JP4678571B2

JP4678571B2 - 積層型バラントランス及びそれを用いた高周波スイッチモジュール

Info

Publication number: JP4678571B2
Application number: JP2004150782A
Authority: JP
Inventors: 和弘萩原; 茂釼持; 昌幸内田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-05-20
Filing date: 2004-05-20
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: JP2005333011A

Description

本発明は、携帯電話、携帯端末などの移動体通信機器に使用され、平衡回路と不平衡回路との接続を行い、インピーダンス変換にも用いられる積層型バラントランス及びそれを用いた高周波スイッチモジュールに関する。

平衡−不平衡変換素子であるバラントランスは、例えば図８に示すように、第1の伝送線路に不平衡端子を備え、第２、第３の伝送線路に二つの平衡端子を備えているものであり、不平衡端子に不平衡伝送線路を接続し、二つの平衡端子にそれぞれ平衡伝送線路の２つの信号線を接続して使用される。そして、第1の伝送線路の不平衡端子から入力された不平衡信号を変換して、第２、第３の伝送線路の二つの平衡端子から出力して、その位相差により平衡信号を出力したり、逆に平衡端子からの平衡信号を不平衡信号に変換して、不平衡端子から出力することを行う。例えば、特許文献１には図８に示す等価回路と、図１０の積層図に示すが如く誘電体層に二つの渦巻き型インダクタを並設し、それぞれ誘電体層ごとに平衡線路と不平衡線路とを構成するようにしてなる積層型バラントランスが開示されている。また、特許文献２には第1、第2の伝送線路の一部並びに第1、第3の伝送線路の一部を同一の誘電体層に形成した例が開示されている。

近年の携帯電話や携帯端末の小型化、薄型化により、それらの機器に使用されるバラントランス等の部品にも一層の小型・低背化が求められている。

特開平８−１９１０１６号公報特開２００２−２９９１２７号公報

前記第1の従来例では、前記第１、第２、第３の伝送線路は多数回巻かれた渦巻き構造を有しており、しかも前記第２、第３の伝送線路を構成する２つの渦巻き型インダクタL2、L3が同一誘電体層に並設されているため、回路基板に搭載した場合に実装面積が大きくなり、小型化の要求に対応できないという問題があった。そこで、実装面積を小さくするために、図１１に示すように各々の線路を複数の層に分割して形成し、１層あたりに形成される線路の巻き数を一巻き以下にする方法がある。しかし、この方法では積層の層数が多くなるため積層体が厚くなり、低背化の要求に対応できないという問題があった。

また、前記第２の従来例でもバラントランスを形成するために多数の層が必要であり低背化の要求に対応できないという問題があった。

本発明では、小型、低背化が可能で、且つ良好な特性を持った積層型バラントランス及びそれを用いた高周波スイッチモジュールを提供することを目的とする。

第１の発明は、導体パターンが形成された複数の誘電体層からなる積層体において第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、前記第１の伝送線路は一端が不平衡端子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の平衡端子に接続され、第３の伝送線路は一端が接地され他端が第２の平衡端子に接続される積層型バラントランスであって、前記第１、第２、第３の伝送線路は、それぞれ前記複数の誘電体層の表面に形成された複数の導体パターンを電気的にらせん状に接続してなり、かつ前記第１の伝送線路からなるインダクタと第２の伝送線路からなるインダクタ、並びに第１の伝送線路からなるインダクタと第３の伝送線路からなるインダクタはそれぞれ積層方向上面からみて重なる様に配置され、かつ前記第１の伝送線路を構成する導体のうちの一部と、前記第２の伝送線路を構成する導体のうちの一部と、前記第３の伝送線路を構成する導体のうちの一部がそれぞれ同一の誘電体層の表面に形成されている層を含み、前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路は共通のスルーホールを介してアース電極に接続され、前記スルーホールは前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路の間に配置されている積層型バラントランスである。
また、他の発明は、導体パターンが形成された複数の誘電体層からなる積層体において第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、前記第１の伝送線路は一端が不平衡端子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の平衡端子に接続され、第３の伝送線路は一端が接地され他端が第２の平衡端子に接続される積層型バラントランスであって、前記第１、第２、第３の伝送線路はそれぞれ前記複数の誘電体層の表面に形成された複数の導体パターンを電気的にらせん状に接続してなり、かつ前記第１の伝送線路からなるインダクタと第２の伝送線路からなるインダクタ、並びに第１の伝送線路からなるインダクタと第３の伝送線路からなるインダクタはそれぞれ積層方向上面からみて重なる様に配置され、かつ前記第１の伝送線路によって作られるインダクタが占める空間と第２、第３の伝送線路によって作られるインダクタが占める空間が部分的に共用する部分を有し、前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路は共通のスルーホールを介してアース電極に接続され、前記スルーホールは前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路の間に配置されている積層型バラントランスである。
本発明の積層型バラントランスは、第２の伝送線路と第３の伝送線路が、前記第１、第２、第３の伝送線路を構成する導体のうちの一部がそれぞれ同一の誘電体層に形成されている層において、対称的に形成されているものが好ましい。

