CN107611609B - 一种小型化微组装可变相位有源天线振子 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种小型化微组装可调相位有源天线振子，该系统主要包括水平方向可变波束宽度的天线振子、微组装集成化的可变增益功率放大器、可变增益有源接收机、微组装的巴伦、微组装双工器（微组装滤波器）、微型环形器，发射/接收通道移相器和高性能混合连接器。该系统体积小，质量小，该系统是一个包含天线振子的完整的收发组件，可用于5G Massive MIMO阵列天线，也可以单独其他无线收发设备，该系统可显著改善阵列天线的体积和重量，且维护升级容易，具有非常显著的技术特点和经济效益。

Description

一种小型化微组装可变相位有源天线振子

【技术领域】

本发明涉及天线系统，具体涉及一种小型化可变相位的有源天线振子技术，该系统可适用于大规模阵列天线，也可单独集成于其他小型化收发信机中，实现小型化需求。

【背景技术】

无线通信的发展，特别是5G通信的Massive MIMO阵列天线对传统的天线和收发信机之间的联接分割方式，以及对收发信机在体积和重量方面提出了新的要求。

目前在无线通信中，收发信机和天线市分离的，收发信机和天线是通过较长的同轴电缆来连接的，如果是目前3G、4G支持8通道天线的场景的话，由于考虑到重量和散热，目前收发信机（RRU）最多能做到8通道，因此3G、4G的8天线场景可以使用一台8通道的收发信机（RRU）来提供馈源；但是如果对应Massive MIMO 中的64×64MIMO，128×128MIMO，再使用8通道的的收发信机（RRU）来解决馈源的化，至少需要8个收发信机（RRU）来满足64×64MIMO场景，16个收发信机（RRU）来满足128×128MIMO场景。这就带来了几个问题：

(1)发射铁塔上没有足够的物理空间来安装这么多收发信机；

(2)由于涉及到多达64，128根同轴电缆的塔上安装，施工比较复杂；

(3)各收发信机（RRU）到天线的位置差异较大，因此天线到各收发信机（RRU）之间的相位是不一致的，给调试工作带来比较大的工作量。

(4)如果多阵列天线中的某个阵子性能不佳，需要更换整个天线，重新与多个收发信机安装调试，维护极其不方便。

因此，亟需一种阵列天线能显著减少收发信机的数量，能分别优化收发信机每个通道与天线振子之间的相位特性，并且方便维护升级的天线技术。

【发明内容】

本发明提供一钟小型化微组装可变相位有源天线振子，其基本组成（见图1）如下：水平方向波瓣宽度可预设的混合模式的天线振子(S001),反射板（S002）,阵子到巴伦的连接器（S003），巴伦（S004），耦合器（S008）、双工器（S005，TDD系统为滤波器（S014）），环形器(S006),开关(S015),可变增益功率放大器组件（S007），发射通道移相器（S009），低噪声放大器(S010),接收通道移相器(S011),发射通道可变增益放大器(S012),高性能混合信号连接器(S013)以及高性能混合电缆等部分组成。

其中的微组装可变增益集成化功率放大器（S007）（图2）主要由至少一种功率半导体裸芯片材料构成，基于最大功率输出水平增益的需求，分为初级（S020），次级（S026）和末级（S032）三个物理构成部分，为满足大动态增益的需求，特地在初级和次级之间增加一个路由选取开关（S037），可以使输入信号旁路掉初级单元，以满足增益的需求，路由开关（S037）的逻辑控制开关是端口9。为解决电路的简易型，在输入和输出都增加了匹配网络（S036）和匹配网络（S035）保证输入输出的阻抗都是50欧姆。另外初级，次级和末级的栅极电源分别由端口3，端口4和端口5馈入；初级，次级和末级的漏极电源分别由端口6，端口7和端口9馈入；在输入匹配网络；其中输入匹配网络（S036）中还有连续相位调节功能，通过端口10输入的电压值可以使此功率放大器模块的相位保持在某个需要的值。

