JP4418250B2

JP4418250B2 - 高周波回路モジュール

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Publication number: JP4418250B2
Application number: JP2004029111A
Authority: JP
Inventors: 寛岡部; 秀俊松本
Original assignee: Renesas Technology Corp
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Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
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Description

本発明は、無線通信装置に用いられる高周波回路モジュール、特に電力増幅回路と高周波送受信回路とを単一のモジュール基板上に形成し、高周波部を一体化した高周波回路モジュールに関する。

携帯機器を小型化する技術には、電子回路の集積回路化及び複数の電子回路ユニットを一つのモジュールにまとめるモジュール化がある。無線通信装置の高周波回路部においては、各回路部に高い性能を実現させ、かつ低価格化するためにモジュール化の手法が広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００２−５３６８１９号公報

モジュール化には主に二つの利点がある。利点の一つは小型化である。マザーボード上にある回路部分をパッケージ部品等の個別部品で実現しようとすると、実装工程及び歩留まりの観点から、パッケージ部品をある程度の間隔を置いて配置しなければならない。これに対し、モジュールでは、ベアチップ部品を用い、部品間隔を詰めて実装することができるため、同一の回路部分を小型に仕上げることができる。利点のもう一つは設計、製造の容易さである。高周波回路部の設計には、インピーダンス整合や電磁干渉、発振といった問題を解決するための専門技術及び知識が必要である。モジュールはこれらの問題が解決された形でセットメーカに引き渡されるので、セットメーカ側ではこのモジュール部分の回路に関する設計が不要となり、装置の開発期間を短縮することができる。更に、個別部品を搭載する場合と比べて、取り扱う部品点数が少なくなることから部品管理や部品搭載が容易になり、製造後における調整などの手間も必要なくなる。

無線通信装置の高周波回路部は、例えば、世界標準の無線通信方式であるＧＳＭ（Global System for Mobile Communications）方式の携帯電話機においては、一般に、電力増幅器（Power Amplifier、以下「ＰＡ」という）モジュール、アンテナ共用回路モジュール、送信用の低域通過フィルタ（Low Pass Filter、以下「ＬＰＦ」という）、受信用の帯域通過フィルタ（Band Pass Filter、以下「ＢＰＦ」という）、無線周波数集積回路（Radio Frequency Integrated Circuit、以下「ＲＦ−ＩＣ」という）から構成される。

ＲＦ−ＩＣには、低雑音増幅器（Low Noise Amplifier、以下「ＬＮＡ」という）や受信回路等を含んだ受信系回路、送信回路、電圧制御発振器（Voltage Control Oscillator、以下「ＶＣＯ」という）等が集積される。なお、これらの回路はそれぞれ、ＲＦ−ＩＣとは別のＩＣ又はモジュールで構成される場合もある。各々の部分の動作は、以下の通りである。

まず、送信時には、マイクロホンから入力された音声がベースバンド大規模集積回路（Base Band Large Scale Integrated circuit、以下「ＢＢ-ＬＳＩ」という）により符号化され、変調されて送信信号となり、ＲＦ−ＩＣ内の送信回路により送信周波数に周波数変換される。続いて、周波数変換された高周波送信信号は、ＰＡにより増幅され、送信ＬＰＦにより不要な高調波を除去され、アンテナ共用回路を経由してアンテナより放射される。

次に、受信時には、アンテナによって受信された高周波受信信号は、アンテナ共用回路を経由して受信ＢＰＦにより不要な妨害波を除去され、ＲＦ−ＩＣ内のＬＮＡで増幅され、同じくＲＦ−ＩＣ内の受信回路により周波数変換されて受信信号となる。受信信号は、ＢＢ−ＬＳＩによって復調、復号されスピーカから出力される。送信回路及び受信回路による周波数変換には、ＲＦ−ＩＣ内のＶＣＯが発生する特定の周波数を有する局部発振信号が用いられる。

このような無線通信装置の高周波回路部全体をモジュール化する場合には、各回路間の信号干渉が問題となる。モジュールに搭載した回路間の干渉を低減する手法が特許文献１に記載されている。同文献のマルチチップモジュールは、単一相互接続基板と、該単一相互接続基板にボンディングされ、第１のＲＦ／ＩＦ機能を実行する第１のＲＦ／ＩＦ能動回路チップと、該単一相互接続基板にボンディングされ、第２のＲＦ／ＩＦ機能を実行する第２のＲＦ／ＩＦ能動回路チップと、該単一相互接続基板に集積され、機能的に該第１のＲＦ／ＩＦ能動回路チップに関連する第１の接地面と、該単一相互接続基板に集積され、機能的に該第２のＲＦ／ＩＦ能動回路チップに関連する第２の接地面とを含むことにより、第１のＲＦ／ＩＦ能動回路チップと第２のＲＦ／ＩＦ能動回路チップとの間でＲＦ分離（高周波分離）を得ている。

しかし、上述した従来のマルチチップモジュールでは、高周波分離を行なうべき回路が特定されていない。このため、従来のマルチチップモジュール技術で無線通信装置の高周波回路部全体をモジュール化するには、全ての回路ブロック間の高周波分離を行なうか、高周波分離が必要な回路を試作の繰り返しにより確定する必要があった。前者では、モジュール寸法が大きくなり、後者ではモジュール開発期間が長期化するという問題があった。

また、上述した従来のマルチチップモジュールでは発熱する回路と、熱に弱い回路間の熱分離に関しても考慮されていなかった。

更に、上述した従来のマルチチップモジュールでは、分離した接地面をモジュール底面（裏面）の分離した接地パッドに接続し、これをマザーボードの接地面に接続している。このため、セットメーカがマザーボード上にどのような接地ランドを設けるかによって、接地パッドの電位が変化し、モジュール上の回路が発振するか、性能が低下するといった問題があった。

本発明の目的は、無線通信装置の高周波回路部全体、即ち電力増幅回路と送受信回路とを一体モジュール化した高周波回路モジュールにおいて、各々の電子回路ブロック間での干渉を低減した高周波回路モジュールを提供することにある。