本発明により、各層における伝送線路の巻き数を１巻き以下にできるため積層型バラントランスの実装面積を小さくすることが可能となる。また、第１、２、３の伝送線路を共通の同一層に形成したため積層の層数を少なく抑えることができ積層型バラントランスの低背化も可能となる。また、第1の伝送線路によって作られるインダクタが占める空間と第２、第３の伝送線路によって作られるインダクタが占める空間が部分的に重なった構造となるため第1の伝送線路と第２、第３の伝送線路との結合が強まり、挿入損失を低下することが可能となる。

第２の発明は、複数の誘電体層の表面に形成された複数の導体パターンを電気的にらせん状に接続してなる積層型バラントランスであって、前記複数の導体パターンのうち一部の導体パターンについて、その太さが他の導体パターンと異なるようになした積層型バラントランスである。

本発明により、平衡端子への出力振幅差の調整を一部の導体パターンの幅を変更するだけで簡便に行えるので出力振幅差の調整が容易であり、また従来出力振幅差の調整の為に平衡端子に接続されていたコンデンサ電極を削除できるため積層数の低減と積層体の低背化が一層可能となる。

第３の発明は、複数の誘電体層からなる積層体内において、電極パターンによって形成されたバランおよび分波器および不要周波数成分を減衰するフィルタ回路を形成し、かつ前記積層体内の電極パターンと前記積層体の外部に搭載された搭載部品を用いて構成した高周波スイッチ回路を有する高周波スイッチモジュールにおいて、前記バランに上記構造の積層型バラントランスを用いたことを特徴とする高周波スイッチモジュールである。

本発明により、実装面積が小さく低背で挿入損失の小さい高周波スイッチモジュールを実現することが可能である。

本発明によると、小型・低背のまま、或いはより小形にしても、挿入損失が小さい積層型バラントランス及び高周波スイッチモジュールを提供できる。

本発明の実施例について、以下詳細に説明する。図１は積層型バラントランスの分解斜視図である。この積層体は、低温焼成が可能なセラミック誘電体材料からなり、厚さが１０μｍ〜２００μｍのグリーンシート上に印刷することで所望の電極パターンを形成し、前記電極パターンを有する複数のグリーンシートを積層して一体化し、一体焼成することにより製造することが出来る。
この積層体の内部構造を積層順に従って説明する。尚、バラントランスの等価回路図を図８に示す。
まず、上層のグリーンシート１には、第1の伝送線路の一部を構成するライン電極La1とLa１３が構成されており、前記ライン電極La1は前記積層体の不平衡端子Inに接続するための接続部が設けられ、前記ライン電極La1３の一端は第１の伝送線路における開放端となっている。
次に、グリーンシート２には、第1の伝送線路の一部を構成するライン電極La２、La１２と第２、第３の伝送線路の一部を構成するライン電極Lb５とが構成されている。
グリーンシート３には、第1の伝送線路の一部を構成するライン電極La３、La１１と、第２の伝送線路の一部を構成するライン電極Lb４、及び第３の伝送線路の一部を構成するライン電極Lb６とが形成されている。
グリーンシート４には、第1の伝送線路の一部を構成するライン電極La４、La１０と、第２の伝送線路の一部を構成するライン電極Lb３、及び第３の伝送線路の一部を構成するライン電極Lb７が形成されている。
グリーンシート５には、第1の伝送線路の一部を構成するライン電極La５、La９と、第２の伝送線路の一部を構成するライン電極Lb２、及び第３の伝送線路の一部を構成するライン電極Lb８とが形成されている。
グリーンシート６には、第1の伝送線路の一部を構成するライン電極La６、La８と第２の伝送線路の一部を形成するライン電極Lb１、及び第３の伝送線路の一部を構成するライン電極Lb９が形成されている。
グリーンシート７には、第1の伝送線路の一部を構成するライン電極La７が形成されている。
グリーンシート８には、平衡出力のバランス特性調整用のコンデンサ電極C１、C２が形成されている。
グリーンシート９には、アース電極が形成されており、また、第２の伝送線路の平衡端子out1に接続するための接続部と第３の伝送線路の平衡端子out2に接続するための接続部が設けられている。以上のグリーンシート１〜９を順次積層して積層体となす。
このとき、前記グリーンシート６に形成されたライン電極Lb１はC１を介して平衡端子out1へと接続され、ライン電極Lb９はC２を介して平衡端子out2へと接続される。よって、グリーンシート１〜９に形成されたライン電極とコンデンサ電極はスルーホール（図中、黒丸で示した）で適宜接続され、図８の第1の伝送線路L1a、L1bと第２の伝送線路L２と第３の伝送線路L３を構成する。

