CN114678701A - 一种毫米波可切换mimo天线单元及天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种毫米波可切换MIMO天线单元，包括从上到下依次排列的顶层、第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层和底层，同时还存在贯穿六层金属层的通孔和设置的四个盲孔；顶层包含11块射频切换芯片贴片，采用三层复用结构，第一金属层为地线层，第二金属层为控制信号层，第三金属层为电源层，第四金属层为地线层。一种毫米波可切换MIMO天线阵列，包括按照1×32线阵排列的如前的天线单元，极化方式采用垂直极化，中心频率为38.5GHZ。与现有技术相比，本发明具有耦合性小、可靠性高、结构清晰紧凑、切换频率高、成本低、能贴合实际大规模天线基站等优点。

Description

一种毫米波可切换MIMO天线单元及天线阵列
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种适用于37.9GHz-39.1GHz频段的毫米波可切换MIMO实体32阵元天线单元及天线阵列。
背景技术
随着个人移动通信的高速发展，无线电频谱的低端频率已趋饱和，而毫米波具有丰富的频谱资源和高载波频率，且工作波长短，能减小系统原件体积，应用场景十分广泛。但是，毫米波作为一种高频率波，在传输中衰减比较明显，路径受阻和损耗也比较明显，因此需要采用合适的天线来提高毫米波的传输效益。在实际生活中，大家所用的终端一般搭载单天线或者MIMO天线，二者的增益不高，且单天线辐射方向图的波束宽度都比较宽。在很多长距离通信的需求中，需要有强定向性天线(比如基站天线等)来弥补空间衰减。天线阵列，也可称为相控阵列，是由两个或更多个天线组成的一组天线。这些天线通过将信号相互组合，可以提高整体总增益，实现分集接收，抵消干扰，调至特定朝向，测量输入信号的来源方向，以及最大程度地增大信号干扰噪声比(SINR)。
专利CN108598690A公开了一种毫米波Massive MIMO天线单元及阵列天线，该毫米波Massive MIMO阵列天线，按照8×16阵列排列的天线单元，阵元间的互耦小、结构紧凑，但是仍存在着结构复杂、无法应用在时变环境中以及无法贴合实际大规模天线基站的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种耦合性小、可靠性高、结构清晰紧凑、切换频率高、成本低、能贴合实际大规模天线基站的毫米波可切换MIMO天线单元及天线阵列。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种毫米波可切换MIMO天线单元，包括从上到下依次排列的顶层101、第一金属层102、第二金属层103、第三金属层104、第四金属层105和底层106，
所述顶层101采用三层复用结构，包含11块射频切换芯片，其中，1块切换芯片位于第一层，2块切换芯片位于第二层，8块切换芯片位于第三层，第二层的2个芯片的输入端连接至第一层芯片的2个输出端，其中第二层的1个切换芯片的4个输出端分别连接至第三层的4个切换芯片的输入端，另一个切换芯片的4个输出端分别连接至第三层的另外4个切换芯片的输入端，所述切换芯片被配置为每次只能导通一个端口；
所述第一金属层102为地线层；
所述第二金属层103为控制信号层，布置有RF传输线；
所述第三金属层104为电源层；
所述第四金属层105为地线层；
所述顶层101和底层106的外侧设有焊阻层
所述顶层101和第一金属层102之间设有第一介质层201；
所述第一金属层102和第二金属层103之间设有第二介质层202；
所述第二金属层103和第三金属层104之间设有第三介质层203；
所述第三金属层104和第四金属层105之间设有第四介质层204；
所述第四金属层105和底层106之间设有第五介质层205；
