CN109980365A - 一种应用于5g毫米波通信的大规模mimo有源天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，包括天线阵列、多功能板、多通道TR组件、波控电源模块，天线阵列对应设置于多功能板上，多通道TR组件和波控电源模块固定在多功能板上并与天线阵列相连；本发明采用大规模阵列天线技术，实现定向信号传输，利用相控阵天线的定向增益来抵消信号的空间路径损耗，而且利用相控阵天线的波束指向动态可调特点可实现了信号的空间维度的复用，大幅减低了各个用户之间的相互干扰，有力提高了系统的容量，实现低功率、高效率的信号传输。

Description

一种应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列

技术领域

本发明涉及天线阵列技术领域，具体涉及一种应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列。

背景技术

随着无线通信技术特别是移动互联网及物联网通信技术的发展，人们对高数据传输率、高数据容量的网络业务需求越来越明显，但是随着工作于各种模式无线网络设备及移动终端的应用(2/3/4G网络、WiFi、蓝牙等)，低频段(3GHz以下)频谱已经极为拥挤，电磁环境越来越复杂，各种无线设备之间的相互影响日渐增大，而且该频段的频谱资源面临枯竭的风险，这些均严重制约了数据的传输速率的提升；同时，低频段的可用带宽很窄，无法满足高数据吞吐量通信系统高速传输海量数据的需求。

相对于传统的低频段，高频段尤其是毫米波频段的应用较少，存在大片连续带宽在1G以上的可用频带，频谱资源极为丰富，在相同的相对带宽下，毫米波频段能够提供的工作带宽也远远大于低频段，大带宽的频谱能够提供高速的数据传输速率(高于1Gbps)、更大的网络容量，满足5G通信网络的传输速率和网络容量的需求。同时，毫米波频段的波长短，相应的天线及器件的集成度高、尺寸小、结构紧凑，从而设备的体积小、重量轻、便于安装和移动，满足通信设备占用空间小、轻重量的应用需求。另外，随着大功率的功率器件、低噪声接收器件等关键器件的突破和毫米波集成技术、工艺水平的成熟，使得毫米波通信技术成为军用和民用通信的重要选择，是5G通信的重要发展方向。

但是，受到器件和工艺的限制，毫米波频段难以无法实现高功率传输，并且毫米波频段信号在空气中的传输路径损耗较大，限制了毫米波频段在广域覆盖通信的应用；另外一方面，毫米波频率信号的绕射力、穿透力差，易受到高建筑物、大型广告牌等障碍的遮挡，在有较多障碍物的环境下使得通信链接不稳定，容易引发通信信号中断，也易产生信号盲点。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，包括天线阵列、多功能板、多通道TR组件、波控电源模块，所述天线阵列对应设置于所述多功能板上，所述多通道TR组件和所述波控电源模块固定在所述多功能板上，并与所述天线阵列相连；

所述天线阵列包括从上至下依次设置的天线单元、天线反射层、射频功率分配网络层、第一参考地层、低频功率分配网络层、电源层、第二参考地层、TR组件焊盘层，所述第一参考地层设置为射频功率分配网络的参考地层；所述第二参考地层设置为PCB微带线的参考地层；所述电源层和所述低频功率分配网络层对应设置；

所述多功能板包括从上至下依次设置的天线辐射板、参考地层板、射频功率分配板、低频功率分配板、TR组件焊接板；所述多功能板还设置有黏合层，所述黏合层用于所述天线辐射板、所述参考地层板、所述射频功率分配板、所述低频功率分配板、所述TR组件焊接板之间的连接；

所述天线单元设置于所述天线辐射板的上端面，所述天线反射层设置于所述参考地层板的下端面，所述第一参考地层和所述射频功率分配网络层设置于所述参考地层板的上下两端面上，所述低频功率分配网络层和所述电源层设置于所述低频功率分配板的上下两端面上，所述第二参考地层和所述TR组件焊盘层设置于所述TR组件焊接板的上下两端面上，所述射频功率分配网络设置于所述射频功率分配板上，所述波控电源模块设置于所述TR组件焊接板上。

