JP4143976B2

JP4143976B2 - モジュール

Info

Publication number: JP4143976B2
Application number: JP2005260713A
Authority: JP
Inventors: 茂釼持; 昌幸内田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: JP2006054914A

Description

本発明は、各種コンピュータ、その周辺装置、携帯電話などの移動体通信機に用いられ、これを相互に接続してデータ通信を行う周波数ホッピング方式使用するブルートゥース等のＲＦ回路に関し、前記回路を複合一体化したモジュールに関する。

２．４ＧＨｚのＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｎｄＭｅｄｉｃａｌ、産業、科学及び医療）帯域は、ＤＳＳＳ（ＤｉｒｅｃｔＳｅｑｕｅｎｃｅＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍダイレクト・シーケンス・スペクトル拡散）、無線通信向けのもの等のＩＥＥＥ８０２．１１規格に準拠する無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）通信に利用されている。このような無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）と同じ２．４ＧＨｚのＩＳＭ帯域を利用し、関連し合う電子機器との接続がケーブルを用いることなく実現でき、極めて利便性の高い技術である近距離無線規格ブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ^ＴＭ）が提案されている。
このブルートゥースは２．４ＧＨｚの前記ＩＳＭ周波数帯を複数の無線チャンネルに分割して使用し、さらに各無線チャンネルを単位時間（１／１６００秒）ごとに分割してタイムスロットとし、使用する無線チャンネルをタイムスロットごとに切り替える耐ノイズ性に優れた周波数ホッピング方式が採用されている。送受信の切り替えは、ＰＨＳ（ＰｅｒｓｏｎａｌＨａｎｄｙＰｈｏｎｅＳｙｓｔｅｍ）等と同様に時分割複信（ＴＤＤ；ＴｉｍｅＤｉｖｉｓｉｏｎＤｕｐｌｅｘ）方式が採用され、このＴＤＤ方式は送信と受信を同一のキャリア周波数とする方式である。

もともと、ブルートゥースはその利用が同一敷地内、同一建物内など比較的狭い地域として想定されているので、電波が到達するエリアは１０ｍ程度の距離範囲であり、送信時で３０ｍＷ、待機時では０．３ｍＷと省電力に設計されている。このようなブルートゥースのＲＦ回路の一例を図１に示す。このブルートゥースのＲＦ回路は、アンテナＡＮＴの後段に高周波フィルタ（ＦＩＬＴＥＲ）が配置され、アンテナから入放射する高周波信号は伝送すべき送受信信号に濾波される。その後段には送信回路ＴＸと前記アンテナＡＮＴとの接続、及び受信回路ＲＸと前記アンテナＡＮＴとの接続を切り替える高周波スイッチＳＷと、この高周波スイッチＳＷと前記送信回路間に配置される平衡−不平衡変換回路である第１のバルントランスＢａｌｕｎ１と、前記高周波スイッチと前記受信回路間に配置される第２のバルントランスＢａｌｕｎ２とを有する。
前記高周波スイッチＳＷは、ブルートゥースの通信がＴＤＤ方式で行われること、送信時の電力が３０ｍＷと極めて省電力であることがら、ＧａＡｓスイッチが広く用いられている。スイッチ回路によりアンテナと受信回路間、送信回路とアンテナ間との接続が切換えられ、高周波信号はそれぞれの回路に適宜導かれる。ＲＦＩＣのスイッチ回路側の入出力部は雑音指数をさげ、受信感度を上げるように、それぞれ差動動作する様に２本の信号端子にて構成されている。そして前記ＲＦＩＣの入出力インピーダンスは５０Ω〜２００Ω程度であるため、各部品の特性インピーダンスが異なる場合には、インピーダンス変換回路も必要となり、スイッチ回路とＲＦＩＣとの間には平衡−不平衡回路として前記バルントランスＢａｌｕｎ１，２が配置されている。

