(57)【要約】  【課題】送信用電力増幅素子と弾性表面波フィルタを含む高周波増幅回路に関し、予想できる温度変化をもとに弾性表面波フィルタの周波数特性をあらかじめ調整することにより、携帯無線端末の動作時の性能を確保する。  【解決手段】電力増幅素子稼動時における当該電力増幅素子からの距離と温度の関係を測定し、弾性表面波フィルタの実装位置を決めることにより実際に動作時の弾性表面波フィルタの温度上昇ΔＴを算出する。この温度上昇ΔＴに応じた周波数の下方変化−Δｆ／ｆを見込んで、弾性表面波フィルタの周波数特性をあらかじめ高く設計する。【選択図】図５
2005117423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板上に送信用電力増幅素子と弾性表面波フィルタとを実装してなる高周波増幅回路において、
送信用電力増幅素子の発熱に伴って予想される弾性表面波フィルタの温度上昇に応じて、弾性表面波フィルタの周波数特性を、要求される設計値よりも高く設定していることを特徴とする高周波増幅回路。
【請求項２】
前記弾性表面波フィルタの周波数特性が、弾性表面波フィルタの通過帯域特性であり、この通過帯域の高周波端が、要求される設計値よりも高く設定されている請求項１の高周波増幅回路。
【請求項３】
前記弾性表面波フィルタの周波数特性が、弾性表面波フィルタの阻止帯域特性であり、この阻止帯域の高周波端が、要求される設計値よりも高く設定されている請求項１の高周波増幅回路。
【請求項４】
送信用電力増幅素子からの距離に応じて、その発熱に伴う弾性表面波フィルタの温度上昇が予想されている請求項１〜請求項３のいずれかに記載の高周波増幅回路。
【請求項５】
弾性表面波フィルタが、誘電体基板上に複数実装され、送信用電力増幅素子からの各距離に応じて、その発熱に伴う弾性表面波フィルタの温度上昇が予想されている請求項１〜請求項３のいずれかに記載の高周波増幅回路。
【請求項６】
前記請求項１〜請求項５のいずれかに記載の高周波増幅回路を搭載する無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送信用電力増幅素子と弾性表面波フィルタとを含む高周波増幅回路、及びそれを搭載したシングルバンド又はデュアルバンド用移動無線端末などの無線通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯無線端末の送受信系の各々周波数を選択するフィルタとして、弾性表面波フィルタ（以下「ＳＡＷ」フィルタという）を採用している例が多く見られる。このＳＡＷフィルタを用いると、従来の誘電体共振器を用いたフィルタ等よりも小型化が実現できるので、携帯無線端末の小型化、高機能化を進めることができる。
さらに、１つの送受信系を採用している通常の携帯無線端末に対し、ＧＳＭ／ＤＣＳ（８５０ＭＨｚ帯／１８００ＭＨｚ帯）などのデュアルバンド方式を採用した携帯無線端末が提案されている。デュアルバンド方式の携帯無線端末は、１台の携帯無線端末内に２つの違った周波数帯の送受信系を搭載するもので、地域性や使用目的等に合った送受信系を選択して送信することができるようにした利便性の高い機器として期待されている。
【特許文献１】特開２００３−８４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような携帯無線端末では、各々部品の小型化と高密度実装化が望まれている。しかし、高密度実装化により送信用電力増幅素子の発熱による他の部品の温度上昇が、部品の電気特性に影響を及ぼし、さらには携帯無線端末の通話品質の劣化を引き起こす恐れがある。
ＳＡＷフィルタは、図７に示すように、送信用電力増幅素子の発熱によって温度が高くなると周波数が低くなる温度特性を有している。
【０００４】
図８は、送信用電力増幅素子動作時（発熱時）と非動作時（非発熱時）における、ＳＡＷフィルタの周波数特性の違いを示すグラフである。発熱時には、ＳＡＷフィルタの周波数特性は、非発熱時と比べて、周波数が低くなるほうに推移している。