较佳的，所述电源层位于所述低频信号分配网络层的下层，所述电源层用于为所述多通道TR组件以及相关驱动电路提供电源，所述电源层电路与所述低频信号分配网络层电路采用阵列金属化通孔连接。

较佳的，所述TR组件焊盘层位于所述多功能板的底层，所述TR组件焊盘层上蚀刻有所述多通道TR组件的引脚焊盘，所述多通道TR组件的热焊盘通过矩阵金属化通孔与所述第二参考地层相连接，所述TR组件焊盘层还设置有射频总口及所述波控电源模块的波控接口和电源接口。

较佳的，所述天线阵列设置有第一金属化通孔和第二金属化通孔，所述第一金属化通孔和所述第二金属化通孔通过口径变换件连接；所述第一金属化通孔贯穿所述TR组件焊接板设置；所述第二金属化通孔贯穿所述天线辐射板、所述参考地层板、所述射频功率分配板、所述低频功率分配板设置，所述口径变换件设置于所述黏合层和所述TR组件焊接板之间。所述天线单元的馈线通过所述第二金属化通孔与所述口径变换件相连接，然后通过所述第一金属化通孔与所述TR组件的射频分口相连接。

较佳的，所述天线阵列按16×16阵列单元排布，且分为左右两个子阵，所述多通道TR 组件采用瓦片式四通道组件，64个所述多通道TR组件组成16×16个以矩阵栅格排列的收发通道，每个所述多通道TR的射频总口与所述射频功率分配网络的功率分配口相连，所述多通道TR组件的射频分口通过所述口径变换件后经所述第二金属化通孔与所述天线单元相连接。

较佳的，所述电源接口采用粗芯，所述电源接口在各个所述多通道TR组件的电源输入端设置有两个大小不同的电源滤波电容，电信号接入所述电源接口后所述电信号通过金属化通孔进入所述电源层，从而分配到所述多通道TR组件。

较佳的，所述天线单元采用微带贴片单元，所述微带贴片单元以16×16个矩阵排列在所述天线辐射板上从而形成天线辐射层，所述天线单元间的间距水平向为0.45个波长，俯仰向为0.55个波长。

较佳的，所述天线辐射板采用低损耗高频微波基板材料；所述黏合层采用与低损耗高频微波基板材料相容的黏合剂；所述参考地层板、所述射频功率分配板、所述低频功率分配板和所述TR组件焊接板均采用低损耗高频微波基板材料。

较佳的，所述TR组件焊接板贯穿设置有若干导热通孔，所述导热通孔阵列化排布，且所述导热通孔端部分别与所述多通道TR组件的所述热焊盘、所述第二参考地层相连接。

较佳的，所述多通道TR组件的上表面设置材料为导热硅脂的散热件，将所述散热件涂抹在所述多通道TR组件上，并与所述多通道TR组件外部的散热片相连接。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明采用大规模阵列天线技术，实现定向信号传输，利用相控阵天线的定向增益来抵消信号的空间路径损耗，而且利用相控阵天线的波束指向动态可调特点可实现了信号的空间维度的复用，大幅减低了各个用户之间的相互干扰，有力提高了系统的容量，实现了低功率、高效率的信号传输；2，本发明采用多层PCB技术，通过垂直互联技术实现了天线阵列、射频信号功率分配网络、低频信号分配网络以及电源电路的一体化集成，避免了传统设计采用射频电缆、导线、连接器进行连接，其信号传输路径短，互联损耗小，功耗低，连接可靠性高，通道间一致性好；同时其占用的空间小，满足系统小型化、轻量化的应用需求；3，本发明采用宽带功率分配网络，并通过优化阻抗匹配实现了宽带垂直互联，信号的传输路径上不存在谐振结构，均工作于传输状态，有力拓宽了其工作频带，满足了毫米波通信系统宽带工作的应用需求，保证了系统高速数据传输的功能； 4，本发明天线单元采用微带贴片天线，相对于其他天线形式，其在保持低剖面的同时具有较大的角度扫描特性，同时，本发明在微带贴片天线上蚀刻了寄生细缝，拓宽了角度扫描范围，同时为满足水平向大角度扫描需求，本发明在水平方向采用强耦合技术，最终实现了水平± 60°，俯仰±45°的扫描需求；5，本发明两层瓦片结构，其中瓦片式TR组件采用多通道方式，并利用平面封装形式形成SMT结构，大幅降低了器件的剖面高度，另外，天线阵列、多功能板采用多层PCB工艺进行设计，并采用金属化通孔进行互联集成，有力减小了系统纵向连接距离；6，本发明的电路板设计为多层PCB结构设置，加工制造工艺成熟，加工的可靠性高，一致性好，加工的成本低；另外系统采用多通道的TR组件，在高集成度的同时大幅减小了TR组件的数量，同时其高集成度封装使得TR组件外围电路非常简洁，无需额外的电路器件开销，有力减小了成本。

