CN109219882A - 多层印刷电路板和无线通信节点 - Google Patents

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Abstract

在本发明中公开了一种多层印刷电路板PCB和无线通信节点。要组装在通信节点中的多层PCB可以包括在PCB的一侧上的多个无线电层(501)和在PCB的另一侧上的至少一个天线层(502)。至少一个无线电组件将被安装在多个无线电层的表面层上，并且至少一个天线元件将被贴在至少一个天线层的表面层上。以这种方式，可以省略传统PCB中从滤波器单元分别到天线单元和无线电单元的传统连接器，以减小PCB的尺寸。

Description

多层印刷电路板和无线通信节点
技术领域
本公开总体上涉及电信技术领域，并且具体地涉及多层印刷电路板和无线通信节点。
背景技术
本节旨在提供权利要求中所述的发明的背景或上下文。本文中的描述可以包括可要求保护的构思，但其不一定是之前已经想到、实现或描述的构思。因此，除非本文另有指示，否则本节中描述的内容不是本申请中的说明书和权利要求书的现有技术，也不因其被包含在本节中而被承认为现有技术。
在电信系统中，接入节点或接入点促进终端设备(例如，用户设备(UE))与核心网络之间的无线通信。接入节点也称为无线电基站(RBS)、节点B(在3G网络中)、基站收发台(BTS)、演进节点B(eNB)或基站(BS)。它主要由三个基本部分组成：基带单元、无线电单元和天线单元。基带单元用于基带信号处理，例如调制/解调、编码/解码、预编码、信道估计和均衡等。无线电单元用于到高频带(下行链路)或低频带(上行链路)的频率转换，输出功率放大也在无线电单元中实现。包括天线元件的天线单元用于通过空中接口发送和接收射频(RF)信号。
在传统的宏配置中，基带单元物理绑定至无线电单元。在实际部署中，基带单元和无线电单元两者一起放在地面上的柜体(102)中，如图1所示，而天线单元(101)总是在水平方向上高于无线电单元，通常位于城市中建筑物的顶部或位于乡村的山上，以确保电磁波的发送和接收。长跨接缆线用于连接图1中的无线电单元和天线单元(101)。
随着技术的发展，在接入节点的演进过程中提出了主远程概念。无线电单元(202)不必靠近基带单元(203)，而是安装得非常靠近天线单元(201)，如图2所示。然而，天线单元(201)和无线电单元(202)之间的连接仍然依赖于跨接缆线。
近年来，天线集成无线电单元(AIR)被设计成将无线电单元和天线单元放入一个物理“盒体”(301)中，如图3所示。物理盒体(301)和基带单元(302)之间需要长缆线。当多输入多输出(MIMO)的概念变得流行时，天线元件的数量已经从一个或两个增加到八个甚至16个。另一方面，天线技术的发展使得天线元件可以被制成平面天线元件并贴在天线层上成为现实。
图4示出了无线电单元和天线单元如何连接在AIR模型的同一物理块中。无线电单元(401)包括多层印刷电路板(PCB)，其中若干无线电组件安装在无线电PCB的一侧。天线单元(403)包括天线PCB和贴在天线PCB的一侧上的若干天线元件。滤波器单元(402)位于无线电PCB和天线PCB之间，以滤除所需频谱之外的不必要干扰。滤波器单元的每一侧分别连接到无线电PCB和天线PCB的另一侧。在无线电单元和天线单元之间传输的信号经过有线连接。
在上述MIMO系统中，多个天线元件被设计成通过多个无线电分支发送信号。假设设计了N个无线电分支，则在滤波器单元和天线单元之间有N个连接器，并且在滤波器单元和无线电单元之间有N个连接器。N越大，需要的连接器越多。不仅连接器的成本相当高，而且组装2N个连接器的难度相当大，尤其是N增加到64(这在第4代(4G)电信系统中很流行)。
发明内容
已经基于以上考虑中的至少一个作出本技术的各种实施例。本公开提出将天线部分和无线电部分集成到被组装在通信节点中的一个印刷电路板中，以便省去分别从滤波器单元到天线单元和无线电单元的传统连接器。
根据本公开的一个方面，提供了一种无线通信节点中的多层印刷电路板。所述PCB包括：
在所述PCB的一侧上的多个无线电层，其中，至少一个无线电组件将安装在所述多个无线电层的表面层上；以及
在所述PCB的另一侧上的至少一个天线层，其中，天线元件将被贴在所述至少一个天线层的表面层上。
根据本公开的另一实施例，所述PCB还包括在所述多个无线电层和所述至少一个天线层之间的隔离层。
根据本公开的另一实施例，其中，所述至少一个无线电组件包括表面安装式滤波器。
根据本公开的另一实施例，其中，所述至少一个无线电组件包括一个或多个基带组件。
