CN110224214A

CN110224214A - 一种天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备

Info

Publication number: CN110224214A
Application number: CN201910491199.5A
Authority: CN
Inventors: 朱德进
Original assignee: Tiantong Kaimei Microelectronics Co Ltd
Current assignee: TIANTONG RUIHONG TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2019-09-10

Abstract

本发明公开了一种天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，包括工作于毫米波频段的天线阵、射频前端器件和接口引脚，所述天线阵列采用毫米波有源相控阵天线，包括多个天线单元，所述多个天线单元之间设有0.1～10个波长的距离，所述天线单元呈阵元设置，其阵元数量为2个至数千个；所述天线阵列集成于芯片背部，所述射频前端器件集成于天线阵列下方。本发明的天线阵列与射频前端器件集成于同一芯片封装中，减少路径损耗，节约器件放置空间。

Description

一种天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备

技术领域

本发明涉及5G移动通讯领域，具体涉及一种天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备。

背景技术

目前，随着5G(第五代移动通信)商用离我们越来越近，毫米波在移动通信设备上的应用也更加受到重视。毫米波是指波长在1mm～10mm，即频率为30～300GHz的电磁波（如28GHz、37 GHz、39 GHz等，其中频率为60GHz左右为免许可频段），其可用带宽远大于目前所用的sub 6GHz微波频段。根据香农（Shannon）定理，信道容量Rmax与信道带宽W，信噪比S/N关系为： Rmax=W*log2(1+S/N)。因此更宽的带宽，意味着更大的信道容量，因此可以更好地满足5G通讯对大数据流量的需求。

但是由于波长短，在信道中的传播衰减更快，绕射能力极弱，因此通常用于视距（LOS）通信。采用常规的单个天线形式，或者MIMO技术增加天线数量，已无法解决此问题。常见的天线阵列的形式由于波束成形使得主瓣增益高、波束窄，可以增加传输距离，但是如果不能实现波束扫描，当基站信号与其主瓣没有对准时会出现信号急剧衰减。而常规的贴片天线或微带天线阵元形式，天线增益较低，多天线阵元之间的耦合较强，无法适应毫米波对高增益的要求。

同时，由于毫米波的高频特性，其在射频前端的电路传输线损也需要尽量减小，传统的天线与各功能模组分开设计加工再通过高频线缆连接的方式已经无法满足，天线阵与射频前端集成设计是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，天线阵列与射频前端器件集成于同一芯片封装中，减少路径损耗，节约器件放置空间。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，包括工作于毫米波频段的天线阵、射频前端器件和接口引脚，所述天线阵列采用毫米波有源相控阵天线，包括多个天线单元，所述多个天线单元之间设有0.1～10个波长的距离，所述天线单元呈阵元设置，其阵元数量为2个至数千个；所述天线阵列集成于芯片背部，所述射频前端器件集成于天线阵列下方。

作为一种优选，所述天线单元为类八木天线阵元，所述类八木天线阵元由不同层部件构成，包括引向器、有源辐射振子、导通连接部件、巴伦和反射器，所述引向器位于有源辐射振子上层，所述有源辐射振子通过位于跨层结构中的导通连接部件与位于下一层的巴伦相连接，所述反射器为射频前端器件的主地，与巴伦位于同一层。

作为一种优选，所述多个天线单元采用8阵元矩形阵阵列分布形式，其中8个天线阵元分为4组，每组2个排列于芯片的四边，8个天线阵元构成首尾相连的口字型矩形阵列分布形式。

作为一种优选，所述引向器由数个无源引向单元构成，与有源辐射振子相对应设置，每个无源引向单元均为内部挖空的金属片，数个无源引向单元的组合排列方式包括但不限于矩形、圆形、三角形、口字型的阵列排列。

作为一种优选，所述有源辐射振子采用蝴蝶结半波偶极子天线形式。

作为一种优选，所述巴伦为微带形式，通过导通连接部件与所述有源辐射振子实现跨层导通，其两臂长度相差半个波长，以实现差模激励。

作为一种优选，所述反射器大于四分之一波长。

作为一种优选，所述射频前端器件包括双工器、功率放大器、低噪声放大器、衰减器、功率分配/合成网络和移相器。

作为一种优选，还包括外围的控制接口、输出输入接口及供电接口。

本发明所提供的电子设备包括并不限定于移动通信设备，如手机、可穿戴设备、车联网设备、无人机等。本发明小型天线单元包括但不限于偶极子天线、贴片天线、微带天线、类八木（Yagi-Uda）天线、缝隙耦合天线、折合振子天线或其它天线形式。天线阵元通常按照一定的方式排列，常规的例如可以设置成8阵元、16阵元、32阵元或64阵元等，有矩形阵、三角形阵、圆形阵、环形阵、一字阵等。

