JP4473147B2 - 位相線路及び分波器 - Google Patents

Description

本発明は、インピーダンス整合用の位相線路、及び位相線路を用いた分波器に関するものである。

分波器（デュプレクサ）は、主にＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access ）方式の携帯電話などの無線通信システムにおいて使用される。ＣＤＭＡ方式の無線システムでは、１本のアンテナを用いて送信と受信が同時に行われるため、送信信号と受信信号とを分離し、かつ互いの信号が相互に影響しないようにする分波器が必要となる（例えば、特許文献１参照）。携帯電話機に搭載される分波器の一般的構成を図５に示す。

図５に示すように、分波器は、図示しない送信回路からの送信信号のみを通過させてアンテナ４に供給する中心周波数ｆ１の帯域通過フィルタである送信用フィルタ１と、アンテナ４で受信された高周波信号のうち所定の受信信号のみを通過させる中心周波数ｆ２（ｆ１≠ｆ２）の帯域通過フィルタである受信用フィルタ２と、アンテナ４と受信用フィルタ２の入力端子との間に設けられたインピーダンス整合用の分波回路３とから構成される。送信回路は、送信すべき音声信号やデータ信号等を基に高周波の送信信号を生成して送信用フィルタ１に出力する。受信回路は、受信用フィルタ２から出力された受信信号を復調して音声信号やデータ信号等を取り出す。

送信用フィルタ１及び受信用フィルタ２には、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave ）フィルタあるいは圧電薄膜を用いたＢＡＷ（Bulk Acoustic Wave）フィルタなどが用いられる。分波回路３は、送信用フィルタ１と受信用フィルタ２の相互の干渉による特性劣化を防止する。この分波回路３には、電気長がぼぼλ／４（λは携帯電話機で使用される電磁波の波長）の位相線路が多用されている。位相線路は、ストリップラインで構成され、送信用フィルタ１と受信用フィルタ２と共にセラミックパッケージに搭載される。

図６は従来の位相線路（ストリップライン）の構成を示す断面図である。位相線路は、ＧＮＤ導体１０１で挟まれた誘電体１０２内に信号導体１０３を設けたものである。通常、位相線路の特性インピーダンスは５０Ωであるため、誘電体１０２の誘電率や厚み、信号導体１０３の幅を位相線路の特性インピーダンスが５０Ωとなるように設計する。

携帯電話機の小型化・薄型化に伴い、分波器も小型化・薄型化が要求されている。分波器を構成する要素のうち最も体積が大きい要素は、分波回路３である。位相線路を分波回路３として動作させるためには、前述のように位相線路の電気長をλ／４とする必要がある。例えば、８００ＭＨｚの電磁波の真空中における１／４波長は、およそ９４ｍｍである。この９４ｍｍの電気長を比誘電率７の誘電体１０２を用いて実現しようとすると、３５ｍｍの線路長が必要となる。線路長を短くするためには、比誘電率が大きな誘電体１０２を用いれば良いが、比誘電率を大きくすると、特性インピーダンスを５０Ωとするための誘電体１０２の厚みが厚くなり、薄型化への要求に反してしまう。

信号導体１０３の幅を小さくすることにより、誘電体１０２の厚みを変えずに、位相線路の特性インピーダンスを５０Ωとすることができるが、信号導体１０３の加工可能な線幅に限界があるため、実用的でない。また、位相線路の線路間の距離を小さくし、位相線路の占める面積を小さくしようとすると、線路間の結合により、インピーダンスの低下が生じ、特性インピーダンスが５０Ωから外れてしまう。また、図６に示す位相線路を上下に２つ重ねることによって面積を小さくすることができるが、位相線路の厚みが増すという問題がある。
そこで、ＧＮＤ導体間に、３層の信号導体を配置することにより、位相線路を小型化することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平１０−１２６２１３号公報 特開２００２−１７６３３７号公報

特許文献２に開示された位相線路によれば、小型化が可能となるが、挿入損失（インサーションロス）が大きいという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、小型で、かつ挿入損失が小さい位相線路、及び位相線路を用いた分波器を提供することを目的とする。