根据本公开的另一实施例，所述无线通信节点是终端设备或接入节点。
根据本公开的另一方面，提供了一种无线电信系统中的通信节点。所述通信节点包括：
多层PCB；
安装在所述多层PCB的表面层上的至少一个无线电组件；以及
贴在所述多层PCB的另一表面层上的天线元件；其中，所述多层PCB包括：
多个无线电层，包括其上安装有所述至少一个无线电组件的表面层；以及
至少一个天线层，包括其上贴有所述至少一个天线元件的另一表面层。
根据本发明的另一实施例，所述通信节点中的所述多层PCB还包括：
位于所述多个无线电层和所述至少一个天线层之间的隔离层。
根据本公开的另一实施例，所述无线通信节点中的所述至少一个无线电组件包括表面安装式滤波器。
根据本公开的另一实施例，所述至少一个天线元件包括以下中的一个或多个：高频天线元件，超高频天线元件或特高频天线元件。
根据本公开的另一实施例，所述无线通信节点在多输入多输出MIMO系统中。
根据本公开的另一实施例，所述无线通信节点是接入节点或用户设备。
通过本公开的实施例，在所述无线通信节点中，滤波器单元和天线单元之间的传统连接器以及滤波器单元和无线电单元之间的连接器被省略，而天线部分和无线电部分被集成到单个PCB中。通过这种方式，可以减小PCB的尺寸并提高可靠性。可以节省连接器的成本，并且可以简化通信节点的组装。而且，可以以更高效的方式设计通信节点。
附图说明
根据以下结合附图的描述和所附权利要求，本公开的前述特征和其它特征将变得更加完全地明确。应该理解：这些附图仅描绘了根据本公开的若干实施例，并因此不应被认为限制本公开的范围，将通过使用附图以附加的特性和细节来描述本公开。
图1示出了天线单元和绑定基带单元的无线电单元之间的有线连接的示例。
图2示出了现有技术中天线单元和无线电单元之间的有线连接的示例。
图3示出了通过缆线连接到基带单元的天线集成无线电单元的示例。
图4提供了分别示出天线集成无线电单元中的无线电PCB与滤波器单元、天线PCB与滤波器单元之间的有线连接的横截面图。
图5提供了根据所公开的通信节点实施例之一的被集成到整个多层PCB中的无线电部分和天线部分的横截面图。
图6提供了根据所公开的通信节点实施例之一的被集成到整个多层PCB中的具有隔离层的无线电部分和天线部分的横截面图。
图7提供了根据本公开的实施例的具有组装的多层PCB的通信节点的说明性结构。
图8提供了根据本公开的实施例的具有组装的多层PCB的通信节点的说明性结构。
具体实施方式
以下参考附图中示出的实施例来描述本公开。然而，应理解，这些描述仅仅提供用于示意目的，而不是限制本公开。此外，以下省略了对已知结构和技术的描述，以免不必要地模糊本公开的构思。
本公开提出将天线部分和无线电部分集成到单个整体印刷电路板(PCB)中，该PCB将被组装在无线通信节点中。而且，本公开提供了一种在其中组装了整体PCB的无线通信节点。
图5示出了例示我们提出的实施例之一的横截面图。一个实施例提供了一种无线通信节点中的多层印刷电路板。该PCB包括：
在PCB的一侧上的多个无线电层(501)，其中至少一个无线电组件将安装在多个无线电层的表面层上；以及
在PCB的另一侧上的至少一个天线层(502)，其中至少一个天线元件将被贴在至少一个天线层的表面层上。
为了更详细地描述本发明，下面将参考附图概述优选实施例。在图6所示的实施例中，上述多层PCB还包括在多个无线电层和至少一个天线层之间的隔离层(603)。隔离层主要用于屏蔽多个无线电层免受至少一个天线元件的辐射，使得至少一个无线电元件和多个无线电层进行的信号处理和发送不会受到天线元件(一个或多个)的电磁辐射的干扰。
在另一实施例中，隔离层(603)主要由铜或金-铜合金制成。或者，隔离层包括涂有铜或一些金属合金的基板。在更详细的实施例中，隔离层的厚度优选地类似于多层PCB中的层的平均厚度，例如在0.2～0.3mm之间。然而，这不是本公开主要关注的内容。
参照图7，在另一实施例中，上述多层PCB还包括分别包括在多个无线电层(701)和至少一个天线层(702)中的接地平面。多个无线电层中的接地平面可以被设计成在多个无线电层和至少一个天线层之间没有隔离层的情况下远离天线辐射。至少一个天线层中的接地平面被设计成降低对至少一个无线电组件的辐射影响。更具体地，至少一个天线层包括紧邻多个无线电层(701)的整个接地平面层(7021)。为了辐射隔离和散热以省略隔离层，相比于如上所述的隔离层的厚度为0.2～0.3mm，至少一个天线层的接地平面层的厚度优选地在0.5～0.8mm之间。
