JP4678570B2

JP4678570B2 - 分波器及びこれを用いた高周波複合部品

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Publication number: JP4678570B2
Application number: JP2004138664A
Authority: JP
Inventors: 雅人榎木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-05-07
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2024-05-07
Also published as: JP2005323064A

Description

本発明は、携帯電話などの移動体通信機器に用いられる分波器に関し、具体的には高周波回路（フロントエンド部）に用いられ、周波数の異なる少なくとも２つの通信システムの高周波信号を分波する分波器と、これを用いた高周波複合部品に関する。

近年移動体通信機器のひとつの形態として、携帯電話一台で２つ以上の通信システムで通話を可能とするマルチバンド携帯電話がある。この携帯電話にあっては、それぞれのシステムに対応する周波数の高周波信号を分波する分波回路が必要である。
この様な分波回路として、複数のフィルタ回路を組み合わせて構成される分波器がある。特許文献１には、フィルタ回路をインダクタンス素子、キャパシタンス素子で構成し、各素子を積層体内に電極パターンで形成した積層構造の積層型分波器が提案されている。図６に、その等価回路図を示す。
この積層型分波器は、誘電体からなる絶縁層を積層一体化した積層体の内部にパターン電極を形成し、このパターン電極により構成したインダクタンス素子とキャパシタンス素子とを直列接続して２つのノッチ回路（直列共振回路）を構成し、第１ポートＰ１と第２ポートＰ２との間に、ローパスフィルタ回路（他のインダクタンス素子）と第１直列共振回路を配置し、第１ポートＰ１と第３ポートＰ３との間に、ハイパスフィルタ回路（他のキャパシタンス素子）と第２直列共振回路を配置して構成される。
前記第２直列共振回路は、周波数ｆ１で挿入損失が最大となるように構成され、前記第１直列共振回路は前記周波数ｆ１と異なる周波数ｆ２で挿入損失が最大となるように構成されている。このため、第１ポートＰ１に入力された周波数ｆ１のマイクロ波信号は、第３ポートＰ３に出力されず、また第１ポートＰ１に入力された周波数ｆ２のマイクロ波信号は、第２ポートＰ２に出力されないため、マイクロ波信号の分配を行うことが出来る。
特開２００１−１１９２５８号

現在、移動体通信装置として複数の周波数帯の通信システム、例えばＤＣＳ１８００（送信周波数１７１０〜１７８５ＭＨｚ、受信周波数１８０５〜１８８０ＭＨｚ）とＧＳＭ９００（送信周波数８８０〜９１５ＭＨｚ、受信周波数９２５〜９６０ＭＨｚ）とで動作が可能なデュアルバンド携帯電話、ＤＣＳ１８００及びＰＣＳ１９００（送信周波数１８５０〜１９１０ＭＨｚ、受信周波数１９３０〜１９９０ＭＨｚ）とＧＳＭ９００とで動作が可能なトリプルバンド携帯電話や、前記トリプルバンド携帯電話にＧＳＭ８５０（送信周波数８２４〜８４９ＭＨｚ、受信周波数８６９〜８９４ＭＨｚ）のシステムを加えたクワッドバンド携帯電話が提案されており、これを総称してマルチバンド携帯電話と呼称している。
これら通信システムの利用周波数帯を大別すると、周波数帯域８００ＭＨｚ〜１ＧＨｚを利用する通信システムと、相対的に高周波数帯域の１．５ＧＨｚ〜２．４ＧＨｚを利用する通信システムとになる。

近年の携帯電話のマルチバンド化に伴い、前記分波回路では複数の低周波数帯域の通信システムと複数の高周波数帯域の通信システムとを分波することが必要と成ってきた。しかしながら従来の分波回路では、複数の通信システムの周波数帯域を包含する広周波数帯域にわたって減衰量を確保することが困難であって、このため、通過帯域において所望の挿入損失を得られないといった問題があった。
そこで本発明では、２つ以上の通信システムで通話を可能とするマルチバンド携帯電話に用いられ、前記通信システムに対応する高周波信号を分波する分波器において、広帯域にわたって減衰量を得ることでき、通過帯域において優れた挿入損失特性が得られる小型の分波器と、これを用いた高周波複合部品を提供することを目的とする。