本発明の他の目的は、高い性能を維持しつつ小型化を実現した高周波回路モジュールを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、マザーボードの接地ランド構造によらずに安定した性能を実現する新規な高周波回路モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の高周波回路モジュールは、モジュール基板と、第１の信号（例えば送信信号）を入力して上記第１の信号よりも周波数が高い第２の信号（例えば高周波送信信号）を出力し、更に、第３の信号（例えば高周波受信信号）を入力して上記第３の信号よりも周波数が低い第４の信号（例えば受信信号）を出力する第１の回路（例えば送受信回路）と、上記第２の信号を電力増幅する第２の回路（例えば電力増幅回路）と、上記第１の回路と上記第２の回路との間の信号干渉を低減する接地面構造と、上記接地面構造が有する全ての接地面が接続される共通接地面とを具備し、上記第１の回路と上記第２の回路とが上記モジュール基板に搭載されることを第１の特徴とする。

上記目的を達成するための本発明の高周波回路モジュールは、また、モジュール基板と、第１の信号（例えば送信信号）を入力して上記第１の信号よりも周波数が高い第２の信号（例えば高周波送信信号）を出力し、更に、第３の信号（例えば高周波受信信号）を入力して上記第３の信号よりも周波数が低い第４の信号（例えば受信信号）を出力する第１の回路（例えば送受信回路）と、上記第２の信号を電力増幅する第２の回路（例えば電力増幅回路）と、上記第１の回路の第１の接地面と、上記第１の接地面とは互いに電気的に分離した上記第２の回路の第２の接地面とを具備し、上記第１の回路と上記第２の回路とが上記モジュール基板の上面に搭載され、上記第１及び第２の接地面とが上記モジュール基板の導体層に設けられていることを第２の特徴とする。第２の特徴を有する高周波回路モジュールは、上記モジュール基板がその裏面に第３の接地面を搭載可能に構成され、上記第３の接地面が搭載された場合に上記第１及び第２の接地面が上記第３の接地面と電気的に接続され、上記第３の接地面が上記第１及び第２の回路に対する共通接地面となることが望ましい。或いは、第２の特徴を有する高周波回路モジュールは、上記第１及び第２の回路に対する共通接地面を上記モジュール基板内に更に具備して成り、上記共通接地面が上記第１及び第２の接地面が設けられた導体層よりも上記モジュール基板の裏面に近い方の別の導体層に設けられ、上記第１及び第２の接地面が上記共通接地面に電気的に接続されていることが望ましい。

無線通信装置の高周波回路部全体、即ち、第１の回路と第２の回路例えば送受信回路と電力増幅回路とを単一のモジュールに構成した高周波回路モジュールにおいて、扱う電力が最も大きく、従って大きい電流が流れかつ発熱が大きい電力増幅回路の接地面が他と分離されるので、その大きい電流が他の回路に廻り込んで引き起こす信号干渉が低減される。また、電気伝導体は良好な熱伝導体でもあるので、接地面を電気的に分離してその間の電気伝導を遮断すると、同時に熱も遮断される。本発明により、そのように最適箇所のみを高周波分離及び熱分離することができるために、各々の回路に高い性能を維持させつつ高周波回路モジュールを小型化することが可能になる。更に、第１及び第２の接地面の全ての接地面を接続する共通接地面を有することから、全ての高周波回路に対する接地基準電位がマザーボードの接地ランド構造によらずに確定するため、安定した性能を実現することができる。

上記の本発明の高周波モジュールは、更に次のように構成されることが望ましい。

（１）上記電力増幅回路が有する最終段増幅素子部の接地端子が第１の接地面に接続され、上記送受信回路が有する、送信信号を入力して高周波送信信号を出力する送信回路の接地端子が第２の接地面に接続される。

（２）上記電力増幅回路が有する最終段増幅素子部の接地端子が上記第１の接地面に接続され、上記送受信回路が有する、高周波受信信号を入力して受信信号を出力する受信系回路の接地端子が上記第２の接地面に接続される。

（３）高周波送信信号を外部のアンテナに供給し、かつ、上記送受信回路が有する高周波受信信号を入力して受信信号を出力する受信系回路に、アンテナからの高周波受信信号を供給するためのアンテナ共用回路と、第２の接地面と電気的に分離した第３の接地面とを具備し、上記アンテナ共用回路の接地端子が上記第３の接地面に接続され、第３の接地面が上記共通接地面に接続される。

（４）上記電力増幅回路が有する最終段増幅素子部の接地端子が第１の接地面に接続され、上記送受信回路が有する電圧制御発振回路であり、更に送信信号の周波数を高周波送信信号の周波数に変換し、かつ、高周波受信信号の周波数を受信信号の周波数に変換するために用いる局部発振信号を生成する電圧制御発振回路の接地端子が上記第２の接地面に接続される。

（５）上記第２の接地面と電気的に分離した第３の接地面を具備し、上記送受信回路が有する、送信信号を入力して高周波送信信号を出力する送信回路の接地端子が第２の接地面に接続され、上記送受信回路が有する電圧制御発振回路であり、更に送信信号の周波数を高周波送信信号の周波数に変換し、かつ、高周波受信信号の周波数を受信信号の周波数に変換するために用いる局部発振信号を生成する電圧制御発振回路の接地端子が第３の接地面に接続され、第３の接地面が上記共通接地面に接続される。

（６）上記第２の接地面と電気的に分離した第３の接地面を具備し、上記送受信回路が有する、高周波受信信号を入力して受信信号を出力する受信系回路の接地端子が第２の接地面に接続され、上記送受信回路が有する電圧制御発振回路であり、更に送信信号の周波数を高周波送信信号の周波数に変換し、かつ、高周波受信信号の周波数を受信信号の周波数に変換するために用いる局部発振信号を生成する電圧制御発振回路の接地端子が第３の接地面に接続され、第３の接地面が共通接地面に接続される。

