global System for Mobil Communication)系と、１８００ＭＨｚ帯を使用したＤＣＳ(Digital Cellular System)系がある。さらに、北米では、ＧＳＭの他、１９００ＭＨｚ帯を使用したＰＣＳ(Personal Communication Services)系がある。
図５は、一般的なＧＳＭ／ＤＣＳ方式デュアルバンド携帯電話機用の高周波スイッチングモジュールＲＦＭのブロック図である。

この高周波スイッチングモジュールＲＦＭは、送受信系ＤＣＳの送信系ＴＸ２、受信系ＲＸ２と、送受信系ＧＳＭの送信系ＴＸ１、受信系ＲＸ１とを備えるとともに、周波数帯域の異なる２つの送受信系ＧＳＭ／ＤＣＳを、それぞれの送受信系ＧＳＭ及びＤＣＳに分波する分波回路と、各送受信系ＤＣＳ、ＧＳＭにおいてそれぞれ送信系ＴＸと受信系ＲＸとの切替えを行うスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２と、各送信系ＴＸ１、ＴＸ２から入力される高調波を減衰させるローパスフィルタＬＰＦ１、ＬＰＦ２とを備えている。また、分波回路とスイッチ回路ＳＷ２との間にローパスフィルタＬＰ３を挿入している。

前記デュアルバンド方式の高周波スイッチングモジュールＲＦＭでは、ＧＳＭの送信系ＴＸ１の高調波の減衰は、ローパスフィルタＬＰＦ１だけではなく、分波回路内のＬＰＦでも減衰させることが可能である。ＤＣＳの送信系ＴＸ２の高調波の減衰は、ローパスフィルタＬＰＦ２だけではなく、ローパスフィルタＬＰＦ３でも減衰させることが可能である。

また、スイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２として、図６に示すようなＰＩＮダイオードスイッチ回路が使用される。このＰＩＮダイオードスイッチ回路は、ＰＩＮダイオードにバイアス電圧を与えることにより、回路の接断を行うものである。受信系ＲＸに入っているλ／４線路ＳＬ１に、高調波を減衰させるためのローパスフィルタの機能を持たせてもよい。
特開2001-332902号公報

ところで、今後の市場動向をふまえると、携帯電話端末機を用いた高品質の音声や画像等のデータ伝送が行なわれることが予想され、これらに対応するために、符号分割多重接続方式であるＣＤＭＡ(Code Division Multiple Access)や、高速データ伝送レートや通信チャネルの多重化を特徴とした次世代送受信系ＵＭＴＳといった大容量データ伝送可能な送受信系の構築が進みつつある。

このように複数の送受信系へ対応するため、１つのモジュールでさらに多くのバンドに対応する必要が生じている。
このように１つのモジュールでさらに多くのバンドに対応する必要が生じた場合、誘電体基板にはバンド数に比例した表層スペースが必要となり、アンテナスイッチモジュールには、ますます小型化が要求される。

また最近、小型化、低損失化を目指して、アンテナスイッチモジュールの内部で送受切替えを行う高周波スイッチとして、高周波半導体スイッチ、例えばＧａＡｓ−ＳＷ（ガリウム砒素スイッチ）を用いた構成も検討されている。
その際、アンテナスイッチモジュールでは、通過帯域における低損失化とともに、高調波の減衰が厳しく要求される。

特に、ＴＸ端子だけではなく、ＲＸ端子においても高調波の減衰が要求される。また、ＵＭＴＳ／ＣＤＭＡ端子においても高調波の減衰が要求される場合がある。
その要求値は、ＲＸでは１０ｄＢほどであり、ＴＸの３０ｄＢと比べると比較的小さい。
従って、分波回路により高調波の減衰を行うことが考えられるが、分波回路で高調波の減衰を行おうとすると、受信通過帯域での損失も増えてしまう。したがって、分波回路での高調波の減衰は、限界がある。

また、高周波スイッチのそれぞれのＲＸ端子にローパスフィルタを挿入することも考えられる。しかし、ローパスフィルタを挿入したために受信通過帯域での損失が増えてしまい、低損失化が達成できない。さらに、多ポート化すればするほど、それぞれの端子にローパスフィルタを挿入することになるが、これは小型化の観点から困難である。
従って、本発明は、小型、低損失で、新たにローパスフィルタを挿入することなく、高調波を減衰させることのできる高周波スイッチングモジュール及びこれを搭載した無線通信装置を提供することを目的とする。