本発明は、周波数の異なる少なくとも２つの通信システムの高周波信号を分波する分波器であって、第１ポートと第２ポートとの間に接続され、第１の周波数帯域を通過周波数帯域とする第１フィルタと、第１ポートと第３ポートとの間に接続され、第２の周波数帯域を通過周波数帯域とする第２フィルタとを備え、前記第１フィルタは、第１ポートと第２ポートとの間に接続された第１インダクタンス素子と、前記第１インダクタンス素子と並列接続し並列共振回路を形成する第１キャパシタンス素子と、前記第１インダクタンス素子の第２ポート側とグランドとの間に配置され、第２インダクタンス素子及び第２キャパシタンス素子を備えた第１直列共振回路を備え、前記第２フィルタは、第１ポートと第３ポートとの間に接続された第３キャパシタンス素子と、前記第３キャパシタンス素子と直列接続される第４キャパシタンス素子と、前記第３キャパシタンス素子と第４キャパシタンス素子との接続点とグランドとの間に配置され、第３インダクタンス素子及び第５キャパシタンス素子を備えた第２直列共振回路を有し、前記第１から第３インダクタンス素子と、第２から第５キャパシタンス素子とは、積層体に形成された電極パターンにより構成され、前記第１キャパシタンス素子は、異なる誘電体層に形成された前記第１インダクタンス素子を構成する電極パターン間を、他の電極パターンとの間よりも積層方向に近接させて生じた浮遊容量のみで形成され、前記第３及び前記第４キャパシタンス素子の電極パターンが前記第１インダクタンス素子を構成する電極パターンと積層方向に重なり、誘電体層を介して隣り合う前記第１インダクタンス素子の電極パターンと前記第３キャパシタンス素子の電極パターンとを、少なくとも７５μｍの間隔をもって配置した分波器である。

本発明においては、前記第１直列共振回路は、第２の周波数帯域内に減衰極を有し、
前記並列共振回路は、第１の周波数帯域の２．５〜３倍の周波数帯域内に減衰極を有し、
前記第２直列共振回路は、第１の周波数帯域内に減衰極を有するように構成するのが好ましい。

本発明においては、更に前記第２ポートにフィルタ回路或いはスイッチ回路を接続し、及び／又は前記第３ポートに他のフィルタ回路或いは他のスイッチ回路を接続し、前記フィルタ回路、スイッチ回路を前記積層体に分波器とともに構成して高周波複合部品とするのも好ましい。

本発明の分波器は、小型でありながら広帯域にわたって減衰量を得ることでき、通過帯域において優れた挿入損失特性が得られるため、２つ以上の通信システム、特には３つ以上の通信システムで通話を可能とするマルチバンド携帯電話に有用である。

図１は、本発明の一実施例に係る分波器の等価回路を示す図である。この分波器は、第１ポートＰ１と第２ポートＰ２との間に接続され、第１の周波数帯域ｆ１を通過周波数帯域とする第１フィルタと、第１ポートＰ１と第３ポートＰ３との間に接続され、第２の周波数帯域ｆ２を通過周波数帯域とする第２フィルタとを備えている。第１の周波数帯域ｆ１は、第２の周波数帯域ｆ２と比較し低周波数側に有り、互いに重なり合わない周波数帯に設定される。前記第１フィルタは、第２の周波数帯域（高周波数帯域）ｆ２で大きな減衰量を示すものであり、前記第２フィルタは、第１の周波数帯域（低周波数帯域）ｆ１で大きな減衰量を示す。

