CN117039458B - 一种5g毫米波相控阵前端模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种5G毫米波相控阵前端模组，涉及相控阵天线领域，包括：毫米波阵列天线印制板，下表面设置有植球圆形焊盘；射频电路印制板，位于所述前端模组正面，包括变频器电路，上表面有与植球圆形焊盘对应的锡球以实现与所述毫米波阵列天线印制板的互联；电源及控制电路，位于所述前端模组反面，内含基于FPGA的自封算法IP核；相控阵方向图测试装置，包括单刀双掷开关和测试连接器，所述单刀双掷开关的公共端口与所述毫米波阵列天线印制板的总口互联，单刀双掷开关的第一端口与所述变频器电路互联，单刀双掷开关的第二端口与测试连接器互联。本发明具有体积小、导热性高，高效率，低成本，高普适性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵天线领域，具体涉及一种5G毫米波相控阵前端模组。
背景技术
随着5G通信的发展，5G通信的前端天线从传统单阵子天线转向相控阵天线体制，天线频率也从sub 6G转向到Ka毫米波频段，前端天线的设计面临艰巨的挑战。
目前5G通信前端相控阵前端天线主要采用多通道双波束成型芯片与微带天线集成设计方案，在此基础上已有产品架构有两种，第一种架构是大规模化相控阵天线部分将天线与波束成型芯片集成在一张印制板上，再与上下变频器模块，电源转换模块，波束控制模块通过线缆组件组装在腔体内，完成产品集成设计。此方案虽然能够实现工程化落地，但是产品体积在体积和散热方面难以兼顾，印制板加工成本高昂，生产工序繁琐效率低，偏定制化通用普适性差。
第二种是AIP（封装天线）架构，将天线与波束成型芯片、变频器芯片进行芯片级封装。此方案虽然大幅度提升了集成度，但是此架构中采用的芯片级封装工艺也会引入新的问题，一是芯片级封装与测试带来的高昂成本是此类产品难以接受的；二是受限于封装工艺，产品规模一般为十六阵元，产品需要进行二次组阵设计，增加使用难度及生产成本；三是受限于封装时的材料因素，天线性能较差，射频杂散抑制性能较差；四是散热路径增加，散热效果差，影响产品的长期稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种5G毫米波相控阵前端模组，解决目前5G通信相控阵前端天线产品存在的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种5G毫米波相控阵前端模组，包括：
毫米波阵列天线印制板，下表面设置有植球圆形焊盘；
射频电路印制板，位于所述前端模组正面，包括变频器电路，上表面有与植球圆形焊盘对应的锡球以实现与所述毫米波阵列天线印制板的互联；
相控阵方向图测试装置，位于所述射频电路印制板上，包括单刀双掷开关芯片和测试连接器，所述单刀双掷开关芯片的公共端口与所述毫米波阵列天线印制板的总口互联，单刀双掷开关芯片的第一端口通过射频线与所述变频器电路互联，单刀双掷开关芯片的第二端口通过射频线与测试连接器互联。
进一步地，所述的射频电路印制板上设有螺纹式带毛纽扣的测试端口，用于安装连接测试连接器，所述测试端口还设有密封盖板。
进一步地，所述锡球的植球参数通过仿真实测选取，满足毫米波射频指标。
进一步地，还包括辅助印制板级间装配的盲插连接器，所述盲插连接器包含可插接配合的公连接器和母连接器，所述母连接器的开口处有斜向倒角的漏斗型导向结构，母连接器插座壁有厚度，所述公连接器的插头有凸出型弯曲弹片，盲插后弯曲弹片向外凸出部位被母连接器插座束缚而将开口处弹片分开。
进一步地，还包括辅助印制板分离的起拔装置，所述起拔装置包含可插接配合的起拔底座和起拔螺栓，所述起拔底座为上细下粗圆柱体，中心位置具有内部带螺纹的通孔，起拔螺栓可旋入安装到通孔中以实现印制板分离。
进一步地，还包括电源及控制电路，位于所述前端模组反面，内含基于FPGA封装的多种相控阵算法的自封算法IP核。
进一步地，还包括高速多模接口协议转换集成电路，位于所述前端模组正面，集成多种标准协议接口电路，接口电路包括基于DDR的高速接口、全双工串口、SPI接口和I2C接口。
进一步地，所述的射频电路印制板上集成有波束成型芯片、滤波器和中频放大电路。
进一步地，还包括位于所述前端模组反面的波束成型芯片导热热边界。
进一步地，还包括位于所述前端模组反面的本振电路。
本发明的有益效果是：
