CN113472383A - 一种射频前端模组及5g大规模mimo基站系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种射频前端模组及5G大规模MIMO基站系统，该模组包括若干路收发通道；每路收发通道包括开关和低噪声放大器模块，开关的一端与RFIN端连接，一端与Load端连接，一端与低噪声放大器模块连接。每路收发通道中大功率和高回波损耗开关的使用使该收发通道可以在大功率下正常工作，提高了发射通道的功率；高性能多增益模式的GaAs低噪声放大器模块，提高了收发通道的性能和动态范围；每个模组可集成两路通道，使基站射频前端系统更紧凑，成本更低；高隔离的芯片封装避免了通道和互不干扰端口间的耦合影响；本发明解决了5G大规模MIMO基站系统中遇到的大功率、多通道、高性能、高集成、低成本的问题。

Description

一种射频前端模组及5G大规模MIMO基站系统
技术领域
本发明涉及射频前端技术领域，尤其涉及一种射频前端模组及5G大规模MIMO基站系统。
背景技术
在4G LTE基站后期部署中，普遍采用大规模多路输入、多路输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)无线技术，特别是在密集的城市地区，小型基站有效地填补了信号覆盖的空白，同时提高了数据服务速度。因为这种架构本身具备所需的频谱效率和传输可靠性，它也成为了正在快速发展的5G网络通信系统的首选架构。然而该技术用到5G通信系统中时，设计人员必须在多个频段大幅增加收发器的通道数量，同时将所有必要的硬件压缩整合到与前一代设备同样大小或更小的空间中。这样做意味着：1).通道越多，基站内外的射频功率就越高，如此会加剧相互无干扰的通道之间隔离问题；2).为了在大功率信号下保持可靠性，接收机前端射频组件必须提高动态范围性能；3).5G通信系统射频前端模组的尺寸也必须要尽可能的紧凑；4).随着电子设备和发射机射频前端功率不断增加，芯片在高温下工作的可靠性也至关重要。
5G基站通信系统为了获得更高的数据传输速率来支持各种无线服务和满足不同的传输方案，系统设计人员将面临更复杂的电路设计需求。首先，5G通信基站系统必须满足和上一代通信系统相似的尺寸、功率和成本预算。其次，在5G基站系统中增加更多收发通道，虽然可以获得更高的吞吐量，但需要在更高的射频功率等级上实现每个收发通道。为了实现更高的射频功率，基站设计人员在射频前端设计中没有太多选择，更多的是只能依赖于需要高偏置功率和复杂外设电路的传统解决方案来实现，这使得实现设计目标时更加困难。
以上问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于通过一种射频前端模组及5G大规模MIMO基站系统，来解决以上背景技术部分提到的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种射频前端模组，其包括N路收发通道，其中，N为正整数；每路收发通道包括开关和低噪声放大器模块，所述开关的一端与RFIN端连接，一端与Load端连接，一端与低噪声放大器模块连接。
特别地，所述开关采用但不限于单刀双掷开关。
特别地，所述低噪声放大器模块包括M颗芯片，其中，M为正整数。
特别地，所述低噪声放大器模块包括两个低噪声放大器。
特别地，所述射频前端模组包括两路收发通道即A通道和B通道，所述A通道包括单刀双掷开关SW1A和第一低噪声放大器模块，其中，所述第一低噪声放大器模块包括低噪声放大器LNA1A和带旁路功能的低噪声放大器LNA2A，所述单刀双掷开关SW1A的一端与RFIN_A端连接，一端与Load_A端连接，输出端与低噪声放大器LNA1A的输入端连接，低噪声放大器LNA1A的输出端与带旁路功能的低噪声放大器LNA2A的输入端相连接，带旁路功能的低噪声放大器LNA2A的输出端与RFOUT_A端连接；所述B通道包括单刀双掷开关SW1B和第二低噪声放大器模块，其中，所述第二低噪声放大器模块包括低噪声放大器LNA1B和带旁路功能的低噪声放大器LNA2B，所述单刀双掷开关SW1B的一端与RFIN_B端连接，一端与Load_B端连接，输出端与低噪声放大器LNA1B的输入端连接，低噪声放大器LNA1B的输出端与带旁路功能的低噪声放大器LNA2B的输入端相连接，带旁路功能的低噪声放大器LNA2B的输出端与RFOUT_B端连接。