このようなＲＦ回路は、その無線システムのもつ利便性から、用いられる機器の小型軽量化されたデザイン等の市場要求に応じて小型軽量化が求められ、また低価格化の要請も強い。前記ＲＦＩＣはパワーアンプ等の高周波デバイスを含み、これを駆動するのに従来は直流電圧供給手段からチョークコイルを介して直流電圧を供給していた。小型軽量化の要求に対して最近のＲＦ段モジュールにおいては、前記チョークコイルを含む回路部品の低減が求められていた。
また、ＲＦ回路が用いられる機器は、携帯電話などに複合化されるようになってきている。無線ＬＡＮやブルートゥースが利用するＩＳＭ周波数帯域は、工作機械や電子レンジ等からの放射ノイズが多い帯域であることから、無線システムとして、もともと通信方式として耐ノイズ性に優れた周波数ホッピング方式が採用されている。しかしながら、他の通信機器、例えばＰＣＳ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｅｒｖｉｃｅｓ）やＤＣＳ（ＤｉｇｉｔａｌＣｅｌｌｕｌａｒＳｙｓｔｅｍ）等の携帯電話の高周波信号がごく近傍に存在する場合には、その高周波信号がノイズとして作用し、前記周波数方式であっても少なからず影響を受けてしまう。他方、通信機器にとっても同様に、ブルートゥースの高周波信号がノイズとして作用する。このためアンテナから放射される帯域外の高周波信号は、ブルートゥースでは例えば２倍波で３０ｄＢ以上の減衰量が望まれている。しかしながら前記スイッチ回路としてＧａＡｓスイッチを用いる場合には、広帯域な挿入損失で帯域外の減衰量も小さいといった特性から、アンテナトップに配置される高周波フィルタは、その帯域外減衰量の大きなものが必要とされるが、大きな帯域外減衰量を得ようとすれば、フィルタを構成する回路素子を増やさざるを得ず、挿入損失が劣化し、形状も大きくせざるを得ず、更なるＲＦ回路の小型化には限界があった。
また無線ＬＡＮやブルートゥースは、携帯電話やノート型コンピュータのように、バッテリーで駆動させる機器において使用される場合が多い。この為更なる低消費電力化も望まれているが、前記の理由から困難な状況にあった。そこで本発明の目的は、部品点数を削減し、高調波の減衰特性に優れ、かつ低消費電力であるＲＦ回路と小型のＲＦ段モジュールを提供することである。

第１の発明は、電極パターンと誘電体でなる積層体に、フィルタと、バルントランスを形成したモジュールであって、前記フィルタが前記電極パターンで形成されたインダクタとコンデンサとでなる帯域通過フィルタ又は低域通過フィルタであり、前記バルントランスは平衡−不平衡変換回路であって、不平衡端側に前記フィルタがスイッチ回路やパワーアンプを介さずに直列接続され、平衡端側にパワーアンプが接続され、前記パワーアンプを含むＲＦＩＣが前記積層体に搭載されたことを特徴とするモジュールである。
第２の発明は、電極パターンと誘電体でなる積層体に、フィルタと、バルントランスを形成したモジュールであって、前記フィルタが前記電極パターンで形成されたインダクタとコンデンサとでなる帯域通過フィルタ又は低域通過フィルタであり、前記バルントランスは平衡−不平衡変換回路であって、不平衡端側に前記フィルタの一端側がスイッチ回路やパワーアンプを介さずに直列接続され、前記フィルタの他端側にスイッチ回路を接続し、前記スイッチ回路の能動素子を前記積層体に搭載してなることを特徴とするモジュールである。
第３の発明は、電極パターンと誘電体でなる積層体に、フィルタと、バルントランスを形成したモジュールであって、前記フィルタは前記電極パターンで形成され、前記バルントランスは平衡−不平衡変換回路であって、第１の伝送線路と、当該第１の伝送線路と電磁結合する第２の伝送線路と第３の伝送線路を備え、第１の伝送線路は、一端が不平衡端に接続され、他端が接地又は開放端となり、第２の伝送線路は一端が接地され、他端が第１の平衡端に接続され、第３の伝送線路は一端が接地され、他端が第２の平衡端に接続され、前記第２の伝送線路と、前記第３の伝送線路の一端同士を共通の接地コンデンサに接続し、前記不平衡端側に前記フィルタが直列接続されたことを特徴とするモジュールである。前記コンデンサのホット側から前記第２、第３の伝送線路に直流電圧を供給し、第１及び第２の平衡端子から直流電圧を出力するようにしても良い。本発明のモジュールでは、この直流電圧により、ＲＦＩＣのパワーアンプを動作させていることが出来る。
前記積層体は、低温焼成可能なセラミック誘電体材料をグリーンシートとし、前記グリーンシートに導電ペーストで、前記伝送線路とコンデンサを電極パターンとし、これを積層、一体焼成して構成するのが好ましい。