本発明の位相線路は、２層のＧＮＤ導体で挟まれた誘電体の内部に、前記誘電体によって互いに隔てられ、かつ電気的に直列に接続された複数層の信号導体を有し、前記複数層の信号導体が平面視同一形状で、かつ前記複数層の信号導体の水平方向の位置が同一であることを特徴とするものである。
また、本発明の位相線路の１構成例は、前記誘電体と前記複数層の信号導体とからなる単位構造を、前記２層のＧＮＤ導体の間に複数積層して、各単位構造の間を前記２層のＧＮＤ導体とは別のＧＮＤ導体で分離し、各単位構造の信号導体を電気的に直列に接続したものである。
また、本発明の位相線路の１構成例において、前記複数層の信号導体は２層である。

また、本発明は、送信回路からの送信信号のみを通過させてアンテナに供給する送信用フィルタと、前記アンテナで受信された高周波信号のうち所定の受信信号のみを通過させて受信回路に供給する受信用フィルタと、前記アンテナと前記受信用フィルタの入力端子との間に設けられたインピーダンス整合用の位相線路とからなる分波器において、前記位相線路が、２層のＧＮＤ導体で挟まれた誘電体の内部に、前記誘電体によって互いに隔てられ、かつ電気的に直列に接続された複数層の信号導体を有し、前記複数層の信号導体が平面視同一形状で、かつ前記複数層の信号導体の水平方向の位置が同一であることを特徴とするものである。
また、本発明の分波器の１構成例において、前記位相線路は、前記誘電体と前記複数層の信号導体とからなる単位構造を、前記２層のＧＮＤ導体の間に複数積層して、各単位構造の間を前記２層のＧＮＤ導体とは別のＧＮＤ導体で分離し、各単位構造の信号導体を電気的に直列に接続したものである。
また、本発明の分波器の１構成例において、前記複数層の信号導体は２層である。

本発明によれば、２層のＧＮＤ導体で挟まれた誘電体の内部に複数層の信号導体を設けることにより、ＧＮＤ導体間の信号導体が１層である従来の構造に対して、位相線路を小型化することができ、また位相線路を用いる分波器を小型化することができる。また、複数層の信号導体を平面視同一形状とし、かつ複数層の信号導体の水平方向の位置を同一とすることにより、位相線路による挿入損失の増加を抑制することができる。また、本発明では、各線路間の水平方向の距離を小さくすることなく、線路長を増やすことができるため、線路間の結合によるインピーダンス低下を避けることができる。また、線路間の距離が大きいことから、線路間にビアホールを多数形成することができるため、２層のＧＮＤ導体間の不要なインダクタンス成分を減らすことができる。さらに、本発明では、複数層の信号導体を平面視同一形状とすることにより、位相線路の作製時に各信号導体層の形成が容易になるという効果が得られる。

また、本発明では、誘電体と複数層の信号導体とからなる単位構造を、２層のＧＮＤ導体の間に複数積層することにより、単位構造当たりの線路長を短くすることができ、位相線路の面積を大幅に削減することができる。

また、本発明では、２層のＧＮＤ導体で挟まれた誘電体の内部に設ける信号導体を２層とすることにより、位相線路の特性インピーダンスの調整を容易にすることができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態となる分波器のパッケージ（以下、ＰＫＧとする）の概略構成を示す平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の分波器のＡ−Ａ線断面図である。本実施の形態においても、分波器としての構成は図５に示したとおりである。

図１（Ａ）の分波器のＧＮＤ導体１１ａを上から透視した図を図２（Ａ）に示し、信号導体１３ａを上から透視した図を図２（Ｂ）に示し、信号導体１３ｂを上から透視した図を図２（Ｃ）に示し、ＧＮＤ導体１１ｂを上から透視した図を図２（Ｄ）に示す。
図１（Ａ）に示す面は、チップダイボンド面であり、このチップダイボンド面に送信用フィルタ１及び受信用フィルタ２が搭載され、図示しないワイヤーあるいはバンプによりパッド１５，１６及びその他のパッドに適切に接続される。