或者，如图8所示，在无线电层(801)和至少一个天线层(803)之间具有隔离层(802)，分别包括在多个无线电层和至少一个天线层中的接地平面(如图所示8031)可以保留其常规设计，例如金属面积和厚度，这在某种程度上降低了PCB设计的复杂度。
在当前的AIR设计中，滤波器单元通常被设计为腔体滤波器，其已知具有低插入损耗和较高的功率处理能力。另一方面，由于腔体滤波器的尺寸限制，减小AIR的尺寸是不可避免的障碍。如今，新的频段被引入作为超高频和特高频，例如作为超高频的2～3GHz以上的射频，作为特高频的3G以上的射频。随着滤波器技术的新发展，滤波器可以安装在PCB的表面上，特别是在高(3MHz以上)频率的情况下。现在，超高频和特高频情形正在期待表面安装式滤波器的广泛使用。
单块滤波器是表面安装式滤波器的一个示例。选择表面安装式滤波器时，可考虑诸如分数带宽、插入损耗、形状因子、带外抑制和工作温度范围之类的特性。介质滤波器是优选类型之一。除了单块滤波器之外，还有很高的选择性，例如多层滤波器、体声波(BAW)滤波器或表面声波(SAW)滤波器等。例如，SAW有限脉冲响应(FIR)滤波器或低损耗滤波器、石英或钽酸锂(LT)上的BAW滤波器分别是SAW和BAW滤波器的选项。
因此，当PCB组装到通信节点中时，至少一个无线电组件安装在多层PCB的表面层上，参见图7和图8，其中表面安装式滤波器安装在PCB的表面无线电层上作为至少一个无线电组件之一。其他无线电组件将包括以下中的一个或多个：
功率放大器(PA)，和
收发器(TRX)组件。
收发器向基带部分发送信号和从基带部分接收信号。功率放大器用于放大来自TRX的信号，以便通过天线元件进行传输。
根据本发明的另一实施例，要安装在无线电层的表面上的至少一个无线电组件包括属于基带部分的一个或多个基带组件，如图7或图8所示。基带组件包括：现场可编程门阵列(FPGA)，数字信号处理器(DSP)，中央处理单元(CPU)和随机存取存储器(RAM)。在这种情况下，一个或多个基带组件起到基带信号处理的作用，例如调制/解调、编码/解码、预编码、信道估计和均衡，这意味着基带功能也被集成到具有无线电功能的同一多层PCB中。
由于收发器组件和基带组件安装在PCB的同一表面层上，所以收发器和基带组件之间的连接不再依赖于外部光纤，而是依赖于嵌入PCB中的布线。这样，可以防止外部缆线引起的可靠性的隐患，特别是外部缆线末端处连接器的接触不良。同时，可以节省长外部缆线的成本。
本公开中的实施例提供的接入节点的尺寸可以较小，这是因为天线部分和无线电部分集成在同一块PCB中，可以节省传统连接器和连接器之间的跨接线缆的空间，随着传统连接器和缆线的移除，接入节点的重量也将减小。因此，现场安装所提出的更轻、更小的接入节点将更容易。
另一方面，当组装连接器时，组装困难是一个大问题，特别是将大量的引脚插入密集排列的孔中。经常发生的是，当引脚的间距和孔的间距不完全匹配时，一些引脚被错放。利用本发明，可以避免这些连接器的组装。
在另一方面，还可以节省接入节点的成本。支持N个无线电分支的传输的接入节点可能需要2*N个连接器，这是因为需要将连接器应用于无线电单元到滤波器单元的连接以及滤波器单元到天线单元的连接。假设N是128(这将在5G中普遍支持)，一个接入节点需要256个连接器。连接器平均价格约为3美元，单个接入节点将节省768美元的材料费用，更不用说在组装过程中当某些引脚被错放时整个N头连接器的废弃。
在另一方面，连接可靠性也是长期关注的传统接入节点的问题。引脚的插入部分易于被氧化，这可能会影响导电性。诸如恶劣天气之类的外部环境对连接器的影响可能会加速整个接入节点在其产品寿命期间的老化。无线电部分和天线部分集成在单个PCB中，增强了连接的可靠性。
在本公开中，组装多层PCB的无线通信节点不限于接入节点。根据本发明的另一实施例，无线通信节点可以是用户设备是代表性示例的无线终端设备。在3G或4G环境中，用户设备通常最多包括两到四个天线元件，而在诸如5G部署之类的未来发展中，预期用户设备中的天线元件的数量为8、16或甚至更多。因此，贴有多个天线元件的表面天线层的设计是合理的，以最小化具有多个天线的用户设备的尺寸。而且，除了上面讨论的益处之外，由于连接器被保存在PCB中，因此可以提高用户设备的产率。
提供了一种无线终端设备，包括：
多层PCB；
至少一个无线电组件，安装在多层PCB的表面层上；以及
天线元件；贴在多层PCB的另一表面层上。
组装在用户设备中的多层PCB包括：
多个无线电层(501)，包括其上安装有至少一个无线电组件的表面层；以及
至少一个天线层(502)，包括其上贴有至少一个天线元件的另一表面层。
