CN101740869B - 集成化的mimo系统基站多天线和多工器模组装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，该装置电路中包括贴片天线组、共面波导馈电电路、高介电常数的微波陶瓷介质基板、共面波导馈电电路接地层和FBAR集成多工器；在集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置结构上，所述的贴片天线组和共面波导馈电电路位于高介电常数的微波陶瓷介质基板的顶面，共面波导馈电电路接地层和FBAR集成多工器位于高介电常数的微波陶瓷介质基板的底面，其中FBAR集成多工器和共面波导馈电电路接地层在共面波导馈电电路正下方位置；贴片天线组通过共面波导馈电电路与FBAR集成多工器连接。本发明降低了传输损耗，实现了MIMO系统基站的天线和多工器模组的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信领域中的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置。
背景技术
射频滤波器是无线电技术中许多设计问题的中心，已经成为无线通信领域研究的热门话题之一。随着无线通信技术的进展，特别是多输入多输出MIMO通信系统的发展和应用，促使射频前端的更多模块趋于小型化和集成化。传统的射频滤波器主要有介质滤波器和声表面滤波器。介质滤波器虽然具有插入损耗低，功率容量大的优点，但存在的缺点是体积过大，无法实现小型化设计。与介质滤波器相比，声表面滤波器可以做得比较小，但其受光刻工艺的限制，同时在高频率下难以承受高功率，且插入损耗大。FBAR射频滤波器技术可以满足小型化和集成化设计的要求，与传统滤波器相比，具有更优越的性能，越来越被人们所关注，为将射频滤波器集成到芯片内开辟了新的途径。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，以克服现有技术存在的体积过大、传输损耗大等不足。
本发明采取以下技术方案：它包括
贴片天线组，由一组贴片天线构成，用于接收空间讯号；
共面波导馈电电路，即供电电路，用于提供电源，和天线进行阻抗匹配；
高介电常数的微波陶瓷介质基板，用于承载贴片天线组和共面波导馈电电路，为FBAR集成多工器粘合载体；
共面波导馈电电路接地层，为共面波导的铺地层，用于隔离共面波导信号的干扰，为高介电常数的微波陶瓷介质基板增加屏蔽底层；
FBAR集成多工器，是多个FBAR双工器的集成，用于把各种制式和频段的讯号进行隔离，保证宽带通信；
所述的贴片天线组和共面波导馈电电路位于高介电常数的微波陶瓷介质基板的顶面，共面波导馈电电路接地层和FBAR集成多工器位于高介电常数的微波陶瓷介质基板的底面，其中FBAR集成多工器和共面波导馈电电路接地层在共面波导馈电电路正下方位置；
所述的贴片天线组通过共面波导馈电电路与FBAR集成多工器连接。
所述的FBAR集成多工器包含有有2个以上的FBAR双工器。
所述的贴片天线组包含有2个以上的贴片天线。
所述的FBAR双工器包含有FBAR滤波器和匹配电路；FBAR滤波器包含FBAR接收滤波器、FBAR发射滤波器。FBAR接收滤波器和FBAR发射滤波器各自分别谐振于无线通信发射频段和接收频段，其作用是将发射和接收讯号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作。
所述的FBAR滤波器所述的FBAR滤波器分为串联谐振型和并联谐振型。FBAR滤波器的作用是利用FBAR的串联谐振特性和并联谐振特性的并联和串联组合，构成接收频段的通带特性和发射频段的通带特性。
所述的FBAR包含金属上电极、金属下电极、氮化铝层和硅衬底，共同构成FBAR的“三明治”式结构，其中氮化铝层位于金属上电极、金属下电极之间，硅衬底位于金属下电极的下面；FBAR的作用是形成谐振效应。
所述的贴片天线组的馈电方式有基于并馈连接结构的馈电方式和基于串馈连接结构的馈电方式。
采用并馈结构的贴片天线组，其中各贴片天线都独立馈电。利用微带线灵活的版图设计方法可设计出从输入端至各单元都等长，全部单元同相的贴片天线组，形成边射波束，拓宽频带；也可以设计成分布式阵列，利用接收和发射电路模块直接馈电。