本実施の形態の分波器で用いる位相線路（分波回路３）は、２層のＧＮＤ導体１１ａ，１１ｂで挟まれた誘電体１２の内部に、誘電体１２によって互いに隔てられ、かつ電気的に直列に接続された複数層の信号導体１３ａ，１３ｂを設け、複数層の信号導体１３ａ，１３ｂを平面視同一形状とし、かつ信号導体１３ａ，１３ｂの水平方向（図２における紙面と平行な方向）の位置を同一としたものである。図１において、１４はＧＮＤ導体１１ａ上に形成された誘電体、１５，１６は誘電体１４上に形成された、導体からなるチップ接続用パッドである。

図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に示すように、信号導体１３ａと１３ｂの各々の一端はビアホール１７により互いに接続され、信号導体１３ａの他端はビアホール１８によりパッド１５に接続され、信号導体１３ｂの他端はビアホール１９によりパッド１６に接続されている。パッド１５は受信用フィルタ２の入力端子と接続され、パッド１６は図示しないアンテナ及び送信用フィルタ１の出力端子と接続される。また、ＧＮＤ導体１１ａと１１ｂとはビアホール２０により互いに接続されている。

以上のような分波器のＰＫＧは、ＧＮＤ導体１１ｂからパッド１５，１６までの各層を順次積層した後に焼成して、その後に送信用フィルタ１及び受信用フィルタ２をチップダイボンド面に搭載することにより、作製される。

ＰＫＧの基材となる誘電体１２，１４としては比誘電率９．６の低温焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）を用い、ＧＮＤ導体１１ａ，１１ｂ、信号導体１３ａ，１３ｂ及びパッド１５，１６を構成する導体材料としてはＣｕを用いた。
本実施の形態では、８００ＭＨｚ帯のＣＤＭＡ用分波器を想定し、位相線路の電気長を規定するための基準周波数を８８０ＭＨｚとしている。そして、位相線路の特性インピーダンスが５０Ωとなるように、ＧＮＤ導体１１ａと信号導体１３ａとの間の誘電体１２の厚さｔ１、信号導体１３ａと１３ｂとの間の誘電体１２の厚さｔ２、信号導体１３ｂとＧＮＤ導体１１ｂとの間の誘電体１２の厚さｔ３をそれぞれ１５０μｍとし、信号導体１３ａ，１３ｂの幅を７５μｍとした。

本実施の形態では、誘電体１２の比誘電率が９．６であることを考慮して、電気長がλ／４となるように線路長（信号導体１３ａと１３ｂの合計の長さ）を２７．５ｍｍに設定している。また、線路間の結合を防ぐため、信号導体１３ａ，１３ｂの各線路間の水平方向の距離（図２（Ｂ）、図２（Ｃ）のＤ）を十分離して配置した。

発明者は、特許文献２に開示されたように信号導体を３層にすると、位相線路の特性インピーダンスの調整が難しくなることをシミュレーションにより確認した。このため、特許文献２に開示された位相線路では、信号導体の形状を各層毎に変えて、特性インピーダンスを調整するようにしている。しかし、信号導体の形状を各層毎に変えると、位相線路による挿入損失（インサーションロス）が大きくなるという問題がある。

そこで、本実施の形態では、複数層の信号導体を平面視同一形状とし、かつこの複数層の信号導体の水平方向の位置を同一としたものである。これにより、本実施の形態では、挿入損失の増加を抑制することができる。そして、本実施の形態では、信号導体を１３ａと１３ｂの２層とした。信号導体を２層にすれば、位相線路の特性インピーダンスを５０Ωに調整することが容易になることはシミュレーションにより確認した。位相線路の特性インピーダンスに関係のあるパラメータは、誘電体１２，１４の比誘電率と、誘電率１２の厚さｔ１，ｔ２，ｔ３と、信号導体１３ａ，１３ｂの幅と、信号導体１３ａ，１３ｂの厚さと、線路長である。