附图说明

图1为本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的侧视结构示意图；

图2为本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的结构正视图；

图3为本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的结构后视图；

图4为本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的立体结构图；

图5为24.25GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图；

图6为26GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图；

图7为27.5GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图；

图8为24.25GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图；

图9为26GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图；

图10为27.5GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图。

图中数字表示：

1-天线阵列；10-天线单元；11-第一不保留金属层；12-天线反射层；13-第二不保留金属层；14-射频功率分配网络层；15-第一参考地层；16-低频功率分配网络层；17-电源层， 18-第二参考地层；19-TR组件焊盘层；2-多功能板；20-天线辐射板；21-第一黏合层；22- 参考地层板；23-第二黏合层；24-射频功率分配板；25-第三黏合层；27-第四黏合层；26- 低频功率分配板；28-TR组件焊接板；29-射频功率分配网络；30-第一TR组件；31-第二TR 组件；32-第三TR组件；33-第四TR组件；41-第一射频总口；42-波控接口；43-电源接口；44-第二射频总口；50-导热通孔；51-第一散热件；52-第二散热件；53-第三散热件；54-第四散热件；6-口径变换件；7-第一金属化通孔；8-第二金属化通孔。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

如图1至图4所示，图1为本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的侧视结构示意图；图2为本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的结构正视图；图3为本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的结构后视图；图4为本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的立体结构图。 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output多变量控制系统)

本实施例中，所述大规模MIMO有源天线阵列为工作于Ka波段，阵列规模取为16×16；本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列包括天线阵列1、多功能板2、多通道TR组件、波控电源模块。所述天线阵列1对应设置于所述多功能板2上，所述多通道TR组件、所述波控电源模块固定在所述多功能板2上，并与所述天线阵列1相连，所述波控电源模块包括波控接口、电源接口、电源波控电路。所述多通道TR组件为如图1和图4中的第一TR组件30、第二TR组件31、第三TR组件32、第四TR组件33。

所述天线阵列1包括从上至下依次设置的天线单元10、第一不保留金属层11、天线反射层12、第二不保留金属层13、射频功率分配网络层14、第一参考地层15、低频功率分配网络层16、电源层17、第二参考地层18、TR组件焊盘层19。所述第一参考地层15设置为所述射频功率分配网络的参考地层；所述第二参考地层18设置为所述微带贴片天线单元10上PCB微带线的参考地层；所述电源层17和所述低频功率分配网络层16对应设置。

所述电源层17位于所述低频信号分配网络层16的下层，所述电源层17主要是为所述多通道TR组件以及相关驱动电路提供电源，由于所述多通道TR组件的工作电压较低，在一定的功率输出下需要较大的电流输入，因此为防止电流超过走线的电流承载能力，一方面将所述电源层17设置为较大的厚度，一般为0.035mm，另一方面在所述电源层17电路上采用局部整块覆铜设计，使所述电源层17电路与所述低频信号分配网络层16电路采用阵列金属化通孔连接。

所述TR组件焊盘层19位于所述多功能板2的底层，所述TR组件焊盘层19上蚀刻有所述多通道TR组件的引脚焊盘，所述多通道TR组件保留热焊盘，所述热焊盘通过矩阵金属化通孔与所述第二参考地层18相连接，能够将所述多通道TR组件在工作时候产生的热量部分传导横向传导，达到散热的目的。除了所述多通道TR组件的热焊盘外，所述TR组件焊盘层19还留有射频总口、所述波控接口以及所述电源接口。