（７）上記第２の接地面と電気的に分離した第３の接地面と、第４の接地面と、上記高周波送信信号を外部のアンテナに供給し、かつ、上記送受信回路が有する高周波受信信号を入力して受信信号を出力する受信系回路に、上記アンテナからの高周波受信信号を供給するためのアンテナ共用回路と、アンテナ共用回路と電力増幅回路が有する最終段増幅素子部との間のインピーダンス整合を行なう出力整合回路とを具備し、最終段増幅素子部の接地端子が第１の接地面に接続され、アンテナ共用回路の接地端子が第３の接地面に接続され、出力整合回路の接地端子が第４の接地面に接続され、第４の接地面が第１〜第３の接地面の内の少なくともいずれかと電気的に分離している。

上記目的を達成するための本発明の高周波回路モジュールは、更にまた、モジュール基板と、送信信号を入力して高周波送信信号を出力する送信回路と、高周波受信信号を入力して受信信号を出力する送受信回路と、高周波送信信号を電力増幅する電力増幅回路と、互いに電気的に分離した、電力増幅回路の第１の接地面、送信回路の第２の接地面及び受信系回路の第３の接地面と、共通接地面とを具備し、送信回路、受信系回路及び電力増幅回路がモジュール基板の上面に搭載され、第１〜第３の接地面と共通接地面とがモジュール基板の導体層に設けられ、共通接地面を設けた導体層は、第１〜第３の接地面を設けた導体層よりもモジュール基板裏面に近い下方の導体層であり、第１〜第３の接地面が上記共通接地面に電気的に接続されることを特徴とする。

扱う電力が最も大きく、従って大きい電流が流れる電力増幅回路の接地面が他と分離されるので、その大きい電流が他の回路に廻り込んで引き起こす信号干渉が低減される他、第２及び第３の接地面も互いに分離されるので、送信回路と受信系回路の間でも信号干渉が低減される。それにより、送信と受信が同時に行なわれる周波数分割双方向通信方式に適用して好適な高周波回路モジュールを実現することができる。

本発明によれば、無線通信装置の高周波回路部全体、即ち電力増幅回路と送受信回路とを単一のモジュールに構成した高周波回路モジュールにおいて、最適箇所のみを高周波分離及び熱分離することができるために、各々の回路に高い性能を維持させつつモジュールを小型化することが可能になる。

以下、本発明に係る高周波回路モジュールを図面に示した幾つかの実施形態を参照して更に詳細に説明する。なお、図１〜図１４における同一の記号は、同一物又は類似物を表示するものとする。

ＧＳＭ方式携帯電話向け高周波回路モジュールに本発明を適用した第１の実施形態を図１〜図１０を使って説明する。まず、図１に本実施形態の高周波回路モジュール１の回路構成を示し、図２に特に接地面の接続を明示した回路構成を示す。モジュール１は、基本的には、第１の回路９と第２の回路１０を含んで構成される。第１の回路９は、第１の信号を入力して上記第１の信号よりも周波数が低い第２の信号を出力する第３の回路３０、及び第３の信号を入力して上記第３の信号よりも周波数が低い第４の信号を出力する第４の回路１７を含んで構成される。また、第２の回路は、上記第２の信号を電力増幅する回路である。そして、第１の回路９は送受信回路として、第２の回路は電力増幅回路として、第３の回路３０は送信回路として、第４の回路１７は、受信系回路として機能させることができる。送受信回路を構成する受信系回路は、例えば、本実施形態の例では、受信ＢＰＦ６５、受信整合回路６０、ＬＮＡ５１及び受信回路５２を含んで構成される。ここで、以下では第１の回路９、第２の回路１０、第３の回路３０及び第４の回路１７を改めてそれぞれ送受信回路９、電力増幅回路１０、送信回路３０及び受信系回路１７として表すこととする。

モジュール１の上記基本構成に対して、更に具体的には、送信回路３０の出力側に配置される出力整合回路２０及びＬＰＦ２５が付加されると共に、アンテナ２の接続を送受信で切り替えるスイッチ（アンテナ共用回路）４０が付加され、更に送受信回路９に送信回路３０及び受信回路５２に共通に用いられるＶＣＯ７０が付加される。続いて、これらの付加回路を含めてモジュール１の全体構成の詳細を以下に説明する。

モジュール１は、送信側において、入力端子８２ａ，８２ｂから入力した外部のＢＢ−ＬＳＩ３出力の送信信号（第１の信号の例）を送信周波数に周波数変換する送信回路３０（図示していないが、送信回路３０に周波数変換を行なう送信ミキサや直交変調器等が含まれる）、送信回路３０出力の高周波送信信号（第２の信号の例）を電力増幅するＰＡ１０、ＰＡ１０出力の高周波送信信号を出力整合回路２０を経て入力して高周波送信信号に含まれる不要な高調波を除去するＬＰＦ２５を備えている。加えて、アンテナ端子８０を介して外部のアンテナ２に接続し、送信時にＬＰＦ２５からの高周波送信信号をアンテナ２に供給し、受信時にアンテナ２からの高周波受信信号（第３の信号の例）をアンテナ端子８０を介して入力して受信側に供給するスイッチ４０を備えている。スイッチ４０は、このような切替動作を行なうアンテナ共用回路である。更に、モジュール１は、受信側において、スイッチ４０からの高周波受信信号の不要な妨害波を除去する受信ＢＰＦ６５、受信ＢＰＦ６５出力の受信信号を受信整合回路６０を経て入力して増幅するＬＮＡ５１、及び、ＬＮＡ５１出力の高周波受信信号を周波数変換して受信信号（第４の信号の例）を出力し、出力端子８１ａ，８１ｂを通してＢＢ−ＬＳＩ３に受信信号を供給する受信回路５２を備えている（図示していないが、受信回路５２に周波数変換を行なう受信ミキサや直交復調器等が含まれる）。

ここで、ＢＢ−ＬＳＩ３に入出力する送信信号及び受信信号の周波数帯域は約２００ｋＨｚ、また、送信回路３０から出力される高周波送信信号及び受信回路５２に入力する高周波受信信号の周波数は、９００ＭＨｚ帯である。なお、上記周波数は一例であり、本発明はこれらの周波数に限定されない。