所述顶层101上开有通孔，贯穿所有金属信号层、介质层和底层，同时所述顶层101和第一介质层201通过第一盲孔连接，第一金属层102和第二介质层202通过第二盲孔连接，第二金属层103和第三介质层203通过第三盲孔连接，第三金属层104和第四介质层204通过第四盲孔连接。
所述第三金属层104的电源走线上设有用于滤除高频噪声的旁路电容，同时设有用于应用额外旁路电容器的预留空间位置；所述第二金属层103的控制走线上设有电阻电容滤波器。
所述RF传输线使用共面波导模型，走线宽度为14密耳，离地间隙为7密耳，具有50Ω的特征阻抗，RF输入和输出端口通过50Ω传输线连接到2.4毫米RF发射器。
所述第二金属层103为高频信号层，放置电路中的高频电路。
所述切换芯片具有相同结构、相同尺寸，并按树形结构排列。
所述第一金属层102和第四金属层105分别连接到不同的地线源。
一种毫米波可切换MIMO天线阵列，包括按照1×32线阵排列的如权利要求1所述的天线单元，极化方式采用垂直极化，中心频率为38.5GHZ。
所述天线阵列的两个相邻天线单元之间的水平方向间距为0.5个波长。
所述阵列天线呈长方形，左右中心对称结构，天线阵列长为165mm，宽为72mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的天线单元顶层采用相同芯片，具有相同结构、相同尺寸，并按一定规律排列在一起，具有强的方向性和很高的增益，并且解决了天线之间的耦合性以及旁瓣电平的一系列问题。
(2)本发明的天线单元采用三层复用结构，保证了任意时刻只有一根天线可以导通且可以任意切换，切换频率高，能够实现时变测量。
(3)本发明的天线单元将高速信号层置于内层，使其被地层和电源层有效的屏蔽起来，同时添加去耦合电容并使其频率响应符合需求，以降低电源层噪声，改善电路板电源质量，提高抗干扰能力。
(4)本发明的天线单元利用多层PCB技术以及通孔和盲孔的设计，实现信号层的连接，节约空间，减小体积。
(5)本发明采用1×32线阵，可以提高空间分辨率，减少极化效应，结构简单清晰。
(6)本发明的天线阵列可靠性高，成本低，能够贴合实际大规模基站，适用于大规模MIMO信道测量场景。
附图说明
图1为天线阵列的原理图。
图2为切换芯片引脚原理示意图。
图3为天线单元的剖视结构图。
图4为天线单元的顶层俯视图。
图5为天线单元PCB的RF传输线的布线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例的天线单元采用了六层PCB技术，包括从顶向下依次排列着顶层101、第一金属层102、第二金属层103、第三金属层104、第四金属层105和底层106，其中101、103、106层为信号层；102、105层为地层；104层为电源层，其中电源层和地层紧密耦合，每个信号层都与底层或金属层相邻，没有直接相邻的信号层，避免了层间信号的串扰。RF传输线布置在第二金属层103，使其被地层(即第一金属层102)和电源层(即第三金属层104)有效的屏蔽起来，在电源、地层完整的情况下可为每个信号层都提供较好的回流路径。
如图2所示，本实施例中顶层101采用的型号为adrf5047的射频切换芯片(以下简称为“切换芯片”)引脚共有20个，包括11个地引脚，4个天线引脚(RF1、RF2、RF3、RF4)，1个正驱动电压VDD引脚和1个负驱动电压VSS，1个RC射频信号传输引脚以及V1和V2两个高低电平控制引脚。
进一步地，每个切换芯片都有一个正驱动电压VDD和负驱动电压VSS，分别是3.3V和-3.3V，V1引脚接低电平，V2引脚接低电平时，RF1接通；V1接高电平V2接低电平时，RF2接通；V1接低电平，V2接高电平时，RF3接通；V1接高电平V2接高电平时RF4接通，实现了一个初步的单刀四掷的功能。
顶层101采用三层复用结构，包含11块型号为adrf5047的射频切换芯片贴片，其中，1块切换芯片位于第一层，2块切换芯片位于第二层，8块切换芯片位于第三层，第二层的2个芯片的输入端连接至第一层芯片的2个输出端，其中第二层的1个切换芯片的4个输出端分别连接至第三层的4个切换芯片的输入端，另一个切换芯片的4个输出端分别连接至第三层的另外4个切换芯片的输入端，所述切换芯片被配置为每次只能导通一个端口。