本発明について、以下詳細に説明する。図１は本発明の一実施例に係るモジュールが用いられるＲＦ回路の回路ブロックの一例であり、図２乃至５は前記ＲＦ段モジュールに用いるバルントランスＢａｌｕｎ１、２の等価回路である。
このＲＦ回路は、不要な高周波信号を減衰させる高周波フィルタ（ＦＩＬＴＥＲ）と、送信信号と受信信号を切り換える高周波スイッチ（ＳＷ）、平衡−不平衡変換回路としてのバルントランスＢａｌｕｎ１、Ｂａｌｕｎ２を備える。
図２に送信側に用いるバルントランスの一例を示す。送信側（ＴＸ）のバルントランスＢａｌｕｎ１は、第１の伝送線路Ｌ１と、この第１の伝送線路Ｌ１と電磁結合する第２の伝送線路Ｌ２と第３の伝送線路Ｌ３を備え、前記第１の伝送線路Ｌ１は、一端が不平衡端１０１に接続され他端が接地され、第２の伝送線路Ｌ２は、一端が接地され他端が第１の平衡端１０２に接続され、第３の伝送線路Ｌ３は、一端が接地され他端が第２の平衡端１０３に接続される。前記第１の平衡−不平衡回路を構成するバルントランスの前記第１、第２の伝送線路の一端同士が接続して、コンデンサＣ１を介して接地されるとともに、前記コンデンサのホット側から、第２の伝送線路Ｌ２と第３の伝送線路Ｌ３に、直流電圧を供給できるように電圧供給端Ｖｄｄが形成されている。この電圧供給端Ｖｄｄからみて、前記第２の伝送線路Ｌ２と前記第３の伝送線路Ｌ３はほぼ等しい線路長を有しており、前記電圧供給端Ｖｄｄから直流電圧が供給されると、第２の伝送線路Ｌ２と前記第３の伝送線路Ｌ３には、ほぼ同じ大きさの電流が逆方向に流れ、第１の平衡端１０２と第２の平衡端１０３には略等しい直流電圧が出力される。前記第１の平衡端１０２と第２の平衡端１０３はＲＦＩＣの送信側出力部に接続されており、電圧供給端Ｖｄｄから直流電圧を印加した場合にＲＦＩＣの送信出力部の２本の平衡端子に、同時にほぼ等しい直流電圧を印加できる。このため従来必要であったチョークコイルを準備する必要がない。
本発明のＲＦ回路及びモジュールによれば、従来電圧供給のために必要であった複数のディスクリート部品を削減することが出来るため、ＲＦ段モジュールを小型かつ軽量化出来、価格も低廉化出来る。また、前記コンデンサＣ１は第１の平衡端１０２と第２の平衡端１０３に入力される高周波信号の位相差を調整するように機能させることも出来る。