上記構成において、送信回路３０、ＬＮＡ５１、受信回路５２、及び、周波数変換のための局部発振信号を生成して送信回路３０及び受信回路５２に供給するＶＣＯ７０が集積されてＲＦ−ＩＣ５０を構成する。また、受信ＢＰＦ６５、受信整合回路６０、ＬＮＡ５１及び受信回路５２によって受信系回路１７が構成され、これに送信回路３０及びＶＣＯ７０が加わって送受信回路９が構成される。また、ＰＡ１０は、最終段増幅素子部１１、中段増幅素子部１２、初段増幅素子部１３からなる３段の電力増幅回路であり、これらが集積化されてＩＣチップを構成する。出力整合回路２０はＰＡ１０の出力インピーダンスをＬＰＦ２５の入力インピーダンスと整合させる回路であり、受信整合回路６０は受信ＢＰＦ６５とＬＮＡ５１との間のインピーダンス整合を行なう回路である。以上の諸回路及びチップがモジュール１の基板に搭載される。

本実施形態では、各回路の接地が、それぞれに備えられた個別の接地面を経て共通接地面４８０に行なわれる。共通接地面は、モジュールに組み込まれてもよいし、外付け部品として追加されるものであってもよい。モジュールに組み込まれている場合は、セットメーカが共通接地面を追加する手間が省けるという効果がある。外付け部品として追加されるものである場合は、セットメーカが所望の特性の共通接地面を選択することができる自由度を与えるという効果がある。

個別の接地面として、送信回路３０に対して送信回路接地面２３０が、ＰＡ１０に対してＰＡ接地面１１０が、スイッチ４０に対してアンテナ共用回路接地面２４０が、受信ＢＰＦ６５と受信整合回路６０とＬＮＡ５１と受信回路５２とに対して受信系回路接地面２６０が、ＶＣＯ７０に対してＶＣＯ接地面２７０がそれぞれ設けられる。これらの個別の接地面は、そのままでは互いに電気的に分離しており、共通接地面４８０に接続されることによって初めて接地として機能する。

図２において、モジュール１の基板は、後で説明するが、３枚の誘電体基板を積層した積層基板からなり、上から順に第１導体層１００、第２導体層２００、第３導体層３００及び第４導体層４００が形成される。本高周波回路モジュールにおける各回路と分離された接地面とは以下のように対応している。

ＰＡ１０の接地端子を接続するＰＡ接地面１１０が第１導体層１００に設けられる。また、送信回路３０の接地端子を接続する送信回路接地面２３０、スイッチ４０の接地端子を接続するアンテナ共用回路接地面２４０、受信ＢＰＦ６５と受信整合回路６０とＬＮＡ５１と受信回路５２の各接地端子を接続する受信系回路接地面２６０、及びＶＣＯ７０の接地端子を接続するＶＣＯ接地面２７０がそれぞれ第２導体層２００に設けられる。更に、共通接地面４８０が第４導体層４００に設けられる。

層間の接続が接続導体である層間ビアによって行なわれる。例えば、ＶＣＯ７０では、その接地端子が１−２層間ビア１０７を介してＶＣＯ接地面２７０に接続され、更にＶＣＯ接地面２７０が２−３層間ビア２０７及び３−４層間ビア３０７によって共通接地面４８０に接続される。同様に、送信回路３０及びスイッチ回路４０の接地端子が１−２層間ビアを介してそれぞれ送信回路接地面２３０及びアンテナ共用回路接地面２４０に接続され、送信回路接地面２３０及びアンテナ共用回路接地面２４０は、それぞれ２−３層間ビア及び３−４層間ビアによって共通接地面４８０に接続される。受信ＢＰＦ６５と受信整合回路６０とＬＮＡ５１と受信回路５２の各接地端子が１−２層間ビアを介して受信系回路接地面２６０に接続され、受信系回路接地面２６０が２−３層間ビア及び３−４層間ビアによって共通接地面４８０に接続される。

ＰＡ接地面１１０は、複数の１−２層間ビア、２−３層間ビア及び３−４層間ビアによって共通接地面４８０に接続される。

次に、出力整合回路２０は、伝送線路２１及び容量素子２２ａ，２２ｂからなり、容量素子２２ａ，２２ｂの接地端子が１−２層間ビア、２−３層間ビア及び３−４層間ビアによって共通接地面４８０に接続される。また、ＬＰＦ２５の接地端子も１−２層間ビア、２−３層間ビア及び３−４層間ビアによって共通接地面４８０に接続される。図２では示していないが、受信整合回路６０は２個の受動素子からなり、一方の受動素子の接地端子が１−２層間ビアを介して受信系回路接地面２６０に接続される。なお、図２において、信号の接続が点線で示される。

ＬＰＦ２５、スイッチ（ＳＷ）４０及びＢＰＦ６５はチップ部品として構成される。図３は、これら部品と、ＩＣチップのＰＡ１０及びＲＦ−ＩＣ５０並びに受動部品で構成される出力整合回路（Ｔｘ−ＭＮ）２０及び受信整合回路（Ｒｘ−ＭＮ）６０をモジュール１の基板４に搭載した配置図である。図３において、送信回路３０がＴｘで表され、受信回路５２がＲｘで表される。

図４はモジュール１の上面図である。ＲＦ−ＩＣ５０及びスイッチ４０は、モジュール基板４に回路面を上にして搭載されており、それらの上面に信号用及び接地用のパッドが配置される。また、基板４上即ち第１導体層１００上にも信号用及び接地用のボンディングパッドが配置される。いずれも、信号用パッドが薄いパターンで示され、接地用パッドが濃いパターンで示される。

そして、チップ上面のパッドと対応する基板４上のボンディングパッドとの間がボンディングワイヤで接続される。例えば、例えばＶＣＯ７０では、チップ上の接地パッド５からボンディングワイヤ６によって第１導体層１００上のボンディングパッド７に接続される。そして、図２に示すように、ボンディングパッド７が１−２層間ビア１０７を介して第２導体層２００に設けられたＶＣＯ接地面２７０に接続される。