采用串馈结构的贴片天线组，其中各贴片天线沿一传输线排列，天线的馈源为驻波馈源或行波馈源。
驻波馈源方式的贴片天线组沿线每个贴片天线相距半个线上波长的整数倍距离，以保证对各贴片天线同相馈电，波速指向边射方向。其终端短路或者开路，沿线形成驻波分布，可用周期性加载的传输线来表示这种馈源，频带相对较窄。
行波馈源方式的贴片天线组，从输入端对传输线馈电后，沿线每个贴片天线都耦合一部分功率，最后剩下的小部分功率由终端匹配负载吸收。为了避免反射波同相叠加，各贴片天线的间隔距离不是半个线上波长的整数倍距离。此时波束不是指向边射方向，阻抗频带宽，主波束随频率偏移。
所述的贴片天线可以是微带贴片天线、偶极子天线等类型天线。
所述的FBAR集成多工器所使用的FBAR，可以是背面刻蚀型FBAR、表面气囊型FBAR或布拉格反射型FBAR。
所述的FBAR集成多工器所使用的FBAR的工作模式，可以是纵波模式或者剪切波模式。
本发明的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置工作时，分接收和发射两种模式。
接收模式时，由贴片天线组接收到无线讯号。接收讯号通过不同特征频段的微带天线，连接到共面波导馈电电路，之后输入到FBAR集成多工器中。接收讯号进入不同的FBAR双工器进行不同制式、不同频段讯号的隔离和分配，通过匹配电路后，在相应制式和相应收发频段中，由FBAR双工器中的接收滤波器和发射滤波器进行收发频段的隔离和通道选择，从而完成了MIMO系统基站多天线和多工器模组装置的讯号接收过程。
发射模式时，发射讯号输入到FBAR集成多工器中，通过FBAR双工器中的接收滤波器和发射滤波器进行收发频段的隔离和通道选择。在相应制式和相应收发频段中，发射讯号通过匹配电路后，进入不同的FBAR双工器进行不同制式、不同频段讯号的隔离和分配，之后连接到共面波导馈电电路，进入贴片天线组，通过不同特征频段的微带天线向空间发射，从而完成了MIMO系统基站多天线和多工器模组装置的讯号接收过程。
本发明优点及效果如下：
由于采用了高介电常数的微波陶瓷介质基板，从而减小了电路尺寸，降低了传输损耗。
由于采用了薄膜体声腔谐振器构成的多工器，在保证功率承载容量的前提下，多工器的Q值提高一个数量级，带内插入损耗降低到2.5dB以下，带外抑制增加至50dB以上，FBAR双工器尺寸减小到传统双工器尺寸的五分之一以下，同时FBAR具备与多种半导体制造工艺的兼容性，有利于整体电路的集成化。
由于采用了高介电常数介质基板背面粘合FBAR集成多工器的三维立体封装结构，贴片天线组和FBAR集成多工器一体化集成技术，实现了MIMO系统基站的天线和多工器模组的小型化，同时又解决了散热问题，减少了色散影响。
MIMO系统基站多天线和多工器模组集成了贴片天线组、共面波导馈电电路、高介电常数的微波陶瓷介质基板、FBAR集成多工器和共面波导馈电电路接地层。贴片天线组所对应的微波陶瓷介质基板底面空间是空白的，这样可以提高天线增益；共面波导馈电电路和共面波导馈电电路接地层的处于微波陶瓷介质基板顶面和底面的对应位置，这是共面波导特性所要求的；FBAR集成多工器位置选择在相对远离贴片天线组而接近共面波导馈电电路接地层。这样的位置安排有三个优点：一是共面波导馈电电路接地层对FBAR集成多工器形成屏蔽层，可以减少FBAR集成多工器工作时的底层面的外界干扰和空间损耗；二是顶层共面波导馈电电路的接地部分在满足共面波导传输要求的同时，对FBAR集成多工器形成屏蔽层，可以减少FBAR集成多工器工作时的顶层面的外界干扰和空间损耗；三是共面波导馈电电路和共面波导馈电电路接地层在空间上对贴片天线组和FBAR集成多工器形成隔离，避免了共面串扰，这样会减少FBAR集成多工器的带内插损，提高FBAR集成多工器内部滤波器之间的抑制度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是FBAR集成多工器和贴片天线组连接示意图；
图3是FBAR双工器结构示意图；
图4是FBAR集成多工器结构示意图；
图5是FBAR滤波器结构示意图；
图6是FBAR结构示意图；