図３はバルントランスの他の例を示す等価回路であり、このバルントランスの場合は、前記第１の伝送線路は、一端が不平衡端に接続され他端が開放端となり、第２の伝送線路は、一端が接地され他端が第１の平衡端に接続され、第３の伝送線路は、一端が接地され、他端が第２の平衡端に接続される。この場合も前記第１の平衡−不平衡回路を構成するバルントランスの前記第１、第２の伝送線路の一端同士が接続し、コンデンサＣ１を介して接地されるとともに、前記コンデンサのホット側から直流電圧を供給できるように電圧供給端Ｖｄｄが形成されており、図２に開示したバルントランスと同様に、第２の伝送線路Ｌ２と前記第３の伝送線路Ｌ３には、ほぼ同じ大きさの電流が逆方向に流れ、第１の平衡端１０２と第２の平衡端１０３には略等しい直流電圧が出力される。したがって別途チョークコイルを準備する必要がなく、従来電圧供給のために必要であった複数のディスクリート部品を削減することが出来るため、ＲＦ回路及びモジュールを小型かつ軽量化出来、価格も低廉なものに出来る。
また、このバルントランスは図１４に示すように、２．４ＧＨｚの２倍波帯域で減衰極をもつ。バルントランス単体でも不要な高周波信号を減衰させることができ、前段に配置される高周波フィルタに求められる帯域外減衰量、特に通過帯域よりも高周波側の減衰量は、それほど大きなものを用いなくてもよい。この為、高周波フィルタを少ない回路素子で構成出来るので小型化でき、また低挿入損失となるので低消費電力化も実現することができる。それほど大きな帯域外減衰量が必要とされない場合に、前記高周波フィルタとして積層ＬＣフィルタ、弾性表面波フィルタを用いることができ、これらは共に安価に構成できるので、その結果としてモジュールも安価に提供することが出来る。

受信側（ＲＸ）に用いられるバルントランスＢａｌｕｎ２の一例を図４、５に示す。例えば図４のバルントランスＢａｌｕｎ２は、第４の伝送線路Ｌ４と、この第４の伝送線路Ｌ４と電磁結合する第５の伝送線路Ｌ５と、第６の伝送線路Ｌ６を備え、前記第４の伝送線路Ｌ４は、一端が不平衡端１０５に接続され、他端が接地され、第５の伝送線路Ｌ５は、一端が接地され、他端が第３の平衡端１０６に接続され、第６の伝送線路Ｌ６は、一端が接地され他端が第４の平衡端１０７に接続される。前記第１の平衡−不平衡回路を構成するバルントランスの前記第５、第６の伝送線路の一端同士が接続して接地される。その基本的な回路構成は送信側（ＴＸ）に用いられるバルントランスＢａｌｕｎ１と比較し、電圧供給端Ｖｄｄを有さない点以外は同じである。図５に示したバルントランスＢａｌｕｎ２も同様であり、その説明を省く。

図６、７は、図１に示すＲＦ回路を構成する高周波スイッチ（ＳＷ）の等価回路である。例えば図６に示すダイオードスイッチは、ダイオードＤ１、Ｄ２と、伝送線路Ｌ１０、Ｌ１１及びコンデンサＣ１０を主要素子として構成される。また図７に示すＧａＡｓスイッチは、電界効果トランジスタＦＥＴ１〜ＦＥＴ４、コンデンサＣ１１、抵抗Ｒ１、Ｒ２を主要素子として構成される。これらの高周波スイッチではＤＣカット用のコンデンサが必要に応じて配置される。

図８乃至１０は、図１に示すＲＦ回路を構成する高周波フィルタ（ＦＩＬＴＥＲ）の等価回路である。例えば図８の帯域通過フィルタは、コンデンサＣ１００〜Ｃ１０６と、伝送線路Ｌ１００，Ｌ１０１を主要素子として構成される。また図９示す低域通過フィルタは、コンデンサＣ１１０〜Ｃ１１２と伝送線路Ｌ１１０を主要素子として構成される。図１０に示す低域通過フィルタは、コンデンサＣ１１０〜Ｃ１１２と伝送線路Ｌ１１０、Ｌ１１１を主要素子として構成される。この低域通過フィルタは、伝送線路Ｌ１１１とコンデンサＣ１１２を有し、この直列共振回路はグランドに接続される。この直列共振回路の伝送線路Ｌ１１１のインダクタとコンデンサＣ１１２の適宜選定することにより、他の通信機器の高周波信号を選択的に減衰することが出来る。また、前記直列共振回路は信号経路に直列に配置されていないので、本来通過させるべき高周波信号の挿入損失特性を損なうことがない。