本発明の高周波スイッチングモジュールは、複数の誘電体層からなる誘電体多層基板と、該誘電体多層基板の表面に設けられた高周波スイッチ素子搭載用電極と、該高周波スイッチ素子搭載用電極に実装された、通過帯域の異なる複数の送受信信号を、送受信系別の送信信号又は受信信号に切り替える高周波スイッチ素子と、前記誘電体多層基板の表面又は内部に設けられた、前記高周波スイッチ素子の端子に接続されることにより送信信号の高調波を減衰させるフィルタ回路とを有するものである。
前記高周波スイッチ素子は半導体集積回路素子からなる。前記誘電体層の一層以上を貫く複数の第１のビアホール導体及び該複数の第１のビアホール導体同士を接続する第１の導体パターンからなり、前記高周波スイッチ素子搭載用電極と前記誘電体多層基板の裏面に設けられた接地用電極との間を接続するインダクタンス調整用電極が前記誘電体多層基板内部に設けられている。前記高周波スイッチ素子搭載用電極に接続された、前記誘電体層の一層以上を貫く第２のビアホール導体と、該第２のビアホール導体に接続された第２の導体パターンと、前記接地用電極に接続された、前記誘電体層の一層以上を貫く第３のビアホール導体と、該第３のビアホール導体に接続された、前記誘電体層を介して前記第２の導体パターンに対向する第３の導体パターンとからなり、前記高周波スイッチ素子搭載用電極と前記接地用電極との間に容量を形成するキャパシタンス調整用電極が前記誘電体多層基板内部に設けられている。

この構成によれば、高周波スイッチ素子から接地（ＧＮＤ）につながるインダクタンス調整用電極及びキャパシタンス調整用電極を設定することにより、高周波スイッチ素子の周波数特性を変えることができる。その結果、新たにローパスフィルタを追加することなく、高調波、特に受信信号に含まれる高調波を減衰させることが可能となる。
前記インダクタンス調整用電極は、前記誘電体層の一層以上を貫く複数の第１のビアホール導体及びこれらの複数の第１のビアホール導体同士を接続するため前記誘電体層に形成された第１の導体パターンで構成されるので、誘電体多層基板の中に内蔵することができ、誘電体多層基板の小型化、高周波スイッチングモジュールの小型化を図ることができる。
また、前記キャパシタンス調整用電極は、前記高周波スイッチ素子搭載用電極に接続され前記誘電体層の一層以上を貫く第２のビアホール導体と、前記誘電体層に形成されて前記第２のビアホール導体に接続された第２の導体パターンと、前記接地用電極に接続され前記誘電体層の一層以上を貫く第３のビアホール導体と、前記誘電体層に形成されて前記第３のビアホール導体に接続された第３の導体パターンとからなる構成であるので、誘電体多層基板の中に内蔵することができ、誘電体多層基板の小型化、高周波スイッチングモジュールの小型化を図ることができる。

前記高周波スイッチ素子が低域用と高域用の２種類形成され、前記各高周波スイッチ素子に対応する２つの高周波スイッチ素子搭載用電極が設けられ、前記各高周波スイッチ素子搭載用電極ごとに、それぞれインダクタンス調整用電極及びキャパシタンス調整用電極を設置することとすれば、低域と高域のそれぞれ異なる周波数帯の通信系ごとに、独立して高調波減衰量の調整を行うことが容易にできる。

さらに、本発明は、以上に説明した高周波スイッチングモジュールを搭載する、小型低損失の無線通信装置に係るものである。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、マルチバンド対応携帯電話端末機の高周波スイッチングモジュールＲＦＭ１の一例を説明するためのブロック図である。
この高周波スイッチングモジュールＲＦＭ１は、１つの共通のアンテナ端子ＡＮＴに接続され、ＧＳＭ８５０（８５０ＭＨｚ帯）、ＧＳＭ９００（９００ＭＨｚ帯）、ＤＣＳ（１８００ＭＨｚ帯）、ＰＣＳ（１９００ＭＨｚ帯）、ＣＤＭＡ Cellular（８００ＭＨｚ帯）、ＵＭＴＳ（２１００ＭＨｚ帯）の６つの送受信系を切り替える機能を備えている。前記ＧＳＭ８５０、ＧＳＭ９００、ＣＤＭＡ Cellularの各送受信系は低域の送受信系に分類され、前記低域の送受信系の各送受信系は高域の送受信系に分類さる。また、送信系を「ＴＸ」、受信系を「ＲＸ」と表記する。