第１ポートＰ１と第２ポートＰ２との間に接続された第１フィルタは、一端が第１ポートＰ１に接続する第１インダクタンス素子Ｌ１と、前記第１インダクタンス素子と並列接続し並列共振回路を形成する第１キャパシタンス素子と、前記第１インダクタンス素子の第２ポート側とグランドとの間に配置され、第２インダクタンス素子及び第２キャパシタンス素子を備えた第１直列共振回路を備え、前記第１直列共振回路は、第２の周波数帯域ｆ２内に減衰極を有し、挿入損失が最大となるように構成されている。前記並列共振回路は、第１の周波数帯域の２．５〜３倍の周波数帯域内に減衰極を有するように構成されている。このように構成することで、広帯域にわたって大きな減衰量を得ている。

第１ポートＰ１と第３ポートＰ３との間に接続された第２フィルタは、第１ポートＰ１と第３ポートＰ３との間に接続された第３キャパシタンス素子Ｃ３と、前記第３キャパシタンス素子Ｃ３と直列接続される第４キャパシタンス素子Ｃ４と、前記第３キャパシタンス素子Ｃ３と第４キャパシタンス素子Ｃ４との接続点とグランドとの間に配置され、第３インダクタンス素子Ｌ３及び第５キャパシタンス素子Ｃ５を備えた第２直列共振回路を有し、前記第２直列共振回路は、第１の周波数帯域ｆ１内に減衰極を有し、挿入損失が最大となるように構成されている。また従来の分波器と比べて、第４キャパシタンス素子Ｃ４を更に追加することで、低周波数帯域で広帯域にわたって大きな減衰量を得ている。

このように構成することで、第１ポートＰ１に入力した第１の周波数帯域ｆ１は、第２ポートＰ２に表れるが、第３ポートＰ３には出力されず、また、第１ポートＰ１に入力した第２の周波数帯域ｆ１は、第３ポートＰ３に表れるが、第２ポートＰ２には出力されないため、高周波信号を低損失で分波することが出来る。

本発明の分波器では、前記第１乃至第５インダクタンス素子と、第１乃至第第６キャパシタンス素子とを、積層体に形成された電極パターンにより構成し、前記第１キャパシタンス素子は、前記第１インダクタンス素子を構成する電極パターンを、誘電体層を介して積層方向に略対向させて形成される浮遊容量で構成している。このため、第１キャパシタンス素子を形成する電極パターンを、更に追加する必要が無いので、分波器が大型化することがない。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
図２は本発明の分波器を含む、マルチバンド携帯電話のフロントエンド部の等価回路である。ここでは、分波器１に加えて、フィルタ回路ＬＰＦ１、ＬＰＦ２、スイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ２を配置した第１乃至３の通信システムに対応したにフロントエンド部ついて説明する。なお説明においては、第１の通信システムをＧＳＭ９００（送信周波数８８０〜９１５ＭＨｚ、受信周波数９２５〜９６０ＭＨｚ）、第２の通信システムをＤＣＳ１８００（送信周波数１７１０〜１７８５ＭＨｚ、受信周波数１８０５〜１８８０ＭＨｚ）、第３の通信システムをＰＣＳ１９００（送信周波数１８５０〜１９１０ＭＨｚ、受信周波数１９３０〜１９９０ＭＨｚ）としている。

図２に示したマルチバンド携帯電話器のフロントエンド部では、分波器１の第１ポートＰ１をアンテナＡＮＴと接続し、分波回路１の第２ポートＰ２、第３ポートＰ３には、スイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ２が接続される。スイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ２には、フィルタ回路ＬＰＦ１、ＬＰＦ２を介して送信回路ＥＧＳＭＴＸ、ＤＣＳ／ＰＣＳＴＸが接続され、また受信回路ＥＧＳＭＲＸ，ＤＣＳＲＸ、ＰＣＳＲＸが接続される。
前記分波器１は、ＧＳＭ９００或いはＤＣＳ１８００，ＰＣＳ１９００の送受信信号が、互いの信号経路に回りこまないように、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、ノッチフィルタから選ばれる複数のフィルタ回路で構成されるが、本実施例においては、図１で示した分波器を用いている。図中、点線で示した部分が浮遊容量で形成した第１キャパシタンス素子である。