図１１乃至１３は、他ＲＦ回路を示す回路ブロックである。例えば図１１に回路ブロックとして示すＲＦ段モジュールは、アンテナ（ＡＮＴ）と高周波スイッチ（ＳＷ）間に配置される高周波フィルタ（ＦＩＬＴＥＲ）を低域通過フィルタとし、前記高周波スイッチＳＷと受信側（ＲＸ）のバルントランスＢａｌｕｎ２との間に高周波フィルタ（ＦＩＬＴＥＲ）を配置して構成される。このように構成すれば、アンテナ（ＡＮＴ）と高周波スイッチ（ＳＷ）間に配置される高周波フィルタの帯域内挿入損失を、図１に示すように前記高周波フィルタを帯域通過フィルタのみで構成する場合よりも小さくすることができる、送信側（ＴＸ）の挿入損失を図１の回路ブロックに示すＲＦ段モジュールより小さくすることができる。また、高周波スイッチＳＷと受信側（ＲＸ）のバルントランスＢａｌｕｎ２との間に配置される高周波フィルタ（ＦＩＬＴＥＲ）も、前記低域通過フィルタにより、高周波フィルタに求められる帯域外減衰量、特に通過帯域よりも高周波側の減衰量は、それほど大きなものを用いなくてもよい。この為、高周波フィルタを少ない回路素子で構成出来るので小型化でき、そして低消費電力化も実現することができる。また図１２に示す回路ブロックのように、高周波スイッチＳＷと送信側（ＴＸ）のバルントランスＢａｌｕｎ１との間に高周波フィルタ（ＦＩＬＴＥＲ）を配置し、これを低域通過フィルタとしても良く、この場合には送信側（ＴＸ）の挿入損失を図１の回路ブロックに示すモジュールよりも小さくすることが出来る。図１３は、受信側（ＲＸ）の平衡−不平衡変換回路として入力が平衡端で、出力が平衡端の弾性表面波フィルタを用いて構成したＲＦ段モジュールである。この場合には、平衡−不平衡変換回路と高周波フィルタを一つの弾性表面波フィルタで構成できるので、ＲＦ段モジュールを小型化することが出来る。

図８に示すバンドパスフィルタを、アンテナと高周波スイッチとの間に配置し、図６に示すダイオードスイッチを前記高周波スイッチとし、送信側の平衡−不平衡変換回路を図３に示すバルントランスとし、受信側の平衡−不平衡変換回路を図５に示すバルントランスとして図１に示すＲＦ回路を構成した。このＲＦ回路は、送信時にはダイオードスイッチの制御端子ＶＣ１に正の電圧が与えられ、ダイオードＤ１，Ｄ２をＯＮ状態にするとともに、送信側のバルントランスＢａｌｕｎ１の電圧供給端Ｖｄｄから直流電圧が印加される。また受信時にはダイオードスイッチの制御端子ＶＣ１に０の電圧を与え、ダイオードＤ１，Ｄ２をＯＦＦ状態にするとともに、送信側のバルントランスＢａｌｕｎ１の電圧供給端Ｖｄｄに直流電圧を印加しないように制御される。このように制御することで、ＲＦ段モジュールを省電力なものとしている。

このＲＦ回路をモジュールとし、前記フィルタ、スイッチ回路、バルントランスの伝送線路やコンデンサを、誘電体からなる積層体に内蔵するようにし、積層体に内蔵出来なかった受動素子や、ダイオード、ＧａＡｓＦＥＴ、ＲＦＩＣ等の能動素子を前記積層体に搭載するように構成することで、図１５に示す小型のＲＦ段モジュール２００を構成することが出来た。前記誘電体は、例えばＡｌ_２Ｏ_３を主成分としＳｉＯ_２、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＰｂＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏを副成分として含む、比誘電率が８の低温焼成が可能なセラミック誘電体材料を用い、これをドクターブレード法などの公知のシート成形方法によって、厚さが３０μｍ〜２００μｍのグリーンシートとし、そのグリーンシート上にＡｇやＣｕ等の導電ペーストを印刷して高周波フィルタやバルントランス、高周波スイッチを構成する伝送線路、コンデンサやグランド電極を構成する電極パターンを形成し、それを適宜積層し、一体焼成して構成される。さらに、前記積層体に誘電体アンテナを積層して構成するなどして一体的に構成することも出来るし、面実装タイプの誘電体アンテナを前記積層体に実装してもよい。また、前記積層体をＨＴＣＣ（高温同時焼成セラミック）技術を用いて、誘電体をＡｌ_２Ｏ_３とし伝送線路等をタングステンやモリブデンとして構成してもよいし、基板に回路素子を実装して構成することも出来る。