そこで本発明は、予想される温度上昇に基づいて、ＳＡＷフィルタの周波数特性を調整することにより、送信用電力増幅素子を含む高周波増幅回路の動作時の性能を確保することを目的とする。
【０００５】
さらには、当該高周波増幅回路を搭載した無線通信装置の温度性能を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の高周波増幅回路は、誘電体基板上に送信用電力増幅素子と弾性表面波フィルタとを実装してなる高周波増幅回路において、送信用電力増幅素子の発熱に伴って予想される弾性表面波フィルタの温度上昇に応じて、弾性表面波フィルタの周波数特性を、要求される設計値よりも高く設定していることを特徴とする。
高周波増幅回路は、特定の温度範囲での動作保証が要求されるので、ＳＡＷフィルタについても、同じ温度環境下での動作保証がなされなければならない。
【０００７】
前記温度範囲の上限温度Ｔの環境に置いた高周波増幅回路の動作時に、ＳＡＷフィルタの実際の温度は、電力増幅素子から発生する熱のため、さらに上昇する。この上昇分をΔＴとする。したがって、ＳＡＷフィルタは、この温度に基づいた周波数特性の設計が必要となる。
ＳＡＷフィルタの温度係数をｋ（ｐｐｍ／℃）としたとき、温度変化ΔＴ（℃）による周波数の変化率Δｆ／ｆ（ｐｐｍ）は
Δｆ／ｆ＝ｋ・ΔＴ        ・・・・・・・・（１）
で求められる。一般的にＳＡＷフィルタの温度係数ｋは負の値となる。
【０００８】
したがって、ＳＡＷフィルタの周波数特性を、要求される設計値よりも前記Δｆ／ｆの分だけあらかじめ高く設計する。これにより、高周波増幅回路は、特定の温度範囲での動作を確実に行わせることができるようになる。
前記弾性表面波フィルタが帯域通過フィルタである場合、この通過帯域の高周波端を、要求される設計値よりも高く設定すればよい。通過帯域の低周波端は、温度上昇があっても低周波側（安全側）に移動するので、特に設計を変える必要はない。
【０００９】
前記弾性表面波フィルタが帯域阻止フィルタである場合、阻止帯域の高周波端を要求される設計値よりも高く設定すればよい。阻止帯域の低周波端は、温度上昇があっても低周波側（安全側）に移動するので、特に設計を変える必要はない。
送信用電力増幅素子の発熱に伴う弾性表面波フィルタの温度上昇は、送信用電力増幅素子からの距離に応じて容易に予想することができる。
【００１０】
また、弾性表面波フィルタが、誘電体基板上に複数実装される場合は、送信用電力増幅素子から弾性表面波フィルタまでの各距離に応じて、その発熱に伴う各弾性表面波フィルタの温度上昇を予想することができる。
また本発明は、上に説明した高周波増幅回路を搭載する携帯電話機などの無線通信装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明によれば、予想される温度上昇に基づいて、ＳＡＷフィルタの周波数特性を調整することにより、ＳＡＷフィルタの配置を特に変更することなく、送信用電力増幅素子を含む高周波増幅回路の動作時の性能を、要求される温度範囲内において確保することができる。
また、この高周波増幅回路を搭載した無線通信装置においても、その周波数性能を容易に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る高周波増幅回路のブロック図であり、本発明の高周波増幅回路１は、１つの共通アンテナ端子ＡＮＴに接続される送受信系から構成される。
送受信系は、１又は複数の周波数帯の高周波信号を送受信する。周波数帯としては例えば、ＧＳＭ８５０方式（８５０ＭＨｚ帯）、ＧＳＭ９００方式（９００ＭＨｚ帯）、ＤＣＳ方式（１８００ＭＨｚ帯）、ＰＣＳ方式（１９００ＭＨｚ帯）が例示される。
【００１３】
高周波増幅回路１の受信系は、受信された信号を通過させる受信用ＳＡＷフィルタ１２と、アンテナと受信用ＳＡＷフィルタ１２との入力インピーダンス整合をとる整合回路１１とを備えている。