1）低成本射频互联：通过常规植球工艺实现天线与射频的互联，提高指标的同时降低传统方案中互联连接器引入的成本，降低了产品剖面高度，具有更高集成度。
2）集成变频的相控阵测试装置：通过增加一个开关的方案实现变频相控阵的测试，简化测试环境要求，降低测调成本，提高测试数据准确性，适用于批量生产。
3）板级装配盲插与起拔装置：通过装配盲插导向装置可快速精准完成产品的板级对插装配，提高装配生产效率，提高准确性，减少盲插带来的连接器损坏几率；通过装配起拔装置在不增加体积和成本条件下可快速实现板级分离，提高返修调试效率，平衡性起拔也可以保护盲插连接器免受损坏。
4）自封算法IP核：将复杂多样的相控阵算法封装成独立的IP核，可以降低二次开发出错几率，提高产品普适性，降低开发难度，缩短开发周期，降低产品成本。
5）高速多模协议接口：通过将高速多模协议接口进行集成设计，适应多样化的接口协议，可以提高产品普适性。
附图说明
图1为本发明相控阵前端模组的正面结构是示意图；
图2为本发明相控阵前端模组的反面结构是示意图；
图3为十六阵元毫米波阵列天线及植球圆形焊盘；
图4为毫米波阵列天线与射频电路互联示意图；
图5为本发明的相控阵方向图测试装置的连接示意图；
图6为单刀双掷开关芯片局部图；
图7为测试接口局部图；
图8为测试端口连接器剖视图（左）和测试端口密封盖板剖视图（右）；
图9为射频连接器盲插装置装配后剖视图；
图10为盲插装置的母连接器剖视图；
图11为盲插装置的公连接器剖视图；
图12为起拔装置装配后剖视图；
图13为起拔装置剖视图；
图14为转换集成电路板图的正面（上）和反面（下）；
其中，1-毫米波阵列天线印制板，2-射频电路印制板，3-高速多模接口协议转换集成电路，4-波束成型芯片导热热边界，5-电源及控制电路，6-本振电路，7-圆形焊盘，9-锡球，10-测试端口，11-SMP连接器，12-盲插连接器，13-漏斗型导向结构，14-起拔底座，15-通孔，16-相控阵方向图测试装置，17-密封盖板，23-凸出型弯曲弹片，24-起拔螺栓，25-高速连接器，26-射频连接器，27-电源连接器。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-图14，本发明提供一种技术方案，一种5G毫米波相控阵前端模组，如图1、图2所示，包括：
毫米波阵列天线印制板1，下表面设置有植球圆形焊盘7。
射频电路印制板2，位于所述前端模组正面，包括变频器电路，上表面有与植球圆形焊盘对应的锡球9以实现与所述毫米波阵列天线印制板1的互联。毫米波阵列天线与射频电路互联常用方式为连接器进行互联，连接器引入会增加产品的剖面厚度，增加插入损耗。本实施例中，采用低成本植球工艺，通过仿真实测选取常规工艺满足毫米波射频指标的植球参数，如图3在十六阵元的毫米波阵列天线印制板1上制作圆形焊盘7，如图3通过传统植球工艺将锡球9植于毫米波阵列天线印制板1上，再通过普通回流焊接工艺将毫米波阵列天线印制板1与射频电路印制板2进行互联，从而实现低成本射频互联。
相控阵方向图测试装置16，如图5所示位于所述射频电路印制板2上，包括单刀双掷开关芯片和测试连接器。如图5、图6所示，所述单刀双掷开关芯片的公共端口Com与所述毫米波阵列天线印制板的总口互联，单刀双掷开关芯片的第一端口RF2通过射频线与所述变频器电路互联，变频器另一端通常与中频端口连接；单刀双掷开关芯片的第二端口RF1通过射频线与测试连接器互联，本实施例中，所述的测试连接器为SMP连接器。
相控阵方向图测试一般采用矢量网络分析仪在暗室中进行测量，当相控阵中集成变频电路时，需要改造常规暗室增加变频器或者去特定测试单位进行测量，本发明采的相控阵方向图测试装置在产品正常使用时通过程序切换使相控阵与变频器直通互联，当产品测试相控阵天线指标时通过程序切换使相控阵与测试端口直通互联。
本实施例中，所述的射频电路印制板2上设有螺纹式带毛纽扣的测试端口10，如图7，用于安装连接测试连接器，所述测试端口10还设有密封盖板17；测试连接器安装在印制板上的剖视图如图8（左）所示，本实施例中，所述的测试连接器为SMP连接器11；产品交付时将测试端口10使用密封盖板17封闭，如图8（右）所示。
本实施例中，还包括辅助印制板级间装配的盲插连接器12，所述盲插连接器包含可插接配合的公连接器和母连接器，所述母连接器的开口处有斜向倒角的漏斗型导向结构13，母连接器插座壁有厚度，所述公连接器的插头有凸出型弯曲弹片23，盲插后凸出型弯曲弹片23向外凸出部位被母连接器插座束缚而将开口处弹片分开，盲插连接器12的安装如图9所示。