所述多功能板2包括从上至下依次设置的天线辐射板20、参考地层板22、射频功率分配板24、低频功率分配板26、TR组件焊接板28；所述多功能板2还设置有黏合层，所述黏合层用于所述天线辐射板20、所述参考地层板22、所述射频功率分配板24、所述低频功率分配板26、所述TR组件焊接板28之间的连接。所述天线辐射板20采用低损耗高频微波基板材料，铜箔厚度为0.018μm；所述黏合层采用与低损耗高频微波相容的材料；所述参考地层板22、所述射频功率分配板24、所述低频功率分配板26和所述TR组件焊接板28均采用低损耗高频微波基板材料，铜箔厚度为0.018μm。

所述黏合层包括第一黏合层21、第二黏合层23、第三黏合层25、第四黏合层27；所述第一黏合层21设置于所述天线辐射板20和所述参考地层板22之间；所述第二黏合层23设置于所述参考地层板22和所述射频功率分配板24之间；所述第三黏合层25设置于所述射频功率分配板24和所述低频功率分配板26之间；所述第四黏合层27设置于所述低频功率分配板26和所述TR组件焊接板28之间。

所述天线单元10和所述第一不保留金属层11设置于所述天线辐射板20的上下两端面上，所述天线反射层12和所述第二不保留金属层13设置于所述参考地层板22的上下两端面上，所述射频功率分配网络层14和所述第一参考地层15设置于所述参考地层板22的上下两端面上，所述低频功率分配网络层16和所述电源层17设置于所述低频功率分配板26的上下两端面上，所述第二参考地层18和所述TR组件焊盘层19设置于所述TR组件焊接板28的上下两端面上，射频功率分配网络29设置于所述射频功率分配板24上，所述TR组件焊接板28设置有所述电源波控电路。

在本实施例中，2×2MIMO天线阵列1按16(方位向)×16(距离向)阵列单元排布，且分为左右两个子阵，可根据实际工作情况将全阵面合成一个波束，以高增益模式工作，或将左右两个子阵分为两个子波束以2×2MIMO方式工作。

所述天线阵列1的所述天线单元10采用微带贴片单元，在保证低剖面的条件下获得宽带、宽角扫的天线性能，以16×16个矩阵排列的所述微带贴片单元结合所述多功能板2形成天线辐射层，所述天线单元10间的间距水平向为0.45个波长，实现天线±60°的波束扫描范围，俯仰向为0.55个波长，实现天线±45°的波束扫描范围。

所述天线阵列1的微带线贴片天线结构设置，其剖面低，满足系统轻和薄的应用需求，而且其结构相对较简单，适合采用PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)工艺加工，加工的一致性好，可靠性高。所述天线阵列1的馈线采用金属化通孔的形式，不仅能够有效减小馈线的长度，减少路径损耗，有利于射频信号的辐射和系统噪声的降低，提高了系统的灵敏度，而且容易与其他电路进行一体化集成，方便实现系统的小体积和轻重量。

具体的，所述天线阵列1设置有第一金属化通孔7和第二金属化通孔8，所述第一金属化通孔7和所述第二金属化通孔8通过口径变换件6连接。所述第一金属化通孔7贯穿所述TR组件焊接板28设置，所述第一金属化通孔7可实现射频信号垂直互联；所述第二金属化通孔8贯穿所述天线辐射板20、所述参考地层板22、所述射频功率分配板24、所述低频功率分配板26设置，所述口径变换件6设置于所述第四黏合层27和所述TR组件焊接板28之间。所述天线单元10的馈线通过所述第二金属化通孔8与所述口径变换件6相连接，然后通过所述第一金属化通孔7与所述TR组件的射频分口相连接，实现了所述多通道TR组件射频分口功率的分配。