本実施の形態では、２層のＧＮＤ導体で挟まれた誘電体の内部に２層の信号導体を設けることにより、ＧＮＤ導体間の信号導体が１層である従来の構造に対して、ほぼ同じ厚さの誘電体を用いて、２倍の長さの線路長を同じ面積内に形成することができる。言い換えると、ＧＮＤ導体間の信号導体が１層である従来の構造では、本実施の形態と同じ線路長を同じ面積で実現しようとすると、図６に示した構成を図３のように積層する必要がある。

図３において、１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃはＧＮＤ導体、１０２ａ，１０２ｂ，１０４は誘電体、１０３ａ，１０３ｂは信号導体、１０５，１０６はチップ接続用のパッド、１０７は信号導体１０３ａと１０３ｂの一端を接続するビアホール、１０８は信号導体１０３ａの他端とパッド１０５とを接続するビアホール、１０９は信号導体１０３ｂの他端とパッド１０６とを接続するビアホール、１２０はＧＮＤ導体１０１ａと１０１ｂと１０１ｃとを接続するビアホールである。図１（Ｂ）と図３とを比較すると、図１（Ｂ）における誘電体１４の上面からＧＮＤ導体１１ｂまでの厚さが、図３における誘電体１０４の上面からＧＮＤ導体１０１ｂまでの厚さとほぼ同じである。したがって、本実施の形態では、ＧＮＤ導体間の信号導体が１層である従来の構造と比べて位相線路を小型化することができ、また位相線路を用いる分波器を小型化することができる。

また、本実施の形態では、複数層の信号導体を平面視同一形状（正確にはビアホール１８，１９の箇所が異なるので略同一形状）とし、かつ複数層の信号導体の水平方向の位置を同一とすることにより、特許文献２に開示された位相線路と比べて挿入損失の増加を抑制することができ、さらに信号導体を２層とすることで、位相線路の特性インピーダンスの調整を容易にすることができる。また、本実施の形態では、各線路間の水平方向の距離Ｄを小さくすることなく、線路長を増やすことができるため、線路間の結合によるインピーダンス低下を避けることができる。また、線路間の距離Ｄが大きいことから、線路間にビアホール２０を多数形成することができるため、ＧＮＤ導体１１ａと１１ｂ間の不要なインダクタンス成分を減らすことができる。さらに、本実施の形態では、複数層の信号導体を平面視同一形状とすることにより、位相線路の作製時に各信号導体層の形成が容易になるという効果が得られる。

なお、本実施の形態では、位相線路を内蔵するＰＫＧの基材（誘電体１２，１４）としてＬＴＣＣを用いたが、これに限るものではなく、アルミナや樹脂を用いてもよい。また、ＧＮＤ導体１１ａ，１１ｂ、信号導体１３ａ，１３ｂ及びパッド１５，１６を構成する導体材料としてＣｕを用いたが、タングステンやＡｇなどを用いてもよい。また、これらの導体には酸化防止用のＮｉＡｕメッキ等の表面処理をしてもよい。また、誘電体１２や信号導体１３ａ，１３ｂの厚さ、信号導体１３ａ，１３ｂの幅、線路長などは、使用する基材の比誘電率と使用する周波数及び要求特性により設定すればよく、上記の値には限定されない。

［第２の実施の形態］
図４は本発明の第２の実施の形態となる分波器のＰＫＧの概略構成を示す断面図であり、図１、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。第１の実施の形態で説明した誘電体と複数層の信号導体とからなる単位構造を、ＧＮＤ導体１１ａと１１ｂの間に複数積層するようにしてもよい。図４の例は、単位構造を２層積層したものである。

誘電体１２ａ及び信号導体１３ａ，１３ｂからなる単位構造と、誘電体１２ｂ及び信号導体１３ｃ，１３ｄからなる単位構造とは、ＧＮＤ導体１１ｃにより分離される。第１の実施の形態と同様に、信号導体１３ａと１３ｂの各々の一端はビアホール１７により互いに接続され、また信号導体１３ｃと１３ｄの各々の一端はビアホール２１により互いに接続されている。そして、図４では図示していないが、信号導体１３ｂの他端と信号導体１３ｃの他端との間、信号導体１３ａの他端とパッド１５との間、信号導体１３ｄの他端とパッド１６との間、ＧＮＤ導体１１ａと１１ｂと１１ｃとの間が、それぞれ図示しないビアホールにより接続されている。