なお、ここではＲＦ−ＩＣ５０及びスイッチ４０を回路面を上にしてモジュール基板に搭載し、その接地端子をボンディングワイヤを介してモジュール基板上のボンディングパッドに接続したが、回路面を下にして、接地端子をハンダバンプなどによりボンディングパッドに接続するフリップチップ接続の形式にしても良い。

ＰＡ１０の全ての増幅素子の接地端子は、ＰＡチップの裏面に設けられており（図示せず）、第１導体層１００に設けられたＰＡ接地面１１０に銀ペーストで接続されている。ＰＡ１０の上面に信号用パッドが設けられる。送信整合回路２０の伝送線路２１は、第１導体層１００の導体パターンによって形成される。受信整合回路６０の２個の受動素子は、受動素子６１ａ，６１ｂで示され、一方の受動素子６１ａの接地端子が１−２層間ビアを介して受信系回路接地面２６０に接続される。

次に、図５に第１導体層１００の導体パターン、図６に第２導体層２００の導体パターン、図７に第３導体層３００の導体パターン、図８に第４導体層４００の導体パターンを示す。スイッチ４０の接地端子はスイッチチップの裏面に設けられており（図示せず）、図５に示す第１導体層１００に設けられたスイッチ接地面１４０に銀ペーストで接続される。図７には、ＢＰＦ６５から受信整合回路６０への信号パターン３０８が示される。

続いて、図９に図４におけるＡ−Ａ線断面を示す。基板４の３層の誘電体層１０１，１０２，１０３はガラスエポキシ樹脂からなる。更に、図１０にＢ−Ｂ線断面を示す。スイッチ４０のスイッチ接地面１４０が１−２層間ビアを介してアンテナ共用接地面２４０に接続される。

上述のように、本実施形態では、ＰＡ接地面１１０と、受信系回路接地面２６０と、送信回路接地面２３０と、ＶＣＯ接地面２７０と、アンテナ共用回路接地面２４０と、出力整合回路接地面即ち共通接地面４８０が分離されており、出力整合回路接地面以外のこれらの接地面は、接続導体である層間ビアを介して共通接地面４８０に接続されている。層間ビアはその自己インダクタンスによって高周波信号に対しては抵抗成分を発生するため、各接地面を設ける導体層の位置及び層間ビアの本数により、接地面間の高周波抵抗量即ち分離の度合いを調整することができた。また、層間ビアは熱抵抗を有するため、各接地面を設ける導体層の位置及び層間ビアの本数により、接地面間の熱分離の度合いを調整することができた。

このような構成とすることで、高周波回路部全体の中で最大の電力を扱う、即ち高周波回路部に対して最大の雑音及び熱の発生源となるＰＡ１０からの熱及び出力電流に対応して出力整合回路接地面である共通接地面４８０に流れる帰還電流が受信系回路接地面２６０に流入することを防ぐことができ、雑音の増加によるＬＮＡ５１の受信感度の低下及び誤動作や、温度上昇による受信ＢＰＦ６５の帯域変化の問題を効果的に防ぐことができた。更に、ＰＡ１０からの送信信号が流れ込むアンテナ共用回路接地面２４０と受信系回路接地面２６０との分離によって受信系回路１７の性能をより高く保つことができた。また、送信回路接地面２３０と受信系回路接地面２６０とを分離することで、送信回路３０からの熱及び出力電流に対する帰還電流が受信系回路接地面２６０に流れ込むことを防ぎ、受信系回路の性能をより高く保つことができた。

また、ＰＡ接地面１１０及び出力整合回路接地面である共通接地面４８０と送信回路接地面２３０及びＶＣＯ接地面２７０とを分離したことにより、ＰＡ１０の出力電流に対応してＰＡ接地面１１０及び出力整合回路接地面である共通接地面４８０に流れる帰還電流が送信回路接地面２３０及びＶＣＯ接地面２７０に流入することを防ぐことができ、送信回路３０出力に電力増幅回路１０出力が帰還することによる電力増幅回路１０の発振及びＶＣＯ７０が出力する局部発振信号の信号品質の低下を防止することができた。

更に、受信系回路接地面２６０とＶＣＯ接地面２７０とを分離したことによって、ＶＣＯ７０の局部発振信号が受信系回路内の経路に不要に流入することで希望の受信信号に対する受信感度が得られなくなる問題、即ち局部発振信号漏洩を防止することができた。

また、本実施形態では出力整合回路接地面をその他の接地面よりもモジュール基板の回路形成面（上面）から見て下層にある共通接地面４８０としているため、出力整合回路２０を構成する伝送線路２１とこれに対応する接地面である共通接地面４８０との距離がモジュール基板１内で最大にすることができた。これにより、同モジュール基板上で伝送線路２１が所定の特性インピーダンスを実現するために必要な幅として、多層基板４を用いて得られる最大の幅を実現することができたので、導体損失に起因する伝送損失を最低限にすることができた。

以上、本実施形態によれば、ＧＳＭ方式携帯電話向け高周波回路部全体、即ち電力増幅回路と送受信回路とを、セットメーカが高周波回路を設計する必要の無い単一モジュールの形に実現するにあたり、最適箇所のみを高周波分離及び熱分離することができたため、各々の回路に高い性能を維持させつつモジュールを小型化することができ、更には全ての接地面を接続する共通接地面４８０を備えることにより、全ての高周波回路に対する接地基準電位をマザーボードの接地ランド構造によらずに確定することができた。それにより、性能の安定した高周波回路部を実現することができる。

ＧＳＭ方式携帯電話向け高周波回路モジュールに本発明を適用した第２の実施形態を図１１及び図１２を使って説明する。本実施形態の第１の実施形態と異なる点は、チップ構成で中段増幅素子部１２と初段増幅素子部１３が最終段増幅素子部１１から分離されたことと、多層基板が５層のセラミック基板からなり、新たに中間接地面を備えた点にある。

図１１において、電力制御回路内蔵の前段増幅回路１５は、中段増幅素子部１２、初段増幅素子部１３と、これらの増幅素子部及び別チップとした最終段増幅素子部１１の利得を制御する電力制御回路１４とを含む集積回路である。その他の回路は、図１に示したのと同様である。以上の諸回路及びチップがモジュール１の基板に搭載される。