本発明のジュールとしては、上述したような様々な回路ブロックのＲＦ段モジュールがある。

本発明によれば、部品点数を削減し、高調波の減衰特性に優れ、かつ低消費電力の小型のＲＦ段モジュールを提供することが出来る。

本発明の一実施例に係るＲＦ回路の回路ブロック図である。本発明のモジュールの送信側に用いるバルントランスの一例を示す等価回路図である。本発明のモジュールの送信側に用いるバルントランスの他の例を示す等価回路図である。本発明のモジュールの受信側に用いるバルントランスの一例を示す等価回路図である。本発明のモジュールの受信側に用いるバルントランスの他の例を示す等価回路図である。本発明のモジュールに用いる高周波スイッチの一例を示す等価回路図である。本発明のモジュールに用いる高周波スイッチの他の例を示す等価回路図である。本発明のモジュールに用いる高周波フィルタの一例を示す等価回路図である。本発明のモジュールに用いる高周波フィルタの他の例を示す等価回路図である。本発明のモジュールに用いる高周波フィルタの他の例を示す等価回路図である。本発明の他の実施例に係るモジュールの回路ブロック図である。本発明の他の実施例に係るモジュールの回路ブロック図である。本発明の他の実施例に係るモジュールの回路ブロック図である。本発明のモジュールに用いるバルントランスの挿入損失特性の一例を示す特性図である。本発明の一実施例に係るモジュールの斜視図である。

符号の説明

Ｌ１第１の伝送線路
Ｌ２第２の伝送線路
Ｌ３第３の伝送線路
Ｃ１コンデンサ
１０１不平衡端
１０２第１の平衡端
１０３第２の平衡端
Ｖｄｄ電圧供給端

Claims

電極パターンと誘電体でなる積層体に、フィルタと、バルントランスを形成したモジュールであって、前記フィルタが前記電極パターンで形成されたインダクタとコンデンサとでなる帯域通過フィルタ又は低域通過フィルタであり、前記バルントランスは平衡−不平衡変換回路であって、不平衡端側に前記フィルタがスイッチ回路やパワーアンプを介さずに直列接続され、平衡端側にパワーアンプが接続され、前記パワーアンプを含むＲＦＩＣが前記積層体に搭載されたことを特徴とするモジュール。
電極パターンと誘電体でなる積層体に、フィルタと、バルントランスを形成したモジュールであって、前記フィルタが前記電極パターンで形成されたインダクタとコンデンサとでなる帯域通過フィルタ又は低域通過フィルタであり、前記バルントランスは平衡−不平衡変換回路であって、不平衡端側に前記フィルタの一端側がスイッチ回路やパワーアンプを介さずに直列接続され、前記フィルタの他端側にスイッチ回路を接続し、前記スイッチ回路の能動素子を前記積層体に搭載してなることを特徴とするモジュール。
電極パターンと誘電体でなる積層体に、フィルタと、バルントランスを形成したモジュールであって、前記フィルタは前記電極パターンで形成され、前記バルントランスは平衡−不平衡変換回路であって、第１の伝送線路と、当該第１の伝送線路と電磁結合する第２の伝送線路と第３の伝送線路を備え、第１の伝送線路は、一端が不平衡端に接続され、他端が接地又は開放端となり、第２の伝送線路は一端が接地され、他端が第１の平衡端に接続され、第３の伝送線路は一端が接地され、他端が第２の平衡端に接続され、前記第２の伝送線路と、前記第３の伝送線路の一端同士を共通の接地コンデンサに接続し、前記不平衡端側に前記フィルタが直列接続されたことを特徴とするモジュール。
前記積層体は、低温焼成可能なセラミック誘電体材料をグリーンシートとし、前記グリーンシートに導電ペーストで、前記伝送線路とコンデンサを電極パターンとして構成し、これを積層、一体焼成してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のモジュール。