特别地，所述射频前端模组的芯片封装采用基板、引线框架的任一种。
特别地，所述射频前端模组中不同的收发通道间设置有金丝电磁屏蔽墙以隔离空间耦合，所述金丝电磁屏蔽墙有s行t列，其中s和t为正整数。
特别地，所述射频前端模组在基板上开设有用于隔离基板间耦合的隔离槽。
特别地，所述单刀双掷开关采用大功率单刀双掷开关；所述低噪声放大器模块包括高线性低噪声放大器和带旁路功能的可应用于TDD系统中的高线性低噪声放大器。
本发明进一步公开一种5G大规模MIMO基站系统，该系统采用上述射频前端模组。
本发明提出的射频前端模组及5G大规模MIMO基站系统的每路收发通道中，大功率和高回波损耗开关的使用，使该收发通道可以在大功率下正常工作，提高了发射通道的功率；高性能多增益模式的GaAs低噪声放大器模块，提高了收发通道的性能和动态范围；每个模组集成两路通道，使基站射频前端系统更紧凑，成本更低；高隔离的芯片封装避免了通道和互不干扰端口间的耦合影响；从而使该发明解决了5G大规模MIMO基站系统中遇到的大功率、多通道、高性能、高集成、低成本的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的射频前端模组结构框图；
图2为本发明实施例提供的A通道中低噪声放大器模块结构框图；
图3为本发明实施例提供的射频前端模组优选的高隔离封装设计图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
本实施例中射频前端模组包括N路收发通道，其中，N为正整数；每路收发通道包括开关和低噪声放大器模块，所述开关的一端与RFIN端连接，一端与Load端连接，一端与低噪声放大器模块连接。其中，所述开关采用但不限于单刀双掷开关。所述低噪声放大器模块包括M颗芯片，其中，M为正整数。
具体的，在本实施例中所述单刀双掷开关采用大功率单刀双掷开关；所述低噪声放大器模块包括高线性低噪声放大器和带旁路功能的可应用于TDD系统中的高线性低噪声放大器。
具体的，在本实施例中所述射频前端模组的芯片封装可采用基板、引线框架的任一种。具体的，在本实施例中所述射频前端模组中不同的收发通道间设置有金丝电磁屏蔽墙以隔离空间耦合。具体的，在本实施例中所述射频前端模组在基板上开设有用于隔离基板间耦合的隔离槽。
实施例二
本实施例中射频前端模组包括N路收发通道包括两路收发通道即A通道和B通道。所述A通道包括单刀双掷开关SW1A和第一低噪声放大器模块，其中，所述第一低噪声放大器模块包括低噪声放大器LNA1A和带旁路功能的低噪声放大器LNA2A，所述单刀双掷开关SW1A的一端与RFIN_A端连接，一端与Load_A端连接，输出端与低噪声放大器LNA1A的输入端连接，低噪声放大器LNA1A的输出端与带旁路功能的低噪声放大器LNA2A的输入端相连接，带旁路功能的低噪声放大器LNA2A的输出端与RFOUT_A端连接。
所述B通道包括单刀双掷开关SW1B和第二低噪声放大器模块，其中，所述第二低噪声放大器模块包括低噪声放大器LNA1B和带旁路功能的低噪声放大器LNA2B，所述单刀双掷开关SW1B的一端与RFIN_B端连接，一端与Load_B端连接，输出端与低噪声放大器LNA1B的输入端连接，低噪声放大器LNA1B的输出端与带旁路功能的低噪声放大器LNA2B的输入端相连接，带旁路功能的低噪声放大器LNA2B的输出端与RFOUT_B端连接。
具体的，在本实施例中所述单刀双掷开关SW1A和单刀双掷开关SW1B采用大功率单刀双掷开关；所述第一低噪声放大器模块和第二低噪声放大器模块均包括高线性低噪声放大器和带旁路功能的可应用于TDD系统中的高线性低噪声放大器。