この高周波スイッチングモジュールＲＦＭ１は、低域の送受信系（ＧＳＭ８５０、ＧＳＭ９００、ＣＤＭＡCellular）と高域の送受信系（ＤＣＳ、ＰＣＳ、ＵＭＴＳ）を分ける分波回路ＤＩＰ１と、ＣＤＭＡCellular−ＴＸ／ＲＸ（ＴＸＲＸ５）、ＧＳＭ８５０／９００−ＴＸ（ＴＸ１２）、ＧＳＭ８５０−ＲＸ（ＲＸ１）、ＧＳＭ９００−ＲＸ（ＲＸ２）を切り替える高周波スイッチ素子ＳＷ１と、ＵＭＴＳ−ＴＸ／ＲＸ（ＴＸＲＸ６）、ＤＣＳ／ＰＣＳ−ＴＸ（ＴＸ３４）、ＤＣＳ−ＲＸ（ＲＸ３）、ＰＣＳ−ＲＸ（ＲＸ４）を切り替える高周波スイッチ素子ＳＷ２とを備えている。

前記高周波スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２は、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）化合物、Ｓｉ（シリコン）又はＡｌ2Ｏ3（サファイア）を主成分とする集積回路基板上に、回路パターンを形成したものである。特に、小型化、低ロス化を図るために、ＧａＡｓ化合物を主成分とする基板上に形成されたＧａＡｓ Ｊ−ＦＥＴ構造を有した回路で形成されていることが好ましい。

前記分波回路ＤＩＰ１とＧＳＭ８５０／９００−ＴＸ端子（ＴＸ１２）との経路中に、送信信号の高調波を減衰させる低域通過フィルタＬＰＦ１と、前記分波回路ＤＩＰ１とＤＣＳ／ＰＣＳ−ＴＸ端子（ＴＸ３４）との経路中に送信信号の高調波を減衰させる低域通過フィルタＬＰＦ２とが接続されている。
このように高周波スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２を構成する高周波半導体集積回路素子ＳＷＩＣは、図１に示すように、高周波スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２に対応して、それぞれ別々の集積回路素子で形成されている。

しかし、前記高周波スイッチ素子ＳＷ１、高周波スイッチ素子ＳＷ２は、図２に示すように、１つの高周波半導体集積回路素子として集積されていてもよい。
また、分波回路、高周波スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２の代わりに、ＳＰ８Ｔのような多ポートスイッチ素子を使用していてもよい。
以下、前記高周波スイッチ素子ＳＷ１、高周波スイッチ素子ＳＷ２が１つの高周波半導体集積回路素子ＳＷＩＣとして集積されている場合を想定して、説明を進める。

図３は、本発明に係る高周波スイッチングモジュールの概略断面図、図４は、この高周波スイッチングモジュールの一部切欠斜視図である。
図３、図４に示すように、本発明の高周波スイッチングモジュールは、誘電体層と導体層が積層されてなる多層基板Ａに形成されている。
多層基板Ａは、セラミック、又はエポキシ系樹脂などからなる同一寸法形状の誘電体層１１〜１７が積層されてが構成されている。

この多層基板Ａの各誘電体層１１〜１７上には、所定のパターンからなる導体層２１が形成されている。
誘電体層１１〜１７は、例えば、低温焼成用のセラミックスで形成され、導体層２１は、銅や銀などの低抵抗導体によって形成される。
このような多層基板Ａは、周知の多層セラミック技術によって形成されるもので、例えば、セラミックグリーンシートの表面に導電ペーストを塗布して上述した各回路を構成する導体パターンをそれぞれ形成した後、グリーンシートを積層し、所要の圧力と温度の下で熱圧着し焼成して形成されている。

また、各誘電体層１１〜１７には複数の層にわたって回路を構成ないしは接続するために必要なビアホール導体２２等が適宣の位置に形成されている。
この多層基板Ａの下面には、大面積のＧＮＤ電極３７が形成されている。なお、該多層基板Ａの側面に近い部分には信号用端子パターンがＬＧＡ（ランドグリッドアレイ）方式の電極（図示せず）として形成されている。

多層基板Ａの上面には、高周波スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２を構成する高周波半導体集積回路素子ＳＷＩＣを実装するためのダイパッド（搭載用電極）２６が形成されている。このダイパッド２６は、図３、図４に示すように、高周波半導体集積回路素子ＳＷＩＣの実装面よりも大きな面積を有している。
高周波半導体集積回路素子ＳＷＩＣは、多層基板Ａの上面に、Ａｇ又はＡｕＳｎに接着剤を混ぜた導電性接着剤、又は有機樹脂系の非導電性の接着剤４７を介して、表面実装される。