本发明的有益效果是: 1.天线阵列与射频前端器件集成于同一芯片封装中，减少路径损耗，节约器件放置空间。2.毫米波有源相控阵，实现多波束合成与波束电扫描，天线增益高、传输距离更远。各天线阵元独立配备T/R组件，减小噪声系数，提高系统灵敏度。3.天线阵阵元类八木（Yagi-Uda）天线提供更高的天线增益。4.有源辐射振子采用中空蝴蝶结偶极子天线，天线效率高、带宽宽，与其它天线阵元之间耦合量减小。5.引向器单元采用中空的口字型金属面，有效提高天线增益，并减小与天线阵元其它引向单元之间的耦合。6.多天线阵呈口字型矩形阵列排列，可以有效降低阵元之间的相互耦合。

附图说明

图1为本发明实施例的示意图。

图2为本发明实施例的结构示意图。

图3为本发明实施例类八木天线阵元的结构示意图一。

图4为本发明实施例类八木天线阵元的结构示意图二。

图5为本发明实施例8阵元结构示意图。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

具体实施方式

结合附图1至5所示，一种天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，包括工作于毫米波频段的天线阵列110、射频前端器件120和接口引脚130，所述天线阵列110集成于芯片背部，射频前端器件120集成于天线阵列110下方。所述天线阵列110采用毫米波有源相控阵天线10，即相位控制电子扫描阵列，利用多个独立控制的小型天线单元111排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相器126控制，通过控制各天线单元111发射的相位，就能合成不同相位波束。多个天线单元111之间设有0.1～10个波长的距离，以使得天线阵元之间的互耦降低至可接受范围内。所述毫米波有源相控天线阵合成方向图由天线阵元方向图、天线阵阵列因子、移相器等共同决定。所述天线单元为类八木天线，采用8阵元矩形阵阵列分布形式，其中8个天线阵元分为4组，每组2个排列于芯片的四边，8个天线阵元构成首尾相连的口字型矩形阵列分布形式。所述射频前端器件120包括双工器121、功率放大器122、低噪声放大器123、衰减器124、功率分配/合成网络125和移相器126。所述接口引脚130设置于外围，包括接口引脚131、接口引脚132、接口引脚133，还包括外围的控制接口20，即波束控制、输出输入接口30，即收发信机及供电接口40，即电源。

如图3、图4所示，所述类八木天线阵元由不同层部件构成，包括引向器010、有源辐射振子011、导通连接部件012、巴伦013和反射器014，所述引向器010位于有源辐射振子011上层，所述有源辐射振子011通过位于跨层结构中的导通连接部件012与位于下一层的巴伦013相连接，所述反射器014为射频前端器件的主地，与巴伦013位于同一层。

所述引向器010由数个无源引向单元构成，与有源辐射振子011相对应设置。每个无源引向单元均为内部挖空的金属片，数个无源引向单元的组合排列方式包括但不限于矩形、圆形、三角形阿卡口字型的阵列排列。作为一个具体实施案例，本发明提供一种外部形状为矩形，内部挖空区域也呈矩形的口字形无源引向单元，其口径略小于四分之一波长。无源引向单元的形状还可以进行其它变形，包括但不限于中空环形、中空菱形，及其它任意形状或其组合变形。采用内部挖空的引向器单元，可以有效提高引向效果，同时相较于未挖空的引向器单元来说，由于其表面积减小，多个引向器单元之间的耦合也会相应降低。无源引向单元可以由一个或多个构成，当采用多个无源引向单元时，所述无源引向单元可以是由同种形状无源引向单元组成，也可以是由不同形状无源引向单元混合构成。多个无源引向单元以特定的组合排列方式，包括但不限于矩形、圆形、三角形、口字型等阵列排列方式进行放置。所述无源引向单元与有源辐射振子011之间有一预设的距离，即层厚。引向器略小于四分之一波长，相较于有源辐射振子011呈容性，相位超前90°左右，而从有源辐射振子011辐射来的电磁波经过空间传播，相位亦有滞后，当二者相位叠加在0°左右时，就会同相叠加。从而起到引向作用。类八木（Yagi-Uda）天线为端射（end-fire）型天线，天线方向图朝向引向器方向010，相较于传统的贴片天线与微带天线，能够实现更大的天线增益（Gain）。引向器010还可以是多层引向单元，每增加一层引向单元，理论上可以提高3dB增益。但是引向单元的数量并不能无限制地增加，当引向单元数量达到一定数量时，比如10个时，远端引向单元上产生的感应电流非常微弱，其对增益的改善基本可以忽略。而过多的引向单元层又会增大芯片的高度，因此需要在增益与高度之间进行平衡。作为一个具体实施案例，本发明提供仅有一层引向单元时的解决方案。在芯片高度要求较低，而天线增益更为重要的情况下，可以降引向单元增加到2层至10层左右均可。