具体的，在本实施例中所述射频前端模组的芯片封装可采用基板、引线框架的任一种。具体的，在本实施例中所述射频前端模组中不同的收发通道间设置有金丝电磁屏蔽墙以隔离空间耦合，所述金丝电磁屏蔽墙有s行t列，其中s和t为正整数。具体的，在本实施例中所述射频前端模组在基板上开设有用于隔离基板间耦合的隔离槽。
工作时，如图1所示，所述射频前端模组在TX工作模式时，单刀双掷开关001(SW1A)和单刀双掷开关003(SW1B)的a1和b1端分别接在a3和b3上，此时RFIN到Load端口接通，有大功率信号通过，此时低噪声放大器LNA1A、低噪声放大器LNA1B以及带旁路功能的低噪声放大器LNA2A和带旁路功能的低噪声放大器LNA2B处于关闭状态，同时为了降低端口上的回波损耗，以降低芯片的发热，其RFIN和Load端口的电压驻波比(VSWR)<1.2。
所述射频前端模组在RX工作模式时，单刀双掷开关001和单刀双掷开关003的a1和b1端分别接在a2和b2上，低噪声放大器LNA1A、低噪声放大器LNA1B、带旁路功能的低噪声放大器LNA2A和带旁路功能的低噪声放大器LNA2B处于工作状态，RFIN到RFOUT通路接通，此时如果接收信号过小，可以通过调整带旁路功能的低噪声放大器LNA2A和带旁路功能的低噪声放大器LNA2B工作在放大器模式放大接收信号，如果接收信号过大，可以通过调整带旁路功能的低噪声放大器LNA2A和带旁路功能的低噪声放大器LNA2B工作在旁路模式来减小接收信号，从而增加动态范围。其中，在本实施例中所述的RX工作模式的LNA1A(LNA1B)和LNA2A(LNA2B)可以是一颗die如图1中002，也可以是两颗die组合而成，如图2中的LNA1A和LNA2A。
具体的，在本实施例中所述带旁路功能的低噪声放大器LNA2A和带旁路功能的低噪声放大器LNA2B，如图2中的LNA2A，其有两种工作模式：放大器模式SW021和SW025以及SW024关闭，SW022和SW023开启，同时LNA2A中的放大器工作；旁路模式SW021和SW025以及SW024开启，SW022和SW023关闭，同时LNA2A的放大器关闭。
具体的，在本实施例中对于射频前端模组的芯片封装，如图3所示，A通道和B通道，通过金丝隔离墙来屏蔽两个通道间的空间耦合，其中金丝隔离墙可以为1到s排，每一排有t根金丝，其中s和t最小可以取1；除此，两个通道间的基板挖有隔离槽，如图3中的虚线框中的S1和S2，用于隔离基板间的耦合。
在本实施例中应用于5G大规模MIMO基站系统的射频前端模组具有大功率，多通道、高性能、高集成、低成本的特点能很好的满足5G大规模MIMO基站系统的射频前端需求。如图3所示，优选的，A通道和B通道为镜像对称设计，保证两个通道性能的一致性，其中A通道(B通道)由单刀双掷开关SW1A(SW1B)和低噪声放大器模块002(004)构成，其中，单刀双掷开关SW1A(SW1B)均优先大功率开关，低噪声放大器模块002(004)包含LNA1A(LNA1B)和LNA2A(LNA2B)两个低噪声放大器；A通道和B通道间增加了金丝屏蔽墙b1、b2、b3，每个屏蔽墙有4排；用于屏蔽两个通道信号间的空间耦合，两个通道间的基板通过开槽S1和S2隔开，以减小基板间的通道信号耦合；除此，开关SW1A(SW1B)通过金丝BW3A与低噪声放大器模块002(004)连接；上文已有说明，图3中的低噪声放大器模块可以是一颗芯片构成的模块，也可以是多颗芯片构成的模块。芯片封装005采用6层基板设计，槽S1和S2主要为基板上的金属层被去掉，通过介质相连接。
需要说明的是，本发明实例中所提供的低噪声放大器模块的制造工艺可以是如下的任一种：CMOS(Comp-lementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)、SOI(Silicon-On-Insulato，绝缘衬底上的硅)、SiGe、GaAs-pHEMT(Pseudomorphic HEMT)、HBT(Hetero-junction Bipolar Transistor,异质结双极晶体管)、BJT(Bipolar JunctionTransistor,双极结型晶体管)、BiCMOS等多种工艺。