为缩小体积，两张印制板之间的板级装配采用盲插方式进行互联时，常用盲插连接器有控制连接器、电源连接器、射频连接器三类，电源连接器与控制连接器选用具有一定浮动性且具有导向结构的连接器；射频连接器属于穿板型连接器，印制板开孔设计尺寸与安装都会引入较大对位偏差严重影响盲插，盲插连接器12可保证板级装配盲插对位。
本实施例中，还包括辅助印制板分离的起拔装置，所述起拔装置包含可插接配合的起拔底座14和起拔螺栓24，所述起拔底座为上细下粗圆柱体，中心位置具有内部带螺纹的通孔15，起拔螺栓24可旋入安装到通孔15中以实现印制板分离。起拔装置的安装如图12所示；所述起拔装置在需要分离两张印制板时在起拔装置中旋入螺钉，起拔装置将两张印制板进行分离，使返修生产简便高效。
进一步地，还包括电源及控制电路5，位于所述前端模组反面，内含基于FPGA封装的多种相控阵算法的自封算法IP核。相控阵天线涉及算法较多，且复杂多样化，本发明基于FPGA将多种相控阵算法封装为自定义的算法IP核，二次开发时无需深入研究算法，使用时根据产品应用场景所需，只需要通过IP核进行算法调用，配合简单的逻辑控制即可完成软件开发；自封算法IP核提高产品普适性，降低开发难度，缩短了开发周期，降低了成本。
进一步地，还包括高速多模接口协议转换集成电路3，位于所述前端模组正面，集成有基于DDR的高速接口、全双工串口、SPI接口和I2C接口等多种标准协议接口电路，全面支持市场产品主流接口协议，开发使用简便，通用性高。高速多模接口协议转换集成电路板如图14所示，其中25是高速连接器，26是射频连接器，27是电源连接器。
本实施例中，所述的射频电路印制板2上集成有波束成型芯片、滤波器和中频放大电路；本发明还包括位于所述前端模组反面的波束成型芯片导热热边界4和位于所述前端模组反面的本振电路6。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种5G毫米波相控阵前端模组，其特征在于，包括：
毫米波阵列天线印制板，下表面设置有植球圆形焊盘；
射频电路印制板，位于所述前端模组正面，包括变频器电路，上表面有与植球圆形焊盘对应的锡球以实现与所述毫米波阵列天线印制板的互联；
相控阵方向图测试装置，位于所述射频电路印制板上，包括单刀双掷开关芯片和测试连接器，所述单刀双掷开关芯片的公共端口与所述毫米波阵列天线印制板的总口互联，单刀双掷开关芯片的第一端口通过射频线与所述变频器电路互联，单刀双掷开关芯片的第二端口通过射频线与测试连接器互联；
还包括辅助印制板级间装配的盲插连接器，所述盲插连接器包含可插接配合的公连接器和母连接器，所述母连接器的开口处有斜向倒角的漏斗型导向结构，母连接器插座壁有厚度，所述公连接器的插头有凸出型弯曲弹片，盲插后弯曲弹片向外凸出部位被母连接器插座束缚而将开口处弹片分开；
还包括辅助印制板分离的起拔装置，所述起拔装置包含可插接配合的起拔底座和起拔螺栓，所述起拔底座为上细下粗圆柱体，中心位置具有内部带螺纹的通孔，起拔螺栓可旋入安装到通孔中以实现印制板分离；
还包括电源及控制电路，位于所述前端模组反面，内含基于FPGA封装的多种相控阵算法的自封算法IP核。
2.根据权利要求1所述的一种5G毫米波相控阵前端模组，其特征在于：所述的射频电路印制板上设有螺纹式带毛纽扣的测试端口，用于安装连接测试连接器，所述测试端口还设有密封盖板。
3.根据权利要求1所述的一种5G毫米波相控阵前端模组，其特征在于：所述锡球的植球参数通过仿真实测选取，满足毫米波射频指标。
4.根据权利要求1所述的一种5G毫米波相控阵前端模组，其特征在于：还包括高速多模接口协议转换集成电路，位于所述前端模组正面，集成多种标准协议接口电路，接口电路包括基于DDR的高速接口、全双工串口、SPI接口和I2C接口。
5.根据权利要求1所述的一种5G毫米波相控阵前端模组，其特征在于：所述的射频电路印制板上集成有波束成型芯片、滤波器和中频放大电路。
6.根据权利要求5所述的一种5G毫米波相控阵前端模组，其特征在于：还包括位于所述前端模组反面的波束成型芯片导热热边界。
7.根据权利要求1所述的一种5G毫米波相控阵前端模组，其特征在于：还包括位于所述前端模组反面的本振电路。
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