送信系は、送信信号の波形を整形するための帯域通過（帯域外阻止）用ＳＡＷフィルタ１６と、送信信号を増幅する高周波電力増幅回路１５と、高周波電力増幅回路１５の出力に比例したモニタ信号を取り出す方向性結合器１４と、送信用ＳＡＷフィルタ１３とを備えている。
【００１４】
前記帯域通過用ＳＡＷフィルタ１６、受信用ＳＡＷフィルタ１２、送信用ＳＡＷフィルタ１３は、ＢａＴｉＯ3，ＬｉＴａＯ3，ＬｉＮｂＯ3などの圧電性焦電体基板の上にくし型電極を配置して、高周波のフィルタ機能を持たせた素子である。
前記帯域通過用ＳＡＷフィルタ１６と、送信用ＳＡＷフィルタ１３と、受信用ＳＡＷフィルタ１２とは、これらの協働により、送信信号が受信系に流れ込むのを阻止する機能を実現する。
【００１５】
なお図１には示していないが、高周波電力増幅回路１５の内部には、電力増幅素子が備えられ、さらにこの電力増幅素子の出力インピーダンス（０．５〜２Ω程度）と方向性結合器１４の入力インピーダンス（３０〜５０Ω程度）とのインピーダンス整合を行うための整合回路が備えられている。この整合回路は、高周波電力増幅回路１５から発生する高調波不要信号を低減するという機能も有する。
【００１６】
さらに、方向性結合器１４から取り出したモニタ信号に応じて前記電力増幅素子の出力パワーが制御される（オートパワーコントロール機能）。
なお、方向性結合器１４を備えず、その代わりに前記整合回路を構成する分布定数線路の一部からモニタ信号を取り出す方法を採用しても良い。
前記高周波電力増幅回路１５は、高周波モジュール１の小型化、高効率化を図るために、ＨＢＴ（ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ）構造を有する高周波モノリシックＧａＡｓ半導体電力増幅素子で形成されている。さらに、ＨＢＴ高周波モノリシックＧａＡｓ半導体電力増幅素子に代えて、Ｐ−ＨＥＭＴ（Pseudomorphic HEMT）構造を用いた電力増幅素子を採用しても良い。また、ＧａＡｓに代えて、ＩｎＧａＰ（インジウムガリウム砒素）またはＳｉ（シリコン）等を半導体材料として用いてもよい。
【００１７】
前記整合回路は高周波電力増幅回路１５の内に形成してもよく、高周波電力増幅回路１５の外に形成してもよい。
図２は、本発明に係る高周波増幅回路１を具備する高周波モジュールの平面図（ａ）及びＸ−Ｘ線断面図（ｂ）である。
高周波モジュールは、誘電体基板２２の表面又は裏面に前記電力増幅素子（番号２１で示す）と、帯域通過用ＳＡＷフィルタ１６と、受信用ＳＡＷフィルタ１２と、送信用ＳＡＷフィルタ１３とが配置された構造になっている。そして、その誘電体基板２２に、方向性結合器１４、整合回路１１などが内装されている。さらに誘電体基板２２の上部は、樹脂モールド２５で保護されている。
【００１８】
前記電力増幅素子２１と、帯域通過用ＳＡＷフィルタ１６と、受信用ＳＡＷフィルタ１２と、送信用ＳＡＷフィルタ１３との位置関係は、図２では電力増幅素子２１と送信用ＳＡＷフィルタ１３とが対角上に配置されたものとなっているが、この配置は、信号伝送経路の都合に応じて決定されるものであり、本発明はこの配置に限られるものではなく、他のパターンで配置してもよい。
【００１９】
高周波モジュールの全体は、携帯無線端末など無線通信装置のマザーボード２３に装着されている。
誘電体基板２２は、複数の誘電体層を重ねた構造を有する。誘電体層は、例えば、ガラスエポキシ樹脂などの有機系誘電体層に対して、銅箔などの導体によって導体パターンを形成し、重ねて熱硬化したもの、又は、セラミック材料などの無機系誘電体層に種々の導体パターンを形成し、積層後同時に焼成したものが用いられる。
【００２０】
特に、セラミック材料を用いれば、セラミック誘電体の比誘電率は通常９から２５と、樹脂基板に比べて高いので、誘電体層を薄くでき、誘電体層に内装された回路の素子のサイズを小さくできる。
とりわけ、ガラスセラミックスなどの低温で焼成が可能なセラミック材料を用いると、導体パターンを低抵抗の銅、銀などによって形成することができるので望ましい。