個別の接地面として、最終段増幅素子部１１に対してＰＡ接地面１１０が、スイッチ回路４０に対してアンテナ共有接地面２４０が、電力制御回路内蔵前段増幅回路１５と送信回路３０と受信整合回路６０とＬＮＡ５１と受信回路５２とに対してＲＦ−ＩＣ接地面２５０が、受信ＢＰＦ６５に対して受信ＢＰＦ接地面２６５が、ＶＣＯ７０に対してＶＣＯ接地面２７０がそれぞれ設けられる。

また、中間接地面として、ＰＡ接地面１１０、出力整合回路２０、ＬＰＦ２５及びアンテナ共有接地面２４０に対して第１の中間接地面４２０が設けられ、受信ＢＰＦ接地面２６５、ＲＦ−ＩＣ接地面２５０及びＶＣＯ接地面２７０に対して第２の中間接地面４５０が設けられる。更に、第１の中間接地面４２０及び第２の中間接地面４５０に対して共通接地面６８０が設けられる。

次に、接地に関する接続図である図１２に示すように、モジュール１の積層基板に、上から順に第１導体層１００、第２導体層２００、第３導体層３、第４導体層４００、第５導体層５００及び第６導体層６００が形成される。そして、本高周波回路モジュールにおける各回路と分離された接地面とは以下のように対応している。

図１２において、まず、最終段増幅素子部１１の接地端子は第１導体層に設けられたＰＡ接地面１１０に直接接続される。ＰＡ接地面１１０は１−２層間ビア、２−３層間ビア、３−４層間ビアを介して、第４導体層４００に設けられた第１の中間接地面４２０に接続される。出力整合回路２０を構成する伝送線路２１に対応する接地面は第１の中間接地面４２０であり、同じく出力整合回路２０を構成する容量素子２２ａ，２２ｂの接地端子は第１の中間接地面４２０に１−２層間ビア、２−３層間ビア、３−４層間ビアを介して接続される。同様にして、送信用ＬＰＦ２５の接地端子も第１の中間接地面４２０に接続される。スイッチ４０の接地端子は第２導体層２００に設けられたアンテナ共用回路接地面２４０に１−２層間ビアを介して接続され、アンテナ共用回路接地面２４０は２−３層間ビア、３−４層間ビアを介して第１の中間接地面４２０に接続される。

次に、中段増幅素子部１２、初段増幅素子部１３、電力制御回路１４、送信回路３０、受信整合回路６０、ＬＮＡ５１及び受信回路５２の接地端子は、第２導体層に設けられたＲＦ−ＩＣ接地面２５０に１−２層間ビアを介して接続される。受信ＢＰＦ６５の接地端子は第２導体層に設けられた受信ＢＰＦ接地面２６５に１−２層間ビアを介して接続される。ＶＣＯ７０の接地端子は第２導体層に設けられたＶＣＯ接地面２７０に１−２層間ビアを介して接続される。ＲＦ−ＩＣ接地面２５０、受信ＢＰＦ接地面２６５、ＶＣＯ接地面２７０は、２−３層間ビア、３−４層間ビアを介して第４導体層に設けられた第２の中間接地面４５０に接続される。

第１の中間接地面４２０及び第２の中間接地面４５０は、４−５層間ビア、５−６層間ビアを介して第６導体層６００に設けられた共通接地面６８０に接続される。

以上のように、本実施形態では、最終段増幅素子部１１の接地端子に対応するＰＡ接地面１１０と、ＲＦ−ＩＣ接地面２５０と、ＶＣＯ接地面２７０と、アンテナ共用回路接地面２４０と、出力整合回路接地面即ち第１の中間接地面４２０とが分離されているため、第１の実施形態と同様の効果が得られた。

更には、受信ＢＰＦ６５に小型で鋭い帯域特性の得られる弾性表面波フィルタを用いることで、受信性能を改善しつつモジュールの小型化している。そして、熱の問題を次のように解決している。ＰＡ接地面１１０及びＰＡの中部段増幅素子１２や初段増幅素子部１３及び送信回路３０の接地端子に対応するＲＦ−ＩＣ接地面２５０と受信ＢＰＦ接地面２６５とを分離することにより、温度変化によって帯域特性が大きく変化する弾性表面波フィルタの温度による帯域変化を防止することができ、高い性能が得られた。

また、本実施形態では、上記のようにＰＡの最終段増幅素子部１１からアンテナ端子８０の間の大電力を扱う回路の接地面を第１の中間接地面４２０に接続し、それ以外の回路の接地面を第２の中間接地面４５０に接続し、これらの中間接地面を共通接地面６８０に接続している。それにより、最終段増幅素子部１１出力が他の回路に与える影響を効果的に抑制することができた。加えて、それぞれの接地面と中間接地面との間及び中間接地面と共通接地面との間の例えば第３導体層３００や第５導体層５００は接地面に挟まれ、それらの導体層に設けた配線は、他の導体層に設けた配線と電磁結合を起こさないで済む。従って、第３導体層３００や第５導体層５００に設けた配線は、自由に引き回すことができるようになり、モジュール基板内部の配線レイアウトに一層柔軟な自由度を与えることができた。

なお、本実施形態ではＰＡの中段増幅素子部１２や初段増幅素子部１３及び送信回路３０の接地端子と受信整合回路６０、ＬＮＡ５１及び受信回路５２の接地端子に対応する接地面を分離していない。そのように構成したのは、ＧＳＭ方式において送受信は時分割で行なわれ、これらの回路は同時に動作しないためであり、最終段増幅素子部１１の出力にのみ気を付ければ、これら回路の接地端子に対応する接地面は分離をしなくても良い。分離する場合と比べて、モジュールをより小型にすることができた。

符号分割多元接続（Code Division Multiple Access、以下「ＣＤＭＡ」という）方式携帯電話向け高周波回路モジュールに本発明を適用した第３の実施形態を図１３及び図１４を使って説明する。本実施形態のモジュール基板が３層の誘電体層と４層の導体層１００，２００，３００，４００とを有するガラスエポキシ樹脂多層基板である点は、第１の実施形態と同様であるが、回路構成が多くの点で異なる。