かかる高周波スイッチングモジュールにおいては、前述した高周波スイッチングモジュールＲＦＭ１（図１）における分波器ＤＩＰ１、低域通過フィルタＬＰＦ１、ＬＰＦ２を構成するキャパシタ、インダクタ等の一部が、チップ部品（集中定数素子）として該多層基板の上面に設けられるとともに、分波器ＤＩＰ１、低域通過フィルタＬＰＦ２、ＬＰＦ３を構成するキャパシタ、インダクタ等の一部が、多層基板Ａの上面又は内層に導体パターンとして設けられている。

そして、高周波スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２を構成する高周波半導体集積回路素子ＳＷＩＣの信号用端子及び接地用端子が、ボンディングワイヤ５６や、多層基板Ａ表面の導体層２１を経由して、分波器ＤＩＰ１、低域通過フィルタＬＰＦ１、ＬＰＦ２などを構成する前記基板内蔵素子と電気的に接続されている。
多層基板Ａの上面は、エポキシ樹脂などの封止樹脂５５で封止される。

本発明の実施形態の構造では、図３に示すように、前記ダイパッド２６の下面には、各誘電体層１１〜１３を貫くビアホール導体２７ａ，２８ａが接続され、ビアホール導体２７ａ，２８ａの下端には、基板内蔵のインダクタンス調整用電極ＬＥ、キャパシタンス調整用電極ＣＥがそれぞれ接続されている。そして、インダクタンス調整用電極ＬＥは、ビアホール導体２７ｂによって、ＧＮＤ電極３７に接続されている。キャパシタンス調整用電極ＣＥは、ビアホール導体２８ｂによって、ＧＮＤ電極３７に接続されている。

前記インダクタンス調整用電極ＬＥは、誘電体層１４〜１７にそれぞれ形成される導体パターン２３ａと、各誘電体層１４，１５，１６をそれぞれ貫くビアホール導体２４ａとで構成される。
前記導体パターン２３ａは、誘電体層１４〜１７の表面に沿ってそれぞれ一定の長さをもって延びている。最も上部の導体パターン２３ａの一端は、前記ダイパッド２６から降りてくるビアホール導体２７ａの下端につながり、この導体パターン２３ａの他端は、誘電体層１４を貫くビアホール導体２４ａにつながっている。前記ビアホール導体２４ａは、次の層１５の導体パターン２３ａの一端につながり、前記導体パターン２３ａの他端は、次の層１５を貫くビアホール導体２４ａの上端につながっている。

このようにして、前記インダクタンス調整用電極ＬＥは、ジグザグの経路を形作ることにより、インダクタンス成分を作る。従って、前記ダイパッド２６からＧＮＤ電極３７まで流れる高周波電流は、このインダクタンス成分を備える導体経路を通過することになる。
また、前記キャパシタンス調整用電極ＣＥは、図３に示すように、誘電体層１４，１６の上面にそれぞれ形成される導体パターン２３ｂと、誘電体層１４，１５を貫くビアホール導体２４ｂとで構成される一方電極と、誘電体層１５，１７の上面にそれぞれ形成される導体パターン２３ｃと、誘電体層１５，１６を貫くビアホール導体２４ｃとで構成される他方電極とからなっている。

前記導体パターン２３ｂと２３ｃとで対向面を形成することにより、前記キャパシタンス調整用電極ＣＥは、キャパシタンス成分を持つ。従って、前記ダイパッド２６からＧＮＤ電極３７まで流れる高周波電流は、このキャパシタンス成分を通過することになる。
以上に説明したように、インダクタンス調整用電極ＬＥ及び前記キャパシタンス調整用電極ＣＥを多層基板Ａ内部に実装して、高周波スイッチ素子のアンテナ端子ＡＮＴから受信端子（ＲＸ）に至る通過減衰量の周波数特性を測定した。

受信周波数ｆは１．８ＧＨｚとし、インダクタンス調整用電極ＬＥのインダクタンスは１ｎＨと２ｎＨとの２種類とし、キャパシタンス調整用電極ＣＥのキャパシタンスは２．５ｐＦとした。

表１に示すように、高周波スイッチ素子とＧＮＤ電極３７との間に、インダクタ：１ｎＨを追加することで、受信信号に含まれる３倍高調波の減衰量を、インダクタのないときと比べて１．３ｄＢ増やすことができる。
また、インダクタを２ｎＨとすることで、３倍高調波の減衰量をさらに大幅に増やすことができる。