これにより、本実施の形態では、ＰＫＧが厚くなる代わりに、単位構造当たりの線路長を短くすることができるので、ＰＫＧの面積を大幅に削減することができる。
なお、１つの単位構造内にある信号導体１３ａ，１３ｂ（あるいは１３ｃ，１３ｄ）については水平方向の位置が同一であることが必要となるが、異なる単位構造の間では信号導体の水平方向の位置がずれていても構わない。
また、第１、第２の実施の形態では、各層のＧＮＤ導体をそれぞれ単一の板で構成しているが、これに限るものではなく、各層のＧＮＤ導体をそれぞれ複数に分割してもよい。同一層の複数のＧＮＤ導体を外部で互いに接続すれば、単一の板と同等の構成になる。

本発明は、インピーダンス整合用の位相線路、及び位相線路を用いた分波器に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態となる分波器のパッケージの概略構成を示す平面図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。 図１の分波器の上層のＧＮＤ導体を上から透視した図（Ａ）、上層の信号導体を上から透視した図（Ｂ）、下層の信号導体を上から透視した図（Ｃ）、及び下層のＧＮＤ導体を上から透視した図（Ｄ）である。 図１の位相線路と同特性の位相線路をＧＮＤ導体間の信号導体が１層の構造で実現した場合の断面図である。 本発明の第２の実施の形態となる分波器のパッケージの概略構成を示す断面図である。 分波器の一般的構成を示すブロック図である。 従来の位相線路の構成を示す断面図である。

符号の説明

１…送信用フィルタ、２…受信用フィルタ、３…分波回路、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…ＧＮＤ導体、１２、１２ａ、１２ｂ、１４…誘電体、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ…信号導体、１５、１６…パッド、１７、１８、１９、２０、２１…ビアホール。

Claims (6)

1. ２層のＧＮＤ導体で挟まれた誘電体の内部に、前記誘電体によって互いに隔てられ、かつ電気的に直列に接続された複数層の信号導体を有し、
   前記複数層の信号導体が平面視同一形状で、かつ前記複数層の信号導体の水平方向の位置が同一であることを特徴とする位相線路。
2. 請求項１記載の位相線路において、
   前記誘電体と前記複数層の信号導体とからなる単位構造を、前記２層のＧＮＤ導体の間に複数積層して、各単位構造の間を前記２層のＧＮＤ導体とは別のＧＮＤ導体で分離し、各単位構造の信号導体を電気的に直列に接続したことを特徴とする位相線路。
3. 請求項１又は２記載の位相線路において、
   前記複数層の信号導体は２層であることを特徴とする位相線路。
4. 送信回路からの送信信号のみを通過させてアンテナに供給する送信用フィルタと、前記アンテナで受信された高周波信号のうち所定の受信信号のみを通過させて受信回路に供給する受信用フィルタと、前記アンテナと前記受信用フィルタの入力端子との間に設けられたインピーダンス整合用の位相線路とからなる分波器において、
   前記位相線路は、２層のＧＮＤ導体で挟まれた誘電体の内部に、前記誘電体によって互いに隔てられ、かつ電気的に直列に接続された複数層の信号導体を有し、前記複数層の信号導体が平面視同一形状で、かつ前記複数層の信号導体の水平方向の位置が同一であることを特徴とする分波器。
5. 請求項４記載の分波器において、
   前記位相線路は、前記誘電体と前記複数層の信号導体とからなる単位構造を、前記２層のＧＮＤ導体の間に複数積層して、各単位構造の間を前記２層のＧＮＤ導体とは別のＧＮＤ導体で分離し、各単位構造の信号導体を電気的に直列に接続したものであることを特徴とする分波器。
6. 請求項４又は５記載の分波器において、
   前記複数層の信号導体は２層であることを特徴とする分波器。
   

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