図１３において、モジュール１は、送信側において、入力端子８２ａ，８２ｂから入力した外部のＢＢ−ＬＳＩ３からの送信信号を送信周波数に周波数変換する送信回路３０、送信回路３０出力の高周波送信信号に含まれる不要の信号を除去する送信ＢＰＦ２７、送信ＢＰＦ２７出力の高周波送信信号を電力増幅するＰＡ１０、ＰＡ１０出力の高周波送信信号を出力整合回路２０を経て入力して高周波送信信号に方向性を与えるアイソレータ２６を備えている。加えて、アンテナ端子８０を介して外部のアンテナ２に接続し、送信時にアイソレータ２６からの高周波送信信号をアンテナ２に供給し、受信時にアンテナ２からの高周波受信信号をアンテナ端子８０を介して入力して受信側に供給するデュプレクサ４５を備えている。デュプレクサ４５は、アンテナ共用回路となる。更に、モジュール１は、受信側において、デュプレクサ４５からの高周波受信信号を受信整合回路６０を経て入力して増幅するＬＮＡ５１、ＬＮＡ５１出力の高周波受信信号に含まれる不要の信号を除去する受信ＢＰＦ６５、及び、受信ＢＰＦ６５出力の高周波受信信号を周波数変換して受信信号を出力し、出力端子８１ａ，８１ｂを通してＢＢ−ＬＳＩ３に受信信号を供給する受信回路５２を備えている。上記構成において、ＬＮＡ５１及び受信回路５２が集積されて受信ＲＦ−ＩＣ５５を構成する。また、ＰＡ１０は、最終段増幅素子部１１及び初段増幅素子部１３からなる２段の電力増幅回路であり、これらが集積化されてＩＣチップを構成する。送信回路３０も集積化されてＩＣチップを構成する。出力整合回路２０はＰＡ１０の出力インピーダンスをアイソレータ２６の入力インピーダンスと整合させる回路であり、受信整合回路６０はデュプレクサ４５とＬＮＡ５１との間のインピーダンス整合を行なう回路である。以上の諸回路及びチップがモジュール１の基板に搭載される。なお、本実施形態では、受信整合回路６０、ＬＮＡ５１、受信ＢＰＦ６５及び受信回路５２によって受信系回路１７が構成される。また、これに送信ＢＰＦ２７、送信回路３０及びＶＣＯ７０が加わって送受信回路９が構成される。

ここで、ＢＢ−ＬＳＩ３に入出力する送信信号及び受信信号の周波数帯域は約３．８ＭＨｚ、また、送信回路３０から出力される高周波送信信号の周波数は１．９ＧＨｚ近辺、受信回路５２に入力する高周波受信信号の周波数は約２．１ＧＨｚ近辺である。なお、上記周波数は一例であり、本発明はこれらの周波数に限定されない。

本実施形態では、各回路の接地が、それぞれに備えられた個別の接地面を経て共通接地面４８０に行なわれる。個別の接地面として、送信回路３０及び送信ＢＰＦ２７に対して送信回路接地面２３０が、ＰＡ１０に対してＰＡ接地面１１０が、デュプレクサ４５に対してアンテナ共用回路接地面２４０が、受信整合回路６０とＬＮＡ５１と受信ＢＰＦ６５と受信回路５２とに対して受信系回路接地面１６０が、ＶＣＯ７０に対してＶＣＯ接地面２７０がそれぞれ設けられる。これらの個別の接地面は、そのままでは互いに電気的に分離しており、共通接地面４８０に接続されることによって初めて接地として機能する。

図１４は、接地に関する接続図である。モジュール１の基板は、３枚の誘電体基板を積層した積層基板からなり、上から順に第１導体層１００、第２導体層２００、第３導体層３及び第４導体層４００が形成される。本高周波回路モジュールにおける各回路と分離された接地面とは以下のように対応している。

まず、最終段増幅素子部１１及び初段増幅素子部１３の接地端子は第１導体層に設けられたＰＡ接地面１１０に直接接続される。ＰＡ接地面１１０は１−２層間ビア、２−３層間ビア、３−４層間ビアを介して、第４導体層４００に設けられた共通接地面４８０に接続される。出力整合回路２０を構成する伝送線路２１に対応する接地面は共通接地面４８０であり、同じく出力整合回路２０を構成する容量素子２２ａ，２２ｂの接地端子は共通接地面４８０に１−２層間ビア、２−３層間ビア、３−４層間ビアを介して接続される。同様にしてアイソレータ２６の接地端子も共通接地面４８０に接続される。

デュプレクサ４５の接地端子は第２導体層２００に設けられたアンテナ共用回路接地面２４０に１−２層間ビアを介して接続され、アンテナ共用回路接地面２４０は２−３層間ビア、３−４層間ビアを介して共通接地面４８０に接続される。

次に、送信回路３０、送信ＢＰＦ２７の接地端子は第２導体層に設けられた送信回路接地面２３０に１−２層間ビアを介して接続される。ＶＣＯ７０の接地端子は第２導体層に設けられたＶＣＯ接地面２７０に１−２層間ビアを介して接続される。送信回路接地面２３０及びＶＣＯ接地面２７０は、２−３層間ビア、３−４層間ビアを介して共通接地面４８０に接続される。

最後に、受信整合回路６０、ＬＮＡ５１、受信ＢＰＦ６５、受信回路５２の接地端子は第１導体層に設けられた受信系回路接地面１６０にボンディングワイヤ又はハンダバンプなどにより接続され、受信系回路接地面１６０は、１−２層間ビア、２−３層間ビア、３−４層間ビアを介して共通接地面４８０に接続される。