所述有源辐射振子011采用蝴蝶结半波偶极子天线形式。由于偶极子天线末梢电流为零，因此首尾相连的8个天线之间的末梢电流互相耦合可以降至最低。相互平行的天线阵元，由于分布距离相对较远，其电流互相耦合也降至最低。天线的双臂分别为以特定的角度逐渐加宽的三角形，双臂三角形其中一对角相对设置，从而构成蝴蝶结形式。因天线线宽连续，天线辐射电阻也相对线型偶极子双臂大，因此具有超宽带，高效率特性。天线中部为挖空，所述挖空区域形状包括但不限于三角形、圆形、菱形等形状或其组合。作为一个具体实施案列，本发明示出了当所述蝴蝶结天线双臂挖空区域为三角形，并且挖空三角形区域的三条边分别与天线臂三角形相平行时的天线形式。由于趋肤效应(skin effect)，天线电流主要集中于天线边缘，因此中部挖空对天线性能几乎没有影响。同时，因为天线面积减小，相邻有源辐射振子阵元之间的耦合减小。可以压缩阵元之间的距离，从而缩小集成芯片尺寸，同时，更小的天线镀金区域，还可以更大地降低天线成本。

本发明所提供的导通连接部件012，同常可以是金属过孔、芯片内埋金属线等，用于实现天线阵子各部分之间的跨层馈电。

本发明所提供的巴伦（Balun）013，用于平衡-非平衡馈电。所述巴伦（Balun）013为微带形式，与主地位于同一层，并通过所述导通连接部件与所述有源辐射振子011实现跨层导通。巴伦（Balun）013提供微带线到共面带线偶极子的转换，巴伦（Balun）013两臂长度相差半个波长，以实现差模激励。

所述反射器014利用位于有源辐射振子所在层之下的射频前端电路的主地，实现反射功能，从而无需设计额外的反射器014而增加提及与成本。反射器014大于四分之一波长，相较于有源辐射振子011呈感性，相位滞后90°左右，而从有源辐射振子011辐射来的电磁波经过空间传播，相位亦有滞后，当二者相位叠加在180°左右时，就会因为相位相反，相互抵消。从而起到反射作用。

毫米波有源相控阵天线与所述射频前端通过低温共烧陶瓷（LTCC）或其它集成工艺，集成于同一芯片模组之中，其中所述毫米波有源相控阵天线通常位于芯片的最顶层，从而可以更好地朝外围辐射。所述射频前端电路可以是一个或多个模组，采用互补金属氧化物半导体(CMOS)、绝缘衬底基硅（SOI）工艺、微机电系统(MEMS)工艺等集成。

毫米波有源相控阵天线各辐射单元，即阵元分别经过双工器121后，进行接收/发射放大。相较于无源相控阵，本发明所提供的有源相控阵方案，每个阵元独立配备功放组件，其接收通道信号在尽量靠近接收端放大，避免引入更多系统噪声，从而可以更好地提高信噪比，在频宽、信号处理和冗余度设计上相较于无源相控阵都更有优势。

其中功放组件包括接收通道的低噪声放大器（LNA）123及发射通道的功率放大器122。所述功放组件可以是支持单路输入输出信号的，也可以是支持多路输入输出信号。当其仅支持单路输入输出信号时，通常为每个毫米波相控阵天线阵元分别配备有一组收发放大组件。当其为支持单路输入输出信号时，可以将毫米波相控阵天线阵元分成若干个子阵，每个子阵对应一组收发放组件。作为一个例子，可以采用支持4路输入输出信号的收发放大组件，并将8阵元矩形阵天线分成两个子阵。