【００２１】
そして、各誘電体層には複数の層にわたって回路を接続するために必要なビアホール導体が縦方向に形成されている。ビアホール導体は誘電体層に形成された貫通孔にメッキ処理するか、導体ペーストを充填するかして形成される。
誘電体基板２２には、図２に示すように、電力増幅素子２１を搭載した部分の下に、電力増幅素子２１から発生する熱を逃がすためのサーマルビア２４が配置されている。サーマルビア２４は、誘電体基板２２を上から下まで貫通するビアホール導体であり、熱伝導の機能のために、特に断面積が大きめに形成されている。
【００２２】
また、マザーボード２３にも、発熱をケース（図示せず）に逃がすためのサーマルビア２６が貫通形成されている。
ここで、寸法を例示すると、誘電体基板２２は、縦横５ｍｍ×８ｍｍ、その厚みは樹脂モールド２５を含めて１．５ｍｍである。マザーボード２３の厚みは２ｍｍである。ただし、この寸法は一例であり、本発明は、これに限定されるものではないのはもちろんである。
【００２３】
電力増幅素子２１と、帯域通過用ＳＡＷフィルタ１６との距離をＤ１で示し、電力増幅素子２１と受信用ＳＡＷフィルタ１２との距離をＤ２で示す。
図３は、マザーボード２３及びその上に搭載された高周波モジュールおける誘電体基板２２上のシミュレーション温度分布モデルを示す断面図である。誘電体基板２２の材料は、熱伝導率がガラスエポキシ樹脂よりも優れるガラスセラミックスを想定している。図３の矢印は、熱の伝導方向を示し、電力増幅素子２１が発熱したときに、高周波モジュール内部及びマザーボード内部を放射状に熱が伝導することを示している。
【００２４】
電力増幅素子２１で発生した熱は、一部サーマルビア２４を介してマザーボード２３へ伝導するが、マザーボード２３へ伝導しなかった熱は、ガラスセラミックス誘電体基板２２上を伝導し、帯域通過用ＳＡＷフィルタ１６や、受信用ＳＡＷフィルタ１２や、送信用ＳＡＷフィルタ１３に到達する。このため、ＳＡＷフィルタの温度は、周囲よりも上昇する。
【実施例】
【００２５】
高周波モジュールをマザーボード２３に搭載し、マザーボード２３を携帯無線端末の筐体に格納した状態で、高周波増幅回路を駆動し、誘電体基板の上面の温度を測定したところ、図４のようになった。
図４の横軸は電力増幅素子２１からの距離、縦軸は誘電体基板２２上の温度をとっている。白抜きはガラスセラミックス誘電体基板、黒丸はガラスエポキシ誘電体基板を用いた場合の温度分布を示す。室温は２５℃である。このように基板材料によって、温度と距離の関係に少しの差が出る。
【００２６】
電力増幅素子２１の上面の温度は、ガラスセラミック誘電体基板の場合９８℃、ガラスエポキシ誘電体基板の場合１０７℃である。電力増幅素子２１と、ＳＡＷフィルタとの距離Ｄ１が２ｍｍの場合、ＳＡＷフィルタ表面の温度は約５５℃であり、ＳＡＷフィルタとの距離Ｄ２が４ｍｍの場合、ＳＡＷフィルタ表面の温度は約５０℃であった。したがって、距離Ｄ１＝２ｍｍの場合、室温（２５℃）に対する温度上昇ΔＴは＋３０℃、距離Ｄ２＝４ｍｍの場合、室温に対する温度上昇ΔＴは＋２５℃である。
【００２７】
このグラフから、ＳＡＷフィルタの実装位置を決めることにより、実際の動作時の温度上昇ΔＴ（℃）がいくらになるか算出できる。なお温度上昇ΔＴが急激にならないように配慮するならば、電力増幅素子からの距離Ｄ１，Ｄ２は、最低１ｍｍ、好ましくは２ｍｍ以上必要であると判断できる。
図５を参照して、ＳＡＷフィルタの通過帯域の設計例を説明する。
【００２８】
携帯無線端末に要求される動作環境温度は、−２０℃〜６０℃であるとする。
ガラスエポキシ基板に電力増幅素子とＳＡＷフィルタを実装することを前提として、電力増幅素子からの距離Ｄを４ｍｍとすると、上述したように、ＳＡＷフィルタの温度は５０℃になり、室温（２５℃）からの温度上昇ΔＴ＝２５℃である。
次に、ＳＡＷフィルタの温度係数をｋ（ｐｐｍ／℃）としたとき、温度変化による周波数の変化率Δｆ／ｆ（ｐｐｍ）は、図７のグラフより、