高性能混合信号连接器(S013)和高性能混合电缆(图3)，实现每个有源天线振子与收发信机（RRU）之间的射频信号，数字控制信号和电源信号的互联，高性能混合信号连接器（S013）（见图4），分为三部分，左端和右端是带接地线高频信号（高速信号）区，实现发射通道信号与收发信机（RRU）的互联和前向反馈信号与收发信机（RRU）的互联，接收通道信号与收发信机（RRU）的互联，反向反馈信号与收发信机（RRU）的互联，为解决这四组信号的高隔离度，除了本身是高隔离度的双层金属屏蔽的同轴电缆以外（图5，混合电缆示意图），再增加了四组接地线，以保证这四种的信号的空间回流，更进一步解决这四种信号的高屏蔽性。中间区域市控制信号和电源信号区域（图4），考虑成本，这部份有多个引脚，采用的普通插针引脚，实现收发信机（RRU）对本有源天线振子的控制和电源馈电。

【附图说明】

图1，一种小型化微组装可变相位有源天线振子系统框图；

图2，小型化微组装多级可变增益功率放大器；

图3，有源天线振子到主机之间的连接器及组合电缆示意图;

图4，一体化混合连接器示意图;

图5，混合电缆示意图;

图6，集成微组装功率放大器增益改变流程；

【具体实施方式】

分别从信号的发射和信号的接收来描述具体的实施过程，

发射过程：从收发信机（RRU）的信号经由混合电缆（图5）和高性能连接器（S013）进入到本小型化微组装可变相位有源天线振子的发射通道，然后经由发射通道移相器（S009），调整发射通道的相位，其调整值可以通过发射通道的端口信号相位信息与耦合器（S008）的前向反馈信号的的相位信息的差值获取，这个比较是在收发信机（RRU）中完成的；然后信号进入到微组装的可变增益功率放大器（图2），根据增益高低的需要，初级次级选择开关（S037）可以 让发射信号选择初级（S020）或者次级（S026），其对增益的控制过程，下面会详细叙述，发射信号然后进入到末级功率半导体裸芯片组（S032），在然后进入到小型化环形器(S006)，经由小型化双工器（S006，TDD模式是滤波器S014），再经由用于前向和方向控制需求的小型化耦合器（S008），馈入巴伦（S004）,通过微型化连接器（S003），最后发射信号馈入到水平方向波瓣宽度可预设的混合模式的天线振子(S001)，完成发射信号的发射。

在这里在简要描述一下发射通道的增益控制过程，具体流程图见图6，发射通道的增益控制过程通过开关（S037）选择初级（S020）和次级（S026）来实现，低增益要求时开关选择次级（S026），再辅之以配合初级和次级的栅压变化来实现增益的大动态变化。

接收过程：混合模式天线振子（S001）耦合到空中接收通道信号，经由巴伦（S004），耦合器(S008),到达双工器（S005，TDD模式是滤波器S015），FDD模式时，接收信号直接从双工器的RX端口进入到低噪声放大器（S010），而TDD模式时，接收信号经过滤波器（S015）后经由环形器（S006），再经由开关（S015）进入到低噪声放大器(S010),此开关（S015）仅仅在接收通道工作时，把接收信号接入到接收信号，以保证接收信号的噪底水平不因为发射信号的引入而抬高。接收信号从低噪放（S010）放大后进入到接收通道的移相器（S011），调节接收通道的相位，使接收通道的相位与发射通道的相位一致，接收通道的相位获取点市耦合器（S008）的反向反馈信号和接收通道的输出信号。从接收通道移相器（S011）出来的信号再进入到接收通道的第二级可变增益放大器，其增益值有收发信机（RRU）控制，最后接收通道的输出信号和反向反馈信号通过混合连接器（S013）和混合电缆与收发信机（RRU）耦合。

Claims (8)

1.一种小型化微组装可变相位有源天线振子，其特征在于，包括水平方向波瓣宽度可预设的混合模式的天线振子(S001)、反射板（S002）、天线阵子到巴伦的连接器（S003）、巴伦（S004）、耦合器（S008）、双工器（S005）、环形器(S006)、开关(S015)、可变增益功率放大器组件（S007）、发射通道移相器（S009）、低噪声放大器(S010)、接收通道移相器(S011)、接收通道可变增益放大器(S012)、高性能混合信号连接器(S013)，所述反射板设置在所述天线振子与所述巴伦之间，所述巴伦（S004）通过所述耦合器（S008）与所述双工器（S005）连接，所述双工器（S005）一端通过所述环形器(S006)与所述可变增益功率放大器组件（S007）连接，所述可变增益功率放大器组件（S007）与所述发射通道移相器（S009）连接，所述双工器（S005）另一端通过低噪声放大器(S010)与接收通道移相器(S011)连接；