以上のグリーンシートにおいて、例えばグリーンシート２とグリーンシート３、グリーンシート５とグリーンシート６についてライン電極の配置をみると、第1の伝送線路の一部を構成するライン電極と第1、第３の伝送線路の一部を構成するライン電極とが上下の層で前後交互に形成されており、これを積層方向の上面からみると第1の伝送線路を構成するライン電極と第２の伝送線路を構成するライン電極、並びに第1の伝送線路を構成するライン電極と第３の伝送線路を構成するライン電極がそれぞれ重なるように配置構成される結果となっている。この様に配置することによって、第１の伝送線路によって作られるインダクタと第２の伝送線路によって作られるインダクタの間、ならびに第１の伝送線路によって作られるインダクタと第３の伝送線路によって作られるインダクタの間に電磁気的な結合が形成される。また第１、第２の伝送線路が電磁気的結合をなす領域と第１、第３の伝送線路が電磁気的結合をなす領域が積層方向上面から見て重なっていないため誘電体層の積層数を少なくすることができ、積層型バラントランスの低背化が可能となる。

また、前記グリーンシート２では、第１の伝送線路の一部を構成するライン電極La２、La１２が形成されており、また別の領域に形成されたライン電極Lb５の左半分は第２の伝送線路の一部を形成しており、ライン電極Lb５の右半分は第３の伝送線路の一部を形成している。そして、ライン電極Lb５の中央部はスルーホールを介してアース電極へと接地されている。このように、第1の伝送線路を構成するライン電極のうちの一部と、第２の伝送線路を構成するライン電極のうちの一部と、第３の伝送線路を構成するライン電極のうちの一部がそれぞれ同一の誘電体層（グリーンシート２）の表面に形成されている。このような層を積層体の中に含むことによって、第１の伝送線路によって作られるインダクタと第２の伝送線路によって作られるインダクタ、並びに第１の伝送線路によって作られるインダクタと第３の伝送線路によって作られるインダクタを部分的に空間的に共用することが出来るため一層の低背化が可能となる。また各々のインダクタの組み合わせにおいて、空間的に共用するほどにインダクタを密接して形成することにより各々のインダクタの組み合わせにおける相互インダクタンスが向上し、積層型バラントランスの挿入損失を小さくすることが可能となる。

以上のようにして得られた積層体を鋼刃で碁盤目状に個々に分割した後、セッタ等の焼成治具上に配置して大気中９００℃で焼成することで焼成体を得た。なおここでは焼成前に鋼刃で個々に分割しているが、圧着体に鋼刃で分割溝を刻設形成した後焼成を行い、その後の任意の工程で分割しても良い。
その後、この焼成体に、Ｎｉめっき或いはＡｕめっきの電界又は無電界めっき処理を行うことで本発明による積層型バラントランスを得た。

次に、本発明による積層型バラントランスの特性を示す。従来構造（図１１）と本発明による構造（図１）での挿入損失を図４に示す。本発明による構造では２．４ＧＨｚ帯域における挿入損失は０.７ｄB以下と良好な結果を示しており、また従来構造に比べても低挿入損失を実現できていることが分かる。

第２の発明による積層型バラントランスの分解斜視図を図２に示す。ここでは例としてLa８の線路のみを太くしている。このように一部の線路の幅を他の線路と異なる幅にすることで出力振幅差を調整することが可能であり、コンデンサ電極Ｃ１、Ｃ２を削除することが可能である。