Δｆ／ｆ＝ｋ・ΔＴ
で求められる。
【００２９】
具体的には、ＳＡＷフィルタの周波数変化率対温度の特性は、図７のグラフより、ｋ＝−３６ｐｐｍ／℃である。これにより、ΔＴ＝２５℃に対応する周波数変化率Δｆ／ｆ＝−３６×２５＝−９００ｐｐｍとなる。
このＳＡＷフィルタが、ＣＤＭＡ方式の携帯端末機に使用するアンテナ分波受信用フィルタ１２である場合、その要求される通過帯域は、
８６９〜８９４ＭＨｚ
である。
【００３０】
よってＳＡＷフィルタの通過帯域の設計値は、温度上昇ΔＴを考慮すれば、高域側の端を９００ｐｐｍだけ上昇させて、
８６９．０〜８９４．８ＭＨｚ
とする（８９４×１．０００９＝８９４．８）。なお、ＳＡＷフィルタの温度係数ｋは負であるため、高域側の帯域幅のみ広くしている。このことから通過帯域の中心周波数は８８１．５ＭＨｚより０．４ＭＨｚ高く、８８１．９ＭＨｚとなる。
【００３１】
ＳＡＷフィルタが電力増幅素子から２．０ｍｍの位置に実装する場合は、ΔＴ＝３０℃であり、周波数変化率Δｆ／ｆ＝−１０８０ｐｐｍとなるので、アンテナ分波受信用フィルタの通過帯域の設計値は、８６９．０〜８９５．０ＭＨｚとなる（８９４×１．００１０８＝８９５．０）。
図６は、ＳＡＷフィルタの阻止域の設計例を示す。このＳＡＷフィルタが、ＣＤＭＡ方式の携帯端末機に使用するアンテナ分波受信用ＳＡＷフィルタ１２である場合、要求される阻止域は８２４−８４９ＭＨｚであるため、前述したのと同様に阻止域の上端を９００ｐｐｍだけ上昇させて、阻止域の設計値を、８２４．０〜８４９．８ＭＨｚとする。
【００３２】
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、本発明をＧＳＭ／ＤＣＳ方式などのデュアルバンド方式の携帯電話機に適用してもよく、この場合は電力増幅素子が２つ実装されるので、発熱源が２つになる。この場合は、ＳＡＷフィルタは、２つの発熱源からの温度上昇に基づいて周波数帯域の設計を行う必要がある。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】携帯無線端末のフロントエンド部（高周波増幅回路）のブロック図である。
【図２】同高周波増幅回路を実装した高周波モジュールの平面図（ａ）及びＸ−Ｘ線断面図（ｂ）である。
【図３】高周波モジュールをマザーボードに搭載した場合の、誘電体基板上の温度分布モデルを示す断面図である。
【図４】高周波モジュールをマザーボードに搭載し、マザーボードを携帯無線端末の筐体に格納した状態で高周波モジュールを駆動し、誘電体基板の上面の温度を測定した温度と、電力増幅素子からの距離との関係を示すグラフである。
【図５】ＳＡＷフィルタの通過帯域の設計例を説明するための周波数特性図である。
【図６】ＳＡＷフィルタの阻止域の設計例を説明するための周波数特性図である。
【図７】一般的なＳＡＷフィルタの周波数−温度特性を示すグラフである。
【図８】送信用電力増幅素子動作時（発熱時）と非動作時（非発熱時）における、ＳＡＷフィルタの周波数特性の違いを示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  高周波モジュール
１１  整合回路
１２  受信用ＳＡＷフィルタ
１３  送信用ＳＡＷフィルタ
１４  方向性結合器
１５  高周波電力増幅回路
１６  帯域通過用ＳＡＷフィルタ
２１  電力増幅素子
２２  誘電体基板
２３  無線通信装置のマザーボード
２４，２６  サーマルビア
２５  樹脂モールド
【図１】
2005117423.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005117423.tif 000008
【図７】
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【図８】
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