所述多功能板2作为电讯功能板与所述天线阵列1进行结构配合，通过所述天线辐射板 20实现电磁波辐射，通过所述射频功率分配板24实现射频功率分配，通过所述低频功率分配板26实现低频信号分配，通过所述TR组件焊接板28实现电源及波控信号分配，通过所述第一参考地层15、所述第二参考地层18和所述参考地层板22实现大小信号隔离。同时所述多功能板2也作为所述多通道TR组件、所述射频接口、所述波控接口42、所述电源接口43 的承载机械件。

所述多通道TR组件采用瓦片式四通道组件，所述多通道TR组件内部集成了2×2路收发通道，每个通道均包含发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减芯片及收发控制开关，收发通过射频开关进行切换，形成了2×2阵列的子阵，并通过封装结构将这些器件封装成为一个SMT模块，能够采用成熟的表贴器件工艺进行配装，减小PCB板的设计走线长度，减小路径传输损耗，有利于毫米波功率传输；同时TR组件的配装工艺成熟度高、配装的可靠性和一致性高，有益于通道间的幅度、相位一致性控制，而且生产成本低，满足低成本的要求。同时其封装后接口简洁，非常方便下一步的电路设计。

64个四通道的TR组件组成16×16个以矩阵栅格排列的收发通道，每个四通道TR组件的射频总口与所述射频功率分配网络29的功率分配口相连，实现射频功率合成。四通道TR 组件的射频分口通过所述口径变换件6后经所述第二金属化通孔8与所述天线单元10相连接，实现射频功率辐射。

所述波控接口42采用25芯的平面微型矩形连接器，其高度低，满足系统低剖面的应用需求，多芯设置有利于多路控制信号的传输，其与外部的连接简洁，可靠性高。控制器发出的波束控制数据通过所述波控接口42进入所述TR组件焊接板上的波控电路从而产生收发开关、移相和衰减的波控信号，所述波控信号通过金属化通孔和所述低频功率分配网络层16分配到64个四通道TR组件，完成对所述多通道TR组件的控制，实现收发信号的开关、衰减和移相，实现收发信号的功率合成以及空间波束的扫描。

所述电源接口采用粗芯，一方面其针芯较粗，具有较大的电流承载能力，另一方面其表面接触电阻小，其引入的压降小，消耗掉的电源功率小，发热量低，从而有力保证了系统的稳定性，所述电源接口在各个所述多通道TR组件的电源输入端留有一大一小两个电源滤波电容，有效滤除了电源的纹波，使所述多通道TR组件稳定工作。具体的，将外接+48伏直流电源通过电源转接板后产生的1.8V电信号接入所述电源接口43，所述电信号通过金属化通孔进入所述电源层17，从而分配到64个四通道TR组件，完成对64个四通道TR组件的功率放大芯片、低噪声芯片和移相衰减多功能芯片的供电。

本发明采用多层PCB技术，通过垂直互联技术实现了天线阵列、射频信号功率分配网络、低频信号分配网络以及电源电路的一体化集成，避免了传统设计采用射频电缆、导线、连接器进行连接，其信号传输路径短，互联损耗小，功耗低，连接可靠性高，通道间一致性好；同时其占用的空间小，满足系统小型化、轻量化的应用需求。

实施例二

较佳的，所述多功能板2还设置有所述多通道TR组件工作产生热量的部分散热结构，其主要结构为：在所述TR组件焊接板28贯穿设置有若干导热通孔50，所述导热通孔50阵列化排布，且所述导热通孔50端部分别与所述多通道TR组件的热焊盘、所述第二参考地层18 相连接，所述第二参考地层18为金属层，具有较佳的导热性，所述多通道TR组件产生的部分热量可通过所述导热通孔50向所述第二参考地层18传导，然后横向传输，从而通过横向方向辐射到空间中。

较佳的，为保证较佳的散热效果，在所述多通道TR组件的上表面设置散热件，如图1中的第一散热件51、第二散热件52、第三散热件53、第四散热件54；所述散热件可设置为导热硅脂，然后通过将导热硅脂涂抹在所述多通道TR组件上，使导热硅脂与所述多通道TR组件外部的散热片相连接，实现热量的高速传导，既保持了所述多通道TR组件的稳定工作，也使得所述多通道TR组件工作在合理的温度范围，增加天线的工作寿命，提高系统的可靠性。