如图3所示，分别是六层PCB金属层的结构示意图，所述顶层101上方有填充物作为焊阻层，所述顶层101和第一金属层102之间设置了芯板为填充物的第一介质层。所述第一金属层102和第二金属层103之间设置了以薄片绝缘材料为填充物的FR-4材质的第二介质层。所述第二金属层103和第三金属层104之间设置了芯板为填充物的FR-4材质的第三介质层，所述第三金属层104和第四金属层105之间设置了以薄片绝缘材料为填充物的FR-4材质的第四介质层，所述第四金属层105和底层106之间设置了芯板为填充物的第五介质层，所述底层下方存在填充物作为焊阻层，此实体阵列的俯视图如图4所示。
进一步地，顶层信号层101作为器件层包含11块切换芯片贴片以及低频电路；第二金属层103放置电路中的高频电路；第一金属层102和第四金属层104分别接到不同的地线源；主电源以及RC滤波电路布置在第三金属层104和第四金属层层105；
进一步地，本实施例包含通孔贯穿6层金属信号层和5层介质层，同时存在4个盲孔分别连接顶层101和第四金属层105之间的各个信号层和介质层。外部的控制信号和供电电压从22个控制引脚和2个供电引脚通过第二金属层103和第三金属层104的电路接到顶层101预留的盲孔上实现对天线的控制同时盲孔可以大大增加走线面积。
进一步地，本实施例针对电磁干扰的问题，将高速信号层置于内层，同时选择去耦合电容并使其频率响应符合需求以降低电源层噪声。在第三金属层104电源走线上，使用100pF旁路电容滤除高频噪声，同时预留位置可用于应用额外的旁路电容器。在第二金属层103控制走线上，放置了电阻电容(RC)滤波器，阻值为1000欧姆，电容为10pF，可以改善电路板电源质量，提高抗干扰能力。
在理想情况下，电介质的厚度是无限大的；在实际情况中，只要满足电磁场在离开基底之前已经不再连续这一条件，就可以近似把这种结构认为是共面波导。如果在电介质的另外一边也加上地平面的话，那么就可以构成有限地共面波导，有源器件可以像微带线那样贴在电路的上层，并且由于连接到共面波导不会在地平面引入任何寄生的不连续点，所以可以提供更高的频率响应(100GHz或者更大)。使用共面波导可以得到更高的隔离度，因为在各个射频通路之间都有射频地进行隔离。通常，在设计PCB上的传输线时，都是考虑使用微带线来实现50Ω传输线，因为微带线是非常适合在PCB上实现的一种结构。共面波导严格说来也是一种传输线，它与微带线有着非常相似的结构，并且由于共面波导传输线比微带线周围多了“地”的存在，从而使共面波导传输线抗干扰能力更好。因此，本实施例为了避免高速传输线效应所引起的反射影响到信号完整性和延迟时间，RF传输线使用共面波导(CPWG)模型设计，走线宽度为14密耳，离地间隙为7密耳，具有50欧姆的特征阻抗，RF输入和输出端口通过50欧姆的传输线连接到2.4毫米RF发射器从而使走线特性阻抗匹配。RF传输线从封装边缘延伸到用于RF引脚转换的锥形线8密耳，如图5所示，为了获得最佳的RF性能和热接地，布线时尽可能多的镀通孔或者盲孔布置在传输线周围和暴露的下方包装垫。
本实施例的毫米波实体天线阵列按照1×32线阵排列的天线单元，极化方式采用垂直极化，中心频率为38.5GHZ，带宽为1.2GHZ。本实施例一共有32根天线，分为8组，每组4根，每一个第三层的切换芯片控制一组天线实现切换；第三层的8个切换芯片分为2组，每组4个切换芯片，每一个第二层的切换芯片控制一组第三层的切换芯片；第二层的切换芯片由第一组的1个切换芯片控制。由于一个切换芯片有四个引脚，能够控制四个状态，所以第一层芯片的两个空闲引脚通过连接50Ω电阻后接地，封装后分别对应于整个电源的开启和关断。当处于空置状态时，第一层芯片切至两个空闲引脚；当处于正常工作状态，需要选择某一根天线时，将对应的第三层切换芯片切换至接通该天线的状态，控制该第三层切换芯片的第二层切换芯片切换至接通该第三层切换芯片的状态，第一层切换芯片切换至接通该第二层切换芯片的状态，以实现任意时刻只有一根天线导通。