图7是并馈结构的FBAR集成多工器结构示意图；
图8是串馈结构的FBAR集成多工器结构示意图；
图9是应用于PCS频段和Cellular频段的MIMO系统基站多天线和FBAR多工器示意图。
具体实施方式
本发明的实施例：本发明的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，其中MIMO为Multiple-Input Multiple-Out，意为多输入多输出。该装置的电路基本组成有贴片天线组、共面波导馈电电路、高介电常数的微波陶瓷介质基板、共面波导馈电电路接地层和FBAR集成多工器。其中FBAR为Film Bulk Acoustic Wave Resonator，即薄膜体声腔谐振器。
本发明的结构如图1所示意。在一种集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置结构上，所述的贴片天线组和共面波导馈电电路位于高介电常数的微波陶瓷介质基板的顶面，共面波导馈电电路接地层和FBAR集成多工器位于高介电常数的微波陶瓷介质基板的底面，其中FBAR集成多工器和共面波导馈电电路接地层在共面波导馈电电路正下方位置；
贴片天线组通过共面波导馈电电路与FBAR集成多工器连接。
其中各部分的组成及作用如下：
贴片天线组：由一组贴片天线构成，其作用是接收空间讯号。贴片天线制作工艺简易，体积小，重量轻，成本低，易于大批量生产；平面结构，与微波毫米波无源电路、有源电路以及集成电路的兼容性好；剖面厚度小，容易与各种电子系统的外壳共形；电路版图形状设计灵活，具有多频段多极化工作能力。贴片天线的增益一般只有6~8dB，为获得更大增益，同时也能满足实现特定方向性的要求，采用由贴片天线组成的贴片天线组，也称微带阵列天线。
共面波导馈电电路：MIMO系统基站多天线和多工器模组装置的供电电路，其作用是提供电源，和天线进行阻抗匹配，从而影响天线的带宽。采用共面波导馈电，具有低色散、良好的阻抗控制特性、易于与集总参数元件和有源元件实现集成的优点，而且也不需要额外分离的馈电基片。
高介电常数的微波陶瓷介质基板：高介电常数的微波陶瓷介质基板，制作材料选用包括BaO-(SmNdLa)2O3-Bi2O3-TiO2(介电常数91)和(CaMgNi)TiO3(介电常数21)的高介电常数的微波陶，其作用是承载贴片天线组和共面波导馈电电路，为FBAR集成多工器粘合载体。
共面波导馈电电路接地层：共面波导的铺地层，其作用是隔离共面波导信号的干扰，为高介电常数的微波陶瓷介质基板增加屏蔽底层。
FBAR集成多工器：由FBAR制作的多个双工器的集成，其作用是把各种制式和频段的讯号进行隔离，保证宽带通信。
所述的贴片天线组，由一组贴片天线构成，贴片天线可以是微带线贴片天线、偶极子天线等类型天线。由一组微带线贴片天线构成微带线贴片天线组。
所述的FBAR集成多工器所使用的FBAR，可以是背面刻蚀型FBAR、表面气囊型FBAR或布拉格反射型FBAR。
所述的FBAR集成多工器所使用的FBAR的工作模式，可以是纵波模式或者剪切波模式。
对于应用于1900MHz PCS频段和800MHz Cellular频段的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，1900MHz PCS频段：发射带宽为1850.5-1909.5MHz，接收带宽为1930.5-1989.5MHz；800MHz Cellular频段：发射带宽为824-849MHz，接收带宽为869-894MHz。
下面结合其他附图对本技术方案中的器件作进一步介绍。
所述的FBAR集成多工器包含有2个以上的FBAR双工器。图2中给出了4个FBAR双工器，即FBAR双工器1、FBAR双工器2、FBAR双工器3和FBAR双工器4。
所述的贴片天线组包含有2个以上的贴片天线。图2中给出了4个贴片天线，即微带线贴片天线1、微带线贴片天线2、微带线贴片天线3、微带线贴片天线4。
所述的FBAR双工器包含有FBAR接收滤波器、FBAR发射滤波器和匹配电路，参见图3。FBAR接收滤波器和FBAR发射滤波器各自分别谐振于无线通信发射频段和接收频段，其作用是将发射和接收讯号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作，参见图3、图4。