既に分波器の構成については説明しているので省略するが、前記第１直列共振回路により、第２の周波数帯域内（１７１０ＭＨｚ〜１９９０ＭＨｚ）に減衰極を形成し、前記並列共振回路により、第１の周波数帯域（８８０ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚ）の２．５〜３倍の周波数帯域内（２２００ＭＨｚ〜２８８０ＭＨｚ）に減衰極を形成し、前記第１直列共振回路の共振周波数を前記並列共振回路の共振周波数よりも低周波数に設定している。そして、前記第２直列共振回路は、第１の周波数帯域内（８８０ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚ）に減衰極を有するように構成している。
このように構成することで、本発明の分波器は、広帯域にわたって大きな減衰量を得ることが出来、通過帯域において優れた挿入損失特性が得られるため、第１ポートＰ１に入力した第１の周波数帯域ｆ１は、第２ポートＰ２に表れるが、第３ポートＰ３には出力されず、また、第１ポートＰ１に入力した第２の周波数帯域ｆ１は、第３ポートＰ３に表れるが、第２ポートＰ２には出力されないため、高周波信号を分波することが出来る。分波された高周波信号は、分波回路の後段に配置されたスイッチ回路ＳＷ１，ＳＷ２へと入力する。

前記フロントエンド部は、絶縁体と電極パターンを積層してなる積層体に形成することが出来る。図３はその積層体の斜視図であり、図４はその分解斜視図である。この積層体はシート積層法を用いて構成してなり、分波器とフィルタ回路、スイッチ回路を構成する回路素子を電極パターンとして内蔵する複合高周波部品である。
なお、ここでは図示していないが、インダクタンス素子として、多層基板内に構成するとともに、スイッチング素子や、積層体内に内蔵することのできない高容量コンデンサ、インダクタをチップ素子として積層体上に搭載している。

この複合高周波部品を構成する積層体は、絶縁体、例えば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５０μｍ〜２００μｍのグリーンシートを作製し、各グリーンシート上にＡｇを主体とする導電ペーストを印刷することにより所望の電極パターンを形成し、所望の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、焼成することにより製造することができる。低温焼結が可能なセラミック誘電体材料としては、（ａ）Ａｌ_２Ｏ_３を主成分として、ＳｉＯ_２、ＳｒＯ、ＣａＯ、ＰｂＯ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏの少なくとも１種を副成分として含むものや、（ｂ）Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、ＭｇＯ，ＳｉＯ_２及びＧｄＯの少なくとも一種を副成分として含むものや、（ｃ）Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＳｒＯ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２を主成分として含むもの等が挙げられる。好ましい誘電率は、５〜１５である。

以下積層体内での分波器の構成を詳細に説明する。
最下層には、ほぼ全面を覆うように形成されたグランド用のパターン電極ＧＮＤが形成された絶縁体層１７が配置される。また、絶縁体層１７の裏面側には積層体内に形成される電極パターンと、ビアホールを介して適宜接続される外部端子（図示せず）が形成されている。絶縁体層１７の上層に電極パターンＣ２，Ｃ５が形成された絶縁体層１６が配置される。そして、その上層にはグランドのパターン電極ＧＮＤが形成された絶縁体層１５が配置される。前記電極パターンＣ２，Ｃ５と電極パターンＧＮＤとで、第１フィルタのキャパシタンス素子Ｃ２、第２フィルタのキャパシタンス素子Ｃ５を形成している。

前記絶縁体層１５に形成されたグランド用のパターン電極ＧＮＤと、絶縁体層１０に形成されたグランド用のパターン電極ＧＮＤとの間には、第１フィルタの第２インダクタンス素子Ｌ２を形成するパターン電極Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄと、第２フィルタの第３インダクタンス素子Ｌ３を形成する電極パターンＬ３ａ〜Ｌ３ｄが配置されている。