实施例三
本实施例提供一种5G大规模MIMO基站系统，该系统采用但不限于上述实施例一、实施例二任一所述的射频前端模组。
本发明提出的射频前端模组适合时分双工(TDD)系统的多芯片模组，其中集成低噪声放大器和大功率开关，使尺寸和成本都得到了很好的控制。同时，并针对M-MIMO天线信号输入端口进行了优化设计，使其拥有非常好的回波损耗。除此之外，通道间还拥有非常高的隔离度，减小无关通道间的相互干扰。本发明通过硅工艺SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)集成大功率开关以及GaAs工艺集成高性能低噪声放大器，兼具高射频功率处理能力和高集成度，无需牺牲任何一方面。
上面结合附图对本发明实施例进行了详述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求的保护范围下，还可以设计出工作在其他频率和其他工作模式。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (10)

1.一种射频前端模组，其特征在于，包括N路收发通道，其中，N为正整数；每路收发通道包括开关和低噪声放大器模块，所述开关的一端与RFIN端连接，一端与Load端连接，一端与低噪声放大器模块连接。
2.根据权利要求1所述的射频前端模组，其特征在于，所述开关采用但不限于单刀双掷开关。
3.根据权利要求1所述的射频前端模组，其特征在于，所述低噪声放大器模块包括M颗芯片，其中，M为正整数。
4.根据权利要求2所述的射频前端模组，其特征在于，所述低噪声放大器模块包括两个低噪声放大器。
5.根据权利要求4所述的射频前端模组，其特征在于，所述射频前端模组包括两路收发通道即A通道和B通道，所述A通道包括单刀双掷开关SW1A和第一低噪声放大器模块，其中，所述第一低噪声放大器模块包括低噪声放大器LNA1A和带旁路功能的低噪声放大器LNA2A，所述单刀双掷开关SW1A的一端与RFIN_A端连接，一端与Load_A端连接，输出端与低噪声放大器LNA1A的输入端连接，低噪声放大器LNA1A的输出端与带旁路功能的低噪声放大器LNA2A的输入端相连接，带旁路功能的低噪声放大器LNA2A的输出端与RFOUT_A端连接；所述B通道包括单刀双掷开关SW1B和第二低噪声放大器模块，其中，所述第二低噪声放大器模块包括低噪声放大器LNA1B和带旁路功能的低噪声放大器LNA2B，所述单刀双掷开关SW1B的一端与RFIN_B端连接，一端与Load_B端连接，输出端与低噪声放大器LNA1B的输入端连接，低噪声放大器LNA1B的输出端与带旁路功能的低噪声放大器LNA2B的输入端相连接，带旁路功能的低噪声放大器LNA2B的输出端与RFOUT_B端连接。
6.根据权利要求1所述的射频前端模组，其特征在于，所述射频前端模组的芯片封装采用基板、引线框架的任一种。
7.根据权利要求6所述的射频前端模组，其特征在于，所述射频前端模组中不同的收发通道间设置有金丝电磁屏蔽墙以隔离空间耦合，所述金丝电磁屏蔽墙有s行t列，其中s和t为正整数。
8.根据权利要求1所述的射频前端模组，其特征在于，所述射频前端模组在基板上开设有用于隔离基板间耦合的隔离槽。
9.根据权利要求2所述的射频前端模组，其特征在于，所述单刀双掷开关采用大功率单刀双掷开关；所述低噪声放大器模块包括高线性低噪声放大器和带旁路功能的可应用于TDD系统中的高线性低噪声放大器。
10.一种5G大规模MIMO基站系统，其特征在于，该系统采用权利要求1至9任一项所述的射频前端模组。
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