所述的可变增益功率放大器组件（S007）是基于至少一组半导体裸片的微组装可调增益多级放大器系统，其输入输出的阻抗被匹配到50欧姆，且相位恒定，包括射频输入端口、输入匹配网络（S036）匹配输入的阻抗到50欧姆、初级次级半导体裸片通路选择开关（S037）、通路选择开关分别连接到初级和次级的第一金属丝键合线、初级半导体裸片输入匹配网络（S018）、初级半导体裸片组（S020）、初级半导体裸片输出网络（S022），初级半导体裸片输入匹配网络（S018）与初级半导体裸片输出网络（S022）之间的第二金属丝键合线、初级输出到次级的输入的第三金属丝键合线（S023）、次级输入匹配网络（S024）、次级半导体裸片组（S026）、次级输出匹配网络（S028）、次级输入匹配网络（S024）与次级输出匹配网络（S028）之间的第四金属丝键合线、次级与末级之间的第五金属丝键合线（S029）、末级的输入匹配网络（S030）、末级半导体裸片组（S032）、末级输出匹配网络（S034）、末级的输入匹配网络（S030）到末级输出匹配网络（S034）之间的第六金属丝键合线，匹配网络（S035）匹配输出的阻抗到50欧姆，输入匹配网络（S036）还具有相位连续调节功能，另外还包括初级裸芯片组、次级裸芯片组和末级裸芯片组各自分别的栅极电源、漏极电源馈电引脚。

2.根据权利要求1所述的一种小型化微组装可变相位有源天线振子，其特征在于，所述的可变相位在发射通道的发射通道移相器(S009)的相位改变并且通过发射信号端口及前向反馈端口的测试值比较来实现精确的相位可控，发射通道移相器（S009）位于发射通道的输入端位置，同时可变相位在接收通道是通过移相器（S011）的改变并且通过反向反馈端口和接收通道口的测试值比较来实现相位的精确可控，接收通道移相器（S011）位于接收通道低噪声放大器后,也与发射通道的相位改变保持一致。

3.根据权利要求1所述的一种小型化微组装可变相位有源天线振子，其特征在于，所述的天线振子在水平方向的波瓣宽度可以预先设计好，并且在其水平挡板处标定了水平波瓣的基准线，便于与其它阵子的波瓣方向对齐。

4.根据权利要求1所述的一种小型化微组装可变相位有源天线振子，其特征在于，所述的高性能混合信号连接器（S013）及混合信号电缆，是一种兼顾射频微波信号，数字信号和电源信号的混合连接装置，其中包括大于等于四组射频信号。

5.根据权利要求1所述的一种小型化微组装可变相位有源天线振子，其特征在于，所述的高性能混合信号连接器（S013），包括兼顾射频信号，数字信号、电源信号的多端口连接器和混合电缆，为解决高频信号的屏蔽问题，在每个射频信号引脚旁边增加一个接地引脚，同时在混合电缆中，在本身有屏蔽层的高频信号线就近增加一接地电缆，进一步提升高频信号的回流问题，提高高频信号的传输屏蔽效果。

6.根据权利要求1所述的一种小型化微组装可变相位有源天线振子，其特征在于，所述的初级半导体裸片组，次级半导体裸片组和末级半导体裸片组，是大于等于一种半导体材料的裸芯片组，且次级半导体裸片组所包含的基本裸芯片单元数大于等于初级半导体裸片组所包含的基本裸芯片单元数，末级半导体裸片组所包含的基本裸芯片单元数大于等于次级半导体裸片组所包含的基本裸芯片单元数。

7.根据权利要求1所述的一种小型化微组装可变相位有源天线振子，其特征在于，所述末级半导体裸片组至少包含大于等于2个基本裸片单元数。

8.根据权利要求7所述的一种小型化微组装可变相位有源天线振子，其特征在于，所述的功率放大器增益调节功能是通过改变初级芯片组栅压、次级芯片组栅压和初级次级路由选择开关（S037）来实现的，降低增益时，是分别降低初级和次级的栅压来实现，如果初级和次级栅压降低到栅压的门限值还不能满足增益降低的要求，则初级次级路由选择开关（S037）断开初级切换到次级，次级的栅压同时改变到最高，再进行调整，如果是增益升高，如果初级次级路由选择开关（S037）的初始状态是指向初级，次级断开，升高初级次级的栅压，如果初级次级路由选择开关（S037）的初始状态是指向次级，断开初级，那么此时初级次级路由选择开关（S037）切换到断开次级，开启初级，同时初级和次级的栅压调整到最低，然后逐渐增大。