本实施例所述阵列天线呈长方形，左右中心对称结构，天线阵列长为165mm，宽为72mm，两个相邻的所述天线单元之间的水平方向间距为0.5个波长。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例子，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，包括从上到下依次排列的顶层(101)、第一金属层(102)、第二金属层(103)、第三金属层(104)、第四金属层(105)和底层(106)，
所述顶层(101)采用三层复用结构，包含11块射频切换芯片，其中，1块切换芯片位于第一层，2块切换芯片位于第二层，8块切换芯片位于第三层，第二层的2个芯片的输入端连接至第一层芯片的2个输出端，其中第二层的1个切换芯片的4个输出端分别连接至第三层的4个切换芯片的输入端，另一个切换芯片的4个输出端分别连接至第三层的另外4个切换芯片的输入端，所述切换芯片被配置为每次只能导通一个端口；
所述第一金属层(102)为地线层；
所述第二金属层(103)为控制信号层，布置有RF传输线；
所述第三金属层(104)为电源层；
所述第四金属层(105)为地线层。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，
所述顶层(101)和底层(106)的外侧设有焊阻层；
所述顶层(101)和第一金属层(102)之间设有第一介质层(201)；
所述第一金属层(102)和第二金属层(103)之间设有第二介质层(202)；
所述第二金属层(103)和第三金属层(104)之间设有第三介质层(203)；
所述第三金属层(104)和第四金属层(105)之间设有第四介质层(204)；
所述第四金属层(105)和底层(106)之间设有第五介质层(205)；
所述顶层(101)上开有通孔，贯穿所有金属层、介质层和底层，同时所述顶层(101)和第一介质层(201)通过第一盲孔连接，第一金属层(102)和第二介质层(202)通过第二盲孔连接，第二金属层(103)和第三介质层(203)通过第三盲孔连接，第三金属层(104)和第四介质层(204)通过第四盲孔连接。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，所述第三金属层(104)的电源走线上设有用于滤除高频噪声的旁路电容，同时设有用于应用额外旁路电容器的预留空间位置；所述第二金属层(103)的控制走线上设有电阻电容滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，所述RF传输线使用共面波导模型，走线宽度为14密耳，离地间隙为7密耳，具有50Ω的特征阻抗，RF输入和输出端口通过50Ω传输线连接到2.4毫米RF发射器。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，所述第二金属层(103)为高频信号层，放置电路中的高频电路。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，所述切换芯片具有相同结构、相同尺寸，并按树形结构排列。
7.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，所述第一金属层(102)和第四金属层(105)分别连接到不同的地线源。
8.一种毫米波可切换MIMO天线阵列，其特征在于，包括按照1×32线阵排列的如权利要求1所述的天线单元，极化方式采用垂直极化，中心频率为38.5GHZ。
9.根据权利要求8所述的一种毫米波可切换MIMO天线阵列，其特征在于，所述天线阵列的两个相邻天线单元之间的水平方向间距为0.5个波长。
10.根据权利要求8所述的一种毫米波可切换MIMO天线阵列，其特征在于，所述阵列天线呈长方形，左右中心对称结构，天线阵列长为165mm，宽为72mm。
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