实施例三

所述射频功率分配网络29采用带状线形式，上下层有金属地层、四周有金属化通孔进行屏蔽，其电磁兼容性较好，对于电路的其他部分之间的相互影响小，所述射频功率分配网络29的功率合成口通过金属化通孔与所述天线单元10的50Ω微带线相连，实现信号的合成；所述射频功率分配网络29的功率分配口通过金属化通孔与所述TR组件焊盘层19相接，将激励信号均匀分配到各个所述多通道TR组件，再通过所述多通道TR组件的各个通道放大、移相实现功率向天线的分配，完成信号的辐射。

所述射频功率分配网络29的单元分配网络具有较宽的工作频带，剖面低且结构简单，加工方便，适合于毫米波频段，同时为了兼顾宽频段工作和应对由于加工误差引起的频偏，其采用多阶匹配结构，能够在满足系统尺寸的限制下提供较宽的工作频带，其射频分配采用1:32 形式，左右分为两块，分别为两个子阵提供射频功率分配，从而天线系统能够实现2×2MIMO 工作模式，也可以在阵列天线外采用功率合成的方式将两个子阵射频信号进行合成，从而使天线系统能够工作于高增益模式。

所述低频功率分配网络层16主要是完成波束控制信号(时钟、数据等)的分配，具体是通过金属化通孔的垂直互联方式与TR组件的波束控制引脚相连接，并在内层将控制信号汇总到电路板的边缘部分，通过金属化通孔连接至波控连接器，波控连接器通过排线与计算机相连接，计算机指令通过排线进入TR组件内部，实现对TR组件放大幅度和相位的调整，完成发射、接收以及波束扫描的功能控制。同时为了减少低频信号与射频信号之间的相互耦合影响，所述低频功率分配网络层16的低频信号分配网络与所述射频信号功率分配网络29之间采用金属地层进行隔离。

本发明采用宽带功率分配网络，并通过阻抗优化设计实现了宽带垂直互联，信号的传输路径上不存在谐振结构，均工作于传输状态，有力拓宽了其工作频带，满足了毫米波通信系统宽带工作的应用需求，保证了系统高速数据传输的功能。

发射过程：外部输入的射频信号经所述射频总口进入并通过所述射频功率分配网络29分成32路信号，然后经过垂直过渡分别进入四通道TR组件的输入总口，芯片内部再分为4路输出经由收发开关、幅度相位控制、功率放大器后形成大功率信号，最后通过所述口径变换件6送入所述天线单元10，完成电磁波的对外辐射，同时可通过所述波控接口来控制射频通道的幅度和相位，实现波束的空间扫描。

接收过程：空间中的射频信号由所述天线单元10接收，然后通过金属化通孔和口径变换件进入四通道TR组件，经四通道TR组件的低噪声放大器、幅度相位控制器以及收发开关后合成1路信号进入所述射频功率分配网络29，32路信号合成一路后经由金属化通孔输出到所述射频总口输出，实现信号接收，波束成型则通过控制通道的幅度和相位，实现空间功率扫描。

如图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，图5为24.25GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图；图6为26GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图；图7为27.5GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图；图8为24.25GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图；图9为26GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图；图10为27.5GHz状态下采用本发明所述应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列的水平向±60度、±30度、0度的扫描方向图。如图所见，本发明所述大规模MIMO有源天线阵列不仅具有高方向性增益，实现信号的定向传输，还具有良好的大角度空间扫描特性，实现信号的广域覆盖，从而有力提高了系统的容量，实现了低功率、高效率的信号传输。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，其特征在于，包括天线阵列、多功能板、多通道TR组件、波控电源模块，所述天线阵列对应设置于所述多功能板上，所述多通道TR组件和所述波控电源模块固定在所述多功能板上，并与所述天线阵列相连；

所述天线阵列包括从上至下依次设置的天线单元、天线反射层、射频功率分配网络层、第一参考地层、低频功率分配网络层、电源层、第二参考地层、TR组件焊盘层，所述第一参考地层设置为射频功率分配网络的参考地层；所述第二参考地层设置为PCB微带线的参考地层；所述电源层和所述低频功率分配网络层对应设置；