在无线终端设备的一个实施例中，至少一个无线电组件包括表面安装式滤波器，使得终端设备的尺寸可以显著减小。在这种情况下，诸如移动电话或移动平板计算机之类的用户设备可以更薄，因此作为便携式设备更受欢迎，以满足用户的需求。此外，至少一个无线电组件包括TRX组件。在功率放大器(PA)未安装在PCB上的情况下，TRX组件不仅通过空中接口发送和接收RF信号，而且在传输之前放大RF信号。此外，基带组件也安装在用户设备中的表面无线电层上。
在提供无线终端设备的本公开的另一实施例中，隔离层位于多个无线电层和至少一个天线层之间，以屏蔽多个无线电层免受至少一个天线元件的辐射的影响。隔离层可以进一步连接到用户设备的外壳。多个无线电层和至少一个天线层的相应接地平面也连接到用户设备的外壳。
在无线终端设备的替代实施例中，多个无线电层和至少一个天线层的接地平面可以被设计为最小化辐射对无线电组件的影响，使得在多层PCB的中间不需要隔离层。
以上已经参考其实施例描述了本公开。应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以进行各种修改、替换和添加。因此，本公开的范围不限于上述特定实施例，而是仅由所附权利要求限定。

Claims (14)

1.一种无线通信节点中的多层印刷电路板PCB，包括：
在所述PCB的一侧上的多个无线电层(501，601)，其中，至少一个无线电组件将安装在所述多个无线电层的表面层上；以及
在所述PCB的另一侧上的至少一个天线层(502，602)，其中，天线元件将被贴在所述至少一个天线层的表面层上。
2.根据权利要求1所述的无线通信节点中的PCB，还包括：
位于所述多个无线电层和所述至少一个天线层之间的隔离层(603)。
3.根据权利要求1或2所述的无线通信节点中的PCB，其中，所述多个无线电层包括接地平面，并且所述至少一个天线层包括接地平面层(7021，8031)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的无线通信节点中的PCB，其中，所述至少一个无线电组件包括：
表面安装式滤波器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的无线通信节点中的PCB，其中，所述至少一个无线电组件包括以下中的一个或多个基带组件：FPGA、DSP、CPU和RAM。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的无线通信节点中的PCB，其中，所述无线通信节点是终端设备或接入节点。
7.一种无线电信系统中的无线通信节点，所述无线通信节点包括：
多层PCB；
安装在所述多层PCB的表面层上的至少一个无线电组件；以及
贴在所述多层PCB的另一表面层上的天线元件；其中，所述多层PCB包括：
多个无线电层(701，801)，包括其上安装有所述至少一个无线电组件的所述表面层；以及
至少一个天线层(702，803)，包括其上贴有所述至少一个天线元件的所述另一表面层。
8.根据权利要求7所述的无线通信节点，其中，所述多层PCB还包括：
位于所述多个无线电层和所述至少一个天线层之间的隔离层(802)。
9.根据权利要求7或8所述的无线通信节点，其中，所述多个无线电层包括接地平面，并且所述至少一个天线层包括接地平面层(7021，8031)。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的无线通信节点，其中，所述至少一个无线电组件包括：
表面安装式滤波器。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的无线通信节点，其中，所述至少一个无线电组件包括以下中的一个或多个基带组件：FPGA、DSP、CPU和RAM。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的无线通信节点，其中，所述至少一个天线元件包括以下中的一个或多个：高频天线元件、超高频天线元件或特高频天线元件。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的无线通信节点，其中，所述无线通信节点在多输入多输出MIMO系统中。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的无线通信节点，其中，所述无线通信节点是接入节点或终端设备。
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