またキャパシタ：２．５ｐＦを追加することで２倍高調波の減衰量を４ｄＢ以上増やすことができる。
以上の図３，図４の説明では、前記高周波スイッチ素子ＳＷ１及び高周波スイッチ素子ＳＷ２が１つの高周波半導体集積回路素子ＳＷＩＣとして集積されていることを想定した。
しかし、前記高周波スイッチ素子ＳＷ１及び高周波スイッチ素子ＳＷ２がそれぞれ別個の高周波半導体集積回路素子に集積され、各高周波半導体集積回路素子をそれぞれ別のダイパッドに搭載する形態においては、前記インダクタンス調整用電極ＬＥ及び前記キャパシタンス調整用電極ＣＥをそれぞれのダイパッドとＧＮＤ電極３７との間に設けることが、高調波の減衰のためには有効である。

このように、前記インダクタンス調整用電極ＬＥ及び前記キャパシタンス調整用電極ＣＥを、低域用と高域用とに分離することによって、インダクタンス成分及びキャパシタンス成分を、それぞれの帯域で独立して調整できることになり、高周波スイッチ素子の通過減衰量の調整の自由度を広げることができる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

本発明に係る高周波スイッチングモジュールの一例を示すブロック図である。 本発明に係る高周波スイッチングモジュールの他の一例を示すブロック図である。 本発明に係る高周波スイッチングモジュールの概略断面図である。 本発明に係る高周波スイッチングモジュールの内部構造を示す一部切欠斜視図である。 ＧＳＭ／ＤＣＳ方式のデュアルバンド方式の従来の高周波回路部を示すブロック図である。 従来のデュアルバンド方式で使用されるＰＩＮダイオードスイッチの回路図である。

符号の説明

１１〜１７ 誘電体層
２３ａ，ｂ，ｃ 導体パターン
２４ａ，ｂ，ｃ ビアホール導体
２６ ダイパッド（搭載用電極）
２７ａ，ｂ，ａ，ｂ ビアホール導体
３７ ＧＮＤ電極
Ａ 多層基板
ＡＮＴ アンテナ端子
ＣＥ キャパシタンス調整用電極
ＤＩＰ１ 分波回路
ＬＥ インダクタンス調整用電極
ＬＰＦ１，ＬＰＦ２ 低域通過フィルタ回路
ＲＸ 受信信号用端子
ＳＷ１ 高周波スイッチ素子
ＳＷ２ 高周波スイッチ素子
ＳＷＩＣ 高周波半導体集積回路素子
ＴＸ 送信信号用端子

Claims (3)

1. 複数の誘電体層からなる誘電体多層基板と、
   該誘電体多層基板の表面に設けられた高周波スイッチ素子搭載用電極と、
   該高周波スイッチ素子搭載用電極に実装された、通過帯域の異なる複数の送受信信号を、送受信系別の送信信号又は受信信号に切り替える高周波スイッチ素子と、
   前記誘電体多層基板の表面又は内部に設けられた、前記高周波スイッチ素子の端子に接続されることにより送信信号の高調波を減衰させるフィルタ回路とを有し、
   前記高周波スイッチ素子は半導体集積回路素子からなり、
   前記誘電体層の一層以上を貫く複数の第１のビアホール導体及び該複数の第１のビアホール導体同士を接続する第１の導体パターンからなり、前記高周波スイッチ素子搭載用電極と前記誘電体多層基板の裏面に設けられた接地用電極との間を接続するインダクタンス調整用電極が前記誘電体多層基板内部に設けられているとともに、
   前記高周波スイッチ素子搭載用電極に接続された、前記誘電体層の一層以上を貫く第２のビアホール導体と、該第２のビアホール導体に接続された第２の導体パターンと、前記接地用電極に接続された、前記誘電体層の一層以上を貫く第３のビアホール導体と、該第３のビアホール導体に接続された、前記誘電体層を介して前記第２の導体パターンに対向する第３の導体パターンとからなり、前記高周波スイッチ素子搭載用電極と前記接地用電極との間に容量を形成するキャパシタンス調整用電極が前記誘電体多層基板内部に設けられている高周波スイッチングモジュール。
2. 前記高周波スイッチ素子が低域用と高域用との２種類設けられており、
   前記各高周波スイッチ素子に対応する２つの高周波スイッチ素子搭載用電極が設けられており、
   前記各高周波スイッチ素子搭載用電極ごとに、それぞれ前記インダクタンス調整用電極及び前記キャパシタンス調整用電極が設けられている請求項１に記載の高周波スイッチングモジュール。
3. 請求項１又は請求項２に記載の高周波スイッチングモジュールを具備する無線通信装置。

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