本実施例では、ＰＡ接地面１１０と、送信回路接地面２３０と、受信系回路接地面１６０と、ＶＣＯ接地面２７０と、アンテナ共用回路接地面２４０と、出力整合回路接地面即ち共通接地面４８０とを分離しているため、第１の実施形態と同様の効果が得られた。更には、ＣＤＭＡ方式は送信回路及び受信系回路が同時に動作する周波数分割双方向通信方式であるため、送信回路から受信系回路への信号干渉があると受信性能が大きく低下する。しかし、本実施形態では、送信時に信号の流れるＰＡ接地面１１０、出力整合回路接地面即ち共通接地面４８０、送信回路接地面２３０及びアンテナ共用回路接地面２４０と受信系回路接地面１６０とを分離することにより、受信性能の低下を効果的に防ぐことができた。

本発明に係る高周波回路モジュールの第１の実施形態を説明するための回路ブロック図。本発明の第１の実施形態を説明するための接地面の接続を示す図。本発明の第１の実施形態を説明するための部品配置図。本発明の第１の実施形態を説明するための上面図。本発明の第１の実施形態を説明するための第１導体層のパターン図。本発明の第１の実施形態を説明するための第２導体層のパターン図。本発明の第１の実施形態を説明するための第３導体層のパターン図。本発明の第１の実施形態を説明するための第４導体層のパターン図。本発明の第１の実施形態を説明するためのＡ−Ａ線断面図。本発明の第１の実施形態を説明するためのＢ−Ｂ線断面図。本発明の第２の実施形態を説明するための回路ブロック図。本発明の第２の実施形態を説明するための接地面の接続を示す図。本発明の第３の実施形態を説明するための回路ブロック図。本発明の第３の実施形態を説明するための接地面の接続を示す図。

符号の説明

１…高周波回路モジュール、２…アンテナ、３…ＢＢ−ＬＳＩ、４…モジュール基板、５…接地パッド、６…ボンディングワイヤ、７…ボンディングパッド、９…送受信回路、１０…ＰＡ、１１…最終段増幅素子部、１２…中段増幅素子部、１３…初段増幅素子部、１４…電力制御回路、１５…電力制御回路内蔵前段増幅回路、２０…出力整合回路、２１…伝送線路、２２ａ，２２ｂ…容量素子、２５…ＬＰＦ、２６…アイソレータ、２７…送信ＢＰＦ、３０…送信回路、４０…スイッチ、４５…デュプレクサ、５０…ＲＦ−ＩＣ、５１…ＬＮＡ、５２…受信回路、５５…受信ＲＦ−ＩＣ、６０…受信整合回路、６１a，６１ｂ…受動素子、６５…受信ＢＰＦ、７０…ＶＣＯ、８０…アンテナ端子、８１ａ，８１ｂ…出力端子、８２ａ，８２ｂ…入力端子、１００…第１導体層、２００…第２導体層、３００…第３導体層、４００…第４導体層、５００…第５導体層、６００…第６導体層、１０１…第１誘電体層、２０１…第２誘電体層、３０１…第３誘電体層、３０８…第３層配線、１０７…１−２層間ビア、２０７…２−３層間ビア、３０７…３−４層間ビア、１１０…ＰＡ接地面、２３０…送信回路接地面、２４０…アンテナ共用回路接地面、２５０…ＲＦ−ＩＣ接地面、１６０，２６０…受信系回路接地面、２６５…受信ＢＰＦ接地面、２７０…ＶＣＯ接地面、４２０…第１の中間接地面、４５０…第２の中間接地面、４８０，６８０…共通接地面。

Claims

モジュール基板と、
第１の信号を入力して上記第１の信号よりも周波数が高い第２の信号を出力し、更に、第３の信号を入力して上記第３の信号よりも周波数が低い第４の信号を出力する第１の回路と、
上記第２の信号を電力増幅する第２の回路と、
上記第１の回路の第１の接地面と、
上記第１の接地面とは互いに高周波的に分離された上記第２の回路の第２の接地面と、
上記第１及び第２の接地面とは高周波的に分離された共通接地面と、
上記第１の接地面と高周波的に分離された第３の接地面と、
第４の接地面と、
上記第２の信号を外部のアンテナに供給し、かつ、上記アンテナからの第３の信号を上記第４の回路に供給するためのアンテナ共用回路と、
上記アンテナ共用回路と上記電力増幅回路が有する最終段増幅素子部との間のインピーダンス整合を行なう出力整合回路と
を具備し、
上記第１の回路と上記第２の回路とが上記モジュール基板の上面に搭載され、
上記第１及び第２の接地面と上記共通接地面とが上記モジュール基板の導体層に設けられており、
上記第１及び第２の接地面と上記共通接地面とが高周波的抵抗体により接続され、
上記共通接地面は、上記第１及び第２の接地面が設けられた導体層よりも上記モジュール基板の裏面に近い方の別の導体層に設けられ、上記第１及び第２の接地面が上記共通接地面にそれぞれ高周波的抵抗体により接続され、
上記第１の回路は上記第３の信号を入力して上記第４の信号を出力する第４の回路を含んで構成され、更に、
上記第２の回路は電力増幅回路を含んで構成され、
上記最終段増幅素子部の接地端子が上記第２の接地面に接続され、上記アンテナ共用回路の接地端子が上記第３の接地面に接続され、上記出力整合回路の接地端子が上記第４の接地面に接続され、上記第４の接地面が上記第１〜第３の接地面の内の少なくともいずれかと高周波的に分離されている
ことを特徴とする高周波回路モジュール。
上記出力整合回路は、上記第４の接地面を接地面に持つ伝送線路と複数の容量素子とを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の高周波回路モジュール。
上記第４の接地面は、上記第１〜第３の接地面の中で上記第４の接地面と高周波的に分離されている接地面よりも下方の導体層に設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の高周波回路モジュール。
上記第４の接地面が上記共通接地面である
ことを特徴とする請求項３に記載の高周波回路モジュール。
上記第２の接地面、上記第３の接地面及び上記第４の接地面と上記共通接地面との間に中間接地面を有し、上記第２の接地面、上記第３の接地面及び上記第４の接地面がそれぞれ高周波的抵抗体により上記中間接地面に接続され、上記中間接地面が高周波的抵抗体により上記共通接地面に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の高周波回路モジュール。