前記絶縁体層１０の電極パターンＧＮＤで囲まれた領域には、電極パターンＣ４ａが形成されている。前記電極パターンＣ４ａは、絶縁体層８、絶縁体層６に形成された電極パターンＣ４ｃ、Ｃ４ｄとビアホール（図中黒丸で表示）を介して電気的に接続されている。絶縁体層９には、電極パターンＣ４ｂが形成されており、前記電極パターンＣ４ａ、Ｃ４ｃとで前記第２フィルタの第４キャパシタンス素子Ｃ４を形成している。また、絶縁体層７には電極パターンＣ１が形成され、前記電極パターンＣ４ｃ，Ｃ４ｄとの間で、第２フィルタの第３キャパシタンス素子Ｃ３を形成している。

絶縁体層５〜絶縁体層３には、第１フィルタのインダクタンス素子Ｌ１を構成する電極パターンＬ１ａ〜Ｌ１ｃが形成されている。本発明では、インダクタンス素子Ｌ１を構成する電極パターンにより、前記インダクタンス素子Ｌ１と並列接続する第１キャパシタンス素子Ｃ１を形成している。図５は、第１キャパシタンス素子Ｃ１の形成方法を説明するための電極パターンＬ１ａ〜Ｌ１ｃを抜き出した部分平面図である。
前記電極パターンＬ１ａ〜Ｌ１ｃは、１ターン未満の電極パターンで構成され、前記電極パターンは積層方向に重なり合うように重ねられ、ビアホールで接続されて周回するコイルを形成している。本実施例では、電極パターンのほぼ全面が重なり合うように構成され、また、電極パターン間が近接するように、介在する絶縁層の厚みを２５μｍに設定している。このように構成することで、前記電極パターンＬ１ａ〜Ｌ１ｃ間に生じる浮遊容量により、第１フィルタの第１キャパシタンス素子Ｃ１を構成した。インダクタンス素子Ｌ１を形成するパターン電極は、ミアンダライン、スパイラルライン等であっても良いが、本発明の構成によれば線路長をより短く出来、インダクタンス素子Ｌ１を小型に形成できるので好ましい。
なお、絶縁体層６に形成された電極パターンＣ４ｄと、絶縁体層５の電極パターンＬ１ａとの間で、浮遊容量を形成しないように間隔をあけ、およそ７５μｍの間隔をもって配置している。また、前記電極パターンＬ１ａ〜Ｌ１ｃを含め、本発明の分波器を構成する電極パターンは、積層体のなかで、フィルタやスイッチを構成する電極パターンと互いに積層方向に重ならないように水平方向の別領域に積み重ねて形成している。このような構成により、他の回路素子を構成する電極パターンとの干渉を防ぎ、不要な浮遊容量を極力生じないようにし、第１直列共振回路、第２直列共振回路、並列共振回路のそれぞれの共振周波数が所望の周波数から変動することによる挿入損失の劣化を防いでいる。

このように形成された積層体を約９００℃で焼成し、さらに積層体の外表面に形成したパターン電極（ランド電極）にダイオード、チップコンデンサ、チップインダクタ等のチップ部品を実装して５４４０サイズの高周波複合部品を作成した。
この高周波複合部品を用い、ＧＳＭＴＸからアンテナ間、ＤＣＳ／ＰＣＳＴＸからアンテナ間について、挿入損失の周波数特性を評価した。ＧＳＭ９００の周波数帯域では挿入損失が０．９ｄＢであり、その２〜３倍の周波数帯域では２５ｄＢ以上の減衰量が得られた。また、ＧＳＭ８５０（送信周波数８２４〜８４９ＭＨｚ、受信周波数８６９〜８９４ＭＨｚ）の周波数帯域でも挿入損失が０．９ｄＢであり、その２〜３倍の周波数帯域でも２５ｄＢ以上の減衰量が得られた。このことより、ＧＳＭ８５０／ＧＳＭ９００の周波数帯域に対応した高周波複合部品も得ることができる。一方、ＤＣＳ１８００／ＰＣＳ１９００の周波数帯域では挿入損失が１．１ｄＢであり、その２〜３倍の周波数帯域でも２５ｄＢ以上の減衰量が得られ、広帯域にわたって大きな減衰量を得ることできた。