図２に示した積層型バラントランスの出力振幅差を図５に、出力位相差を図６に示す。ここでは一例としてLa８以外のライン電極の幅を０．１ｍｍとしてLa８の幅を変化させた場合の特性変化を示している。全ての伝送線路の幅が等しく０．１ｍｍであった場合、図６より２．４ＧＨｚ帯域における出力位相差はほぼ１８０度で望ましいが出力振幅差は約０.２５ｄＢとやや大きくなっている。そのため出力位相差を変えずに出力振幅差だけ調整したい。このときに伝送線路Lb８の幅を±０．０２ｍｍ変化させてみると図５、図６に示すとおり出力振幅差のみ選択的に調整可能であり、線幅０．１２ｍｍが望ましいことが分かる。このように伝送線路を構成するライン電極のうち一部の線幅を他のライン電極と異なる値にすることで容易に出力振幅差の調整が可能となり、図１のグリーンシート８に示したようなコンデンサパターンＣ１、Ｃ２が不要となる。

また、通信機内において積層型バラントランスが使用される際にはバランの平衡端子にはＬＮＡ等の部品が接続される。ＬＮＡ等の部品を安定して動作させるために積層型バラントランスの平衡端子には所定の直流電圧がバイアス電圧として印加されていることを求められることがある。そのようなバイアス電圧の印加を可能にする為の回路を図９に、積層構造を図３に示す。図示のように図１のグリーンシート８に対しコンデンサパターンＣ３を設け、また図中ＶＣで示す電圧端子に所定の直流電圧を印加することで、平衡端子にバイアス電圧を印加することが可能となる。

本発明により積層型バラントランスは積層体内部において小型化・低背化による省スペース化が実現できるため、他の部品との複合化も容易である。複合化の実施形態として第３の発明に挙げた高周波スイッチモジュールがある。一例として本発明を適用したデュアルバンド高周波スイッチモジュールのブロック図を図７に示す。この高周波スイッチモジュールでは異なる周波数帯AとBの高周波信号の送受信切り替えを行うものであり、アンテナ端子と周波数帯A、Bにそれぞれ対応した送信端子Tx1、Tx2と周波数帯Aに対応した平衡受信端子Rx1＋、Rx1−と、周波数帯Bに対応した平衡受信端子Rx2＋、Rx2−を有する。

このものは、送信時にはTx1端子またはTx2端子から入った高周波信号は分波器Dip１とスイッチ回路ＳＷを介してアンテナ端子ＡＮＴへと流れる。また、受信時にはアンテナ端子ＡＮＴから入った信号はスイッチ回路ＳＷを介して分波器Dip２へと流れる。分波器Dip２において周波数帯Aの受信信号はフィルタＦ１へと振り分けられる。フィルタＦ１では周波数帯Aに対応した周波数信号を通し不要周波数帯を遮断する。フィルタＦ１を通過した受信信号は上記で示した構造を有するバラントランスＢ１を介することで平衡出力端子Rx1＋、Rx１−へと出力される。周波数帯Bの受信信号は分波器Dip２からフィルタＦ２へと振り分けられる。フィルタＦ２では周波数帯Bに対応した周波数信号を通し不要周波数帯を遮断する。フィルタＦ２を通過した受信信号は請求項１に記載した構造を有するバラントランスＢ２を介することで平衡出力端子Rx2+、Rx2−へと出力される。

この高周波スイッチモジュールにおける分波器、フィルタ、バラントランスは積層体内部に形成された電極パターンにより構成されている。またスイッチ回路は積層体内部に形成された電極パターンと積層体外部の搭載部品から構成される。このスイッチ回路はPINダイオードを用いてもよいし、またGaAｓスイッチ等を用いても良い。

本発明によると、小型低背で挿入損失の小さい積層型バラントランス及びそれを用いた高周波スイッチモジュールを提供できるので、移動体通信機器の小型、高性能化への寄与は大きい。

本発明の実施例（第１の発明）に係るバラントランスを積層基板で構成した場合の、各層の分解斜視図である。本発明の他の実施例（第２の発明）に係るバラントランスを積層基板で構成した場合の、各層の分解斜視図である。本発明の更に他の実施例に係るバラントランスを積層基板で構成した場合の、各層の分解斜視図である。従来例と本発明の実施例に係る積層型バラントランスの挿入損失特性を示す図である。本発明の実施例（第２の発明）に係る積層型バラントランスの出力振幅差特性を示す図である。本発明の実施例（第２の発明）に係る積層型バラントランスの出力位相差特性を示す図である。本発明の実施例（第３の発明）に係る積層型バラントランスを適用した高周波スイッチモジュールのブロック図である。バラントランスの等価回路図である。本発明の更に他の実施例に係るバラントランスの等価回路図である。従来の積層型バラントランスの各層の分解斜視図の一例である。従来の積層型バラントランスの各層の分解斜視図の他の一例である。