所述的FBAR滤波器所述的FBAR滤波器分为串联谐振型和并联谐振型，参见图5。其中串联谐振型包含有串联谐振型FBAR1、串联谐振型FBAR2和串联谐振型FBAR3，并联谐振型包含有并联谐振型FBAR1、并联谐振型FBAR2、并联谐振型FBAR3、并联谐振型FBAR4。FBAR滤波器的作用是利用FBAR的串联谐振特性和并联谐振特性的并联和串联组合，构成接收频段的通带特性和发射频段的通带特性。
所述的FBAR包含金属上电极、金属下电极、氮化铝层和硅衬底，共同构成FBAR的“三明治”式结构，即氮化铝层位于金属上电极、金属下电极之间，硅衬底位于金属下电极的下面，参见图6。其作用是形成谐振效应。
其中，所述的贴片天线组的馈电方式有基于并馈连接结构的馈电方式和基于串馈连接结构的馈电方式。
采用并馈结构的贴片天线组，参见图7。其中各贴片天线都独立馈电。利用微带线灵活的版图设计方法可设计出从输入端至各单元都等长，全部单元同相的贴片天线组，形成边射波束，拓宽频带；也可以设计成分布式阵列，利用接收和发射电路模块直接馈电。
采用串馈结构的贴片天线组，参见图8。其中各贴片天线沿一传输线排列，可以是驻波馈源，也可以是行波馈源。
驻波馈源方式的贴片天线组沿线每个贴片天线相距半个线上波长的整数倍距离，以保证对各贴片天线同相馈电，波速指向边射方向。其终端短路或者开路，沿线形成驻波分布，可用周期性加载的传输线来表示这种馈源，频带相对较窄。
行波馈源方式的贴片天线组，从输入端对传输线馈电后，沿线每个贴片天线都耦合一部分功率，最后剩下的小部分功率由终端匹配负载吸收。为了避免反射波同相叠加，各贴片天线的间隔距离不是半个线上波长的整数倍距离。此时波束不是指向边射方向，阻抗频带宽，主波束随频率偏移。
采用并馈结构的贴片天线组，参见图9，各贴片天线都独立馈电。利用微带线灵活的版图设计方法可设计出从输入端至各单元都等长，全部单元同相的贴片天线组，形成边射波束，拓宽频带；也可以设计成分布式阵列，利用接收和发射电路模块直接馈电。图9中，FBAR集成多工器包含有PCS频段双工器和Cellular频段双工器，贴片天线为PCS频段微带线贴片天线和Cellular频段微带线贴片天线。
所述的PCS频段双工器包含有PCS频段FBAR接收滤波器、PCS频段FBAR发射滤波器和PCS频段匹配电路，参见图9。PCS频段FBAR接收滤波器和PCS频段FBAR发射滤波器各自分别谐振于PCS频段发射频段和接收频段，其作用是将发射和接收讯号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作。
所述的微带线贴片天线组包含PCS频段微带线贴片天线和Cellular频段微带线贴片天线，参见图9，其作用是接收空间PCS频段讯号和Cellular频段讯号。
所述的PCS频段匹配电路包含三段1/4波长微带线，其作用是阻抗匹配。
所述的Cellular频段匹配电路包含三段1/4波长微带线，其作用是阻抗匹配。
工作时，分接收和发射两种模式。
接收模式时，由微带线贴片天线组接收到空间PCS频段讯号和Cellular频段讯号。空间PCS频段讯号和Cellular频段讯号通过不同特征频段的微带天线，连接到共面波导馈电电路，之后输入到FBAR集成多工器中。空间PCS频段讯号和Cellular频段讯号分别进入PCS频段FBAR双工器和Cellular频段FBAR双工器进行PCS频段和Cellular频段讯号的隔离和分配，分别通过PCS频段和Cellular频段匹配电路后，在PCS制式和Cellular制式与相应收发频段中，由PCS频段FBAR双工器和Cellular频段FBAR双工器中的接收滤波器和发射滤波器进行收发频段的隔离和通道选择，从而完成了MIMO系统基站多天线和多工器模组装置的讯号接收过程。