所述移相器126通常为数字移相器，其为毫米波有源相控阵的每个天线阵元提供特定的相位偏移，使得不同天线阵元通路获得不同的相位。利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各辐射阵元电流的相位，就可以改变波束的方向进行扫描。因此在实际移动通信中，移动终端电子设备的最大波瓣方向可以自动朝向来波最大辐射方向，从而实现最大辐射增益，避免来波最大辐射方向朝向移动终端电子设备的波瓣零陷方向，造成信号急剧衰减。

所述衰减器124采用数字衰减器，其位于接收通道，对不同天线阵元所接收、放大后的信号幅度分别进行步进控制，从而使得每路接收信号按照合成波瓣得需要具有不同幅度。所述衰减器通过与移相器结合，达到控制所述毫米波有源相控阵天线波束方向、波束数量及主旁瓣比等，从而实现波束的电控扫描。

所述功率分配/合成网络125用于将发射信号分配给多路天线阵元信号通道，或者将接收到的多路天线阵元信号进行合成，其输入端口信号与收发信机相连接，进行调制与解调。在一些拓展实施案例中，移相器、衰减器及功率分配/合成网络还可以设计为一个功能模块。

如上所述的毫米波有源相控阵天线10、双工器121、收发放大组件（包括功率放大器122与低噪声放大器123）、移相器126、衰减器124、功率分配/合成网络125，通过采用低温共烧陶瓷（LTCC）或其它集成工艺，集成于同一芯片模组之中。

上述芯片模组中，毫米波天线阵及各射频前端功能模组构成级联模式，各级联模组之间的阻抗匹配设计，不局限于传统50欧姆匹配模式。本领域专业人员很容易理解到，作为一个例子，当上级功能模组输出阻抗为一个含有电抗虚部的复阻抗时，其下级功能模组仅需采用共轭匹配方式与之匹配即可。无需将上级功能模组输出阻抗与下及功能模组输入阻抗设计成50欧姆，并增加链路匹配进行匹配。同样的，天线与射频前端之间的匹配也无需限定为50欧姆匹配模式进行设计。具体地，可以根据从天线端口向射频模组方向看，所测得的实际输出阻抗，进行天线阻抗设计。

Claims

1.一种天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，其特征在于：包括工作于毫米波频段的天线阵列（110）、射频前端器件（120）和接口引脚（130），所述天线阵列（110）采用毫米波有源相控阵天线（10），包括多个天线单元（111），所述多个天线单元（111）之间设有0.1～10个波长的距离，所述天线单元（111）呈阵元设置，其阵元数量为2个至数千个；所述天线阵列（110）集成于芯片背部，所述射频前端器件（120）集成于天线阵列（110）下方。

2.如权利要求1所述的天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，其特征在于：所述天线单元（111）为类八木天线阵元，所述类八木天线阵元由不同层部件构成，包括引向器（010）、有源辐射振子（011）、导通连接部件（012）、巴伦（013）和反射器（014），所述引向器（010）位于有源辐射振子（011）上层，所述有源辐射振子(011)通过位于跨层结构中的导通连接部件(012)与位于下一层的巴伦(013)相连接，所述反射器（014）为射频前端器件的主地，与巴伦（013）位于同一层。

3.如权利要求1所述的天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，其特征在于：所述多个天线单元采用8阵元矩形阵阵列分布形式，其中8个天线阵元分为4组，每组2个排列于芯片的四边，8个天线阵元构成首尾相连的口字型矩形阵列分布形式。

4.如权利要求2所述的天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，其特征在于：所述引向器（010）由数个无源引向单元构成，与有源辐射振子（011）相对应设置，每个无源引向单元均为内部挖空的金属片，数个无源引向单元的组合排列方式包括但不限于矩形、圆形、三角形、口字型的阵列排列。

5.如权利要求2所述的天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，其特征在于：所述有源辐射振子（011）采用蝴蝶结半波偶极子天线形式。

6.如权利要求2所述的天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，其特征在于：所述巴伦013为微带形式，通过导通连接部件（012）与所述有源辐射振子（011）实现跨层导通，其两臂长度相差半个波长，以实现差模激励。

7.如权利要求2所述的天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，其特征在于：所述反射器（014）大于四分之一波长。

8.如权利要求1所述的天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，其特征在于：所述射频前端器件（120）包括双工器（121）、功率放大器(122)、低噪声放大器（123）、衰减器（124）、功率分配/合成网络（125）和移相器（126）。

9.如权利要求1所述的天线阵列和射频前端器件与芯片集成的电子设备，其特征在于：还包括外围的控制接口（20）、输出输入接口（30）及供电接口（40）。