本発明によれば、積層構造により分波器を構成し、しかも、並列共振回路を構成するキャパシタンス素子を、前記並列共振回路のインダクタンス素子を形成する電極パターン間に生じる浮遊容量で構成するため、パターン電極の増加を抑えながら、小型で分波特性、挿入損失特性が良好な分波器とこれを用いた高周波複合部品を得ることが出来、もってマルチバンド携帯電話の小型・高性能化に寄与するものである。

本発明の一実施例に係る分波器の等価回路である。本発明の分波器を用いて構成されるマルチバンド携帯電話のフロントエンド部の等価回路である。図２のフロントエンド部を積層体に構成した高周波複合部品の斜視図である。図３の積層体の内部構造を示す分解斜視図である。本発明の一実施例に係る分波器を構成する電極パターンの部分平面図である。従来の分波器の等価回路である。

符号の説明

１分波器
１００積層体
ＬＰＦ１、ＬＰＦ２フィルタ回路
ＳＷ１，ＳＷ２スイッチ回路

Claims

周波数の異なる少なくとも２つの通信システムの高周波信号を分波する分波器であって、
第１ポートと第２ポートとの間に接続され、第１の周波数帯域を通過周波数帯域とする第１フィルタと、第１ポートと第３ポートとの間に接続され、第２の周波数帯域を通過周波数帯域とする第２フィルタとを備え、
前記第１フィルタは、第１ポートと第２ポートとの間に接続された第１インダクタンス素子と、前記第１インダクタンス素子と並列接続し並列共振回路を形成する第１キャパシタンス素子と、前記第１インダクタンス素子の第２ポート側とグランドとの間に配置され、第２インダクタンス素子及び第２キャパシタンス素子を備えた第１直列共振回路を備え、
前記第２フィルタは、第１ポートと第３ポートとの間に接続された第３キャパシタンス素子と、前記第３キャパシタンス素子と直列接続される第４キャパシタンス素子と、前記第３キャパシタンス素子と第４キャパシタンス素子との接続点とグランドとの間に配置され、第３インダクタンス素子及び第５キャパシタンス素子を備えた第２直列共振回路を有し、
前記第１から第３インダクタンス素子と、第２から第５キャパシタンス素子とは、積層体に形成された電極パターンにより構成され、
前記第１キャパシタンス素子は、異なる誘電体層に形成された前記第１インダクタンス素子を構成する１ターン未満の電極パターン間を、他の電極パターンとの間よりも積層方向に近接させて生じた浮遊容量のみで形成され、
前記第３及び前記第４キャパシタンス素子の電極パターンが前記第１インダクタンス素子を構成する電極パターンと積層方向に重なり、誘電体層を介して隣り合う前記第１インダクタンス素子の電極パターンと前記第３キャパシタンス素子の電極パターンとを、少なくとも７５μｍの間隔をもって配置したことを特徴とする分波器。
前記第１直列共振回路は、第２の周波数帯域内に減衰極を有し、
前記並列共振回路は、第１の周波数帯域の２．５〜３倍の周波数帯域内に減衰極を有し、
前記第２直列共振回路は、第１の周波数帯域内に減衰極を有することを特徴とする請求項１に記載の分波器。
前記第２ポートにフィルタ回路或いはスイッチ回路を接続し、及び／又は前記第３ポートに他のフィルタ回路或いは他のスイッチ回路を接続してなり、前記フィルタ回路、スイッチ回路は前記積層体に分波器とともに構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波複合部品。