符号の説明

ＩＮ：バラントランスの不平衡端子
ＯＵＴ１、ＯＵＴ２：バラントランスの平衡端子
Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌａ１〜１３：バラントランスの第１の伝送線路
Ｌ２、Ｌｂ１〜４、５（左半分）：バラントランスの第２の伝送線路
Ｌ３、Ｌｂ５（右半分）、６〜９：バラントランスの第３の伝送線路
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３：コンデンサ電極
ｅ１：アース電極
Ａｎｔ：アンテナ端子
Ｔｘ１：送信端子（周波数帯域Ａ）
Ｔｘ２：送信端子（周波数帯域Ｂ）
ＶＣ：電圧端子
Ｒｘ１＋、Ｒｘ１−：平衡受信端子（周波数帯域Ａ）
Ｒｘ２＋、Ｒｘ２−：平衡受信端子（周波数帯域Ｂ）
ｄｉｐ１、ｄｉｐ２：分波器
Ｆ１、Ｆ２：フィルタ
Ｂ１、Ｂ２：バラントランス
ＳＷ：スイッチ回路
１〜９：グリーンシート

Claims

導体パターンが形成された複数の誘電体層からなる積層体において第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、前記第１の伝送線路は一端が不平衡端子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の平衡端子に接続され、第３の伝送線路は一端が接地され他端が第２の平衡端子に接続される積層型バラントランスであって、前記第１、第２、第３の伝送線路はそれぞれ前記複数の誘電体層の表面に形成された複数の導体パターンを電気的にらせん状に接続してなり、かつ前記第１の伝送線路からなるインダクタと第２の伝送線路からなるインダクタ、並びに第１の伝送線路からなるインダクタと第３の伝送線路からなるインダクタはそれぞれ積層方向上面からみて重なる様に配置され、かつ前記第１の伝送線路を構成する導体のうちの一部と、前記第２の伝送線路を構成する導体のうちの一部と、前記第３の伝送線路を構成する導体のうちの一部がそれぞれ同一の誘電体層の表面に形成されている層を含み、前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路は共通のスルーホールを介してアース電極に接続され、前記スルーホールは前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路の間に配置されていることを特徴とする積層型バラントランス。
導体パターンが形成された複数の誘電体層からなる積層体において第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、前記第１の伝送線路は一端が不平衡端子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の平衡端子に接続され、第３の伝送線路は一端が接地され他端が第２の平衡端子に接続される積層型バラントランスであって、前記第１、第２、第３の伝送線路はそれぞれ前記複数の誘電体層の表面に形成された複数の導体パターンを電気的にらせん状に接続してなり、かつ前記第１の伝送線路からなるインダクタと第２の伝送線路からなるインダクタ、並びに第１の伝送線路からなるインダクタと第３の伝送線路からなるインダクタはそれぞれ積層方向上面からみて重なる様に配置され、かつ前記第１の伝送線路によって作られるインダクタが占める空間と第２、第３の伝送線路によって作られるインダクタが占める空間が部分的に共用する部分を有し、前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路は共通のスルーホールを介してアース電極に接続され、前記スルーホールは前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路の間に配置されていることを特徴とする積層型バラントランス。
前記第２の伝送線路と前記第３の伝送線路は、前記第１、第２、第３の伝送線路を構成する導体のうちの一部がそれぞれ同一の誘電体層に形成されている層において、対称的に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型バラントランス。
前記複数の導体パターンのうち一部の導体パターンについて、その太さが他の導体パターンと異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層型バラントランス。
複数の誘電体層からなる積層体内に、電極パターンによって形成されたバランおよび分波器および不要周波数成分を減衰するフィルタ回路を形成し、かつ前記積層体内の電極パターンと前記積層体の外部に搭載された搭載部品を用いて構成した高周波スイッチ回路を有する高周波スイッチモジュールにおいて、前記バランに請求項１〜４のいずれかに記載の積層型バラントランスを用いたことを特徴とする高周波スイッチモジュール。