所述多功能板包括从上至下依次设置的天线辐射板、参考地层板、射频功率分配板、低频功率分配板、TR组件焊接板；所述多功能板还设置有黏合层，所述黏合层用于所述天线辐射板、所述参考地层板、所述射频功率分配板、所述低频功率分配板、所述TR组件焊接板之间的连接；

所述天线单元设置于所述天线辐射板的上端面，所述天线反射层设置于所述参考地层板的下端面，所述第一参考地层和所述射频功率分配网络层设置于所述参考地层板的上下两端面上，所述低频功率分配网络层和所述电源层设置于所述低频功率分配板的上下两端面上，所述第二参考地层和所述TR组件焊盘层设置于所述TR组件焊接板的上下两端面上，所述射频功率分配网络设置于所述射频功率分配板上，所述波控电源模块设置于所述TR组件焊接板上。

2.如权利要求1所述的应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，其特征在于，所述电源层位于所述低频信号分配网络层的下层，所述电源层用于为所述多通道TR组件以及相关驱动电路提供电源，所述电源层电路与所述低频信号分配网络层电路采用阵列金属化通孔连接。

3.如权利要求2所述的应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，其特征在于，所述TR组件焊盘层位于所述多功能板的底层，所述TR组件焊盘层上蚀刻有所述多通道TR组件的引脚焊盘，所述多通道TR组件的热焊盘通过矩阵金属化通孔与所述第二参考地层相连接，所述TR组件焊盘层还设置有射频总口及所述波控电源模块的波控接口和电源接口。

4.如权利要求3所述的应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，其特征在于，所述天线阵列设置有第一金属化通孔和第二金属化通孔，所述第一金属化通孔和所述第二金属化通孔通过口径变换件连接；所述第一金属化通孔贯穿所述TR组件焊接板设置；所述第二金属化通孔贯穿所述天线辐射板、所述参考地层板、所述射频功率分配板、所述低频功率分配板设置，所述口径变换件设置于所述黏合层和所述TR组件焊接板之间。所述天线单元的馈线通过所述第二金属化通孔与所述口径变换件相连接，然后通过所述第一金属化通孔与所述TR组件的射频分口相连接。

5.如权利要求4所述的应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，其特征在于，所述天线阵列按16×16阵列单元排布，且分为左右两个子阵，所述多通道TR组件采用瓦片式四通道组件，64个所述多通道TR组件组成16×16个以矩阵栅格排列的收发通道，每个所述多通道TR的射频总口与所述射频功率分配网络的功率分配口相连，所述多通道TR组件的射频分口通过所述口径变换件后经所述第二金属化通孔与所述天线单元相连接。

6.如权利要求5所述的应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，其特征在于，所述电源接口采用粗芯，所述电源接口在各个所述多通道TR组件的电源输入端设置有两个大小不同的电源滤波电容，电信号接入所述电源接口后所述电信号通过金属化通孔进入所述电源层，从而分配到所述多通道TR组件。

7.如权利要求6所述的应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，其特征在于，所述天线单元采用微带贴片单元，所述微带贴片单元以16×16个矩阵排列在所述天线辐射板上从而形成天线辐射层，所述天线单元间的间距水平向为0.45个波长，俯仰向为0.55个波长。

8.如权利要求1所述的应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，其特征在于，所述天线辐射板采用低损耗高频微波基板材料；所述黏合层采用与低损耗高频微波基板材料相容的黏合剂；所述参考地层板、所述射频功率分配板、所述低频功率分配板和所述TR组件焊接板均采用低损耗高频微波基板材料。

9.如权利要求3所述的应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，其特征在于，所述TR组件焊接板贯穿设置有若干导热通孔，所述导热通孔阵列化排布，且所述导热通孔端部分别与所述多通道TR组件的所述热焊盘、所述第二参考地层相连接。

10.如权利要求9所述的应用于5G毫米波通信的大规模MIMO有源天线阵列，其特征在于，所述多通道TR组件的上表面设置材料为导热硅脂的散热件，将所述散热件涂抹在所述多通道TR组件上，并与所述多通道TR组件外部的散热片相连接。