发射模式时，待发射的PCS频段讯号和Cellular频段讯号分别输入到PCS频段FBAR双工器和Cellular频段FBAR双工器中，通过PCS频段FBAR双工器和Cellular频段FBAR双工器中的PCS频段和Cellular频段的接收滤波器和发射滤波器进行收发频段的隔离和通道选择。在PCS制式和Cellular制式与相应收发频段中，PCS频段讯号和Cellular频段讯号分别通过PCS频段和Cellular频段的匹配电路后，进入PCS频段FBAR双工器和Cellular频段FBAR双工器进行PCS制式和Cellular制式、PCS频段讯号和Cellular频段讯号的隔离和分配，之后连接到共面波导馈电电路，进入微带线贴片天线组，通过PCS频段和Cellular频段的微带天线向空间发射，从而完成了MIMO系统基站多天线和多工器模组装置的讯号接收过程。
Claims (10)
1.一种集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，其特征在于：它包括
贴片天线组，由一组贴片天线构成，用于接收空间讯号；
共面波导馈电电路，即供电电路，用于提供电源，和天线进行阻抗匹配；
高介电常数的微波陶瓷介质基板，用于承载贴片天线组和共面波导馈电电路，为薄膜体声腔谐振器FBAR集成多工器粘合载体；
共面波导馈电电路接地层，为共面波导的铺地层，用于隔离共面波导信号的干扰，为高介电常数的微波陶瓷介质基板增加屏蔽底层；
薄膜体声腔谐振器FBAR集成多工器，是多个薄膜体声腔谐振器FBAR双工器的集成，用于把各种制式和频段的讯号进行隔离，保证宽带通信；
所述的贴片天线组和共面波导馈电电路位于高介电常数的微波陶瓷介质基板的顶面，共面波导馈电电路接地层和薄膜体声腔谐振器FBAR集成多工器位于高介电常数的微波陶瓷介质基板的底面，其中薄膜体声腔谐振器FBAR集成多工器和共面波导馈电电路接地层在共面波导馈电电路正下方位置；
所述的贴片天线组通过共面波导馈电电路与薄膜体声腔谐振器FBAR集成多工器连接。
2.根据权利要求1所述的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，其特征在于：所述的FBAR集成多工器包含有2个以上的FBAR双工器。
3.根据权利要求1所述的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，其特征在于：所述的贴片天线组包含有2个以上的贴片天线。
4.根据权利要求1或2所述的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，其特征在于：所述的FBAR双工器包含有FBAR滤波器和匹配电路；FBAR滤波器包含FBAR接收滤波器、FBAR发射滤波器。
5.根据权利要求4所述的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，其特征在于：所述的FBAR滤波器分为串联谐振型和并联谐振型。
6.根据权利要求1或2所述的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，其特征在于：所述的FBAR双工器中的FBAR包含金属上电极、金属下电极、氮化铝层和硅衬底，共同构成FBAR的“三明治”式结构，其中氮化铝层位于金属上电极、金属下电极之间，硅衬底位于金属下电极的下面。
7.根据权利要求1所述的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，其特征在于：所述的贴片天线为微带贴片天线、或者为偶极子天线。
8.根据权利要求1所述的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，其特征在于：所述的FBAR集成多工器所使用的FBAR为背面刻蚀型FBAR、表面气囊型FBAR或布拉格反射型FBAR。
9.根据权利要求1所述的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，其特征在于：所述的FBAR集成多工器所使用的FBAR的工作模式为纵波模式或者剪切波模式。
10.根据权利要求1所述的集成化的MIMO系统基站多天线和多工器模组装置，其特征在于：所述的贴片天线组的馈电方式有基于并馈连接结构的馈电方式和基于串馈连接结构的馈电方式。
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