CN208479634U - 一种用于第五代移动通信mimo系统的天线模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块，尤其涉及包括4×8天线阵列、参考时钟接口、电源接口、串口接口、I/Q信号接口、射频前端单元、收发信机单元、MCU单元、运放单元、电源管理单元。本实用新型针对5G中频段的5.7GHz～5.9GHz频段，通过矩形微带帖片、介质基板、基于微带线结构的T型功分网络，采用嵌入式微带线边缘馈电方式等方法设计小型化天线，尺寸简单紧凑；系统电路部分采用高集成度的多通道收发信机芯片和性能良好的小尺寸射频器件，PCB采用称结构、等长微带线、混压工艺以及金属屏蔽仓设计，实现系统电路优良的射频性能和幅相一致性。

Description

一种用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块。

背景技术

面对未来移动通信数据流量持续爆炸性增长，需要发展未来新一代移动通信—第五代(5G)移动通信，作为面向2020年以后人类信息社会需求的无线通信智能网络。5G网络不仅要具有更高速率、更大带宽、更大容量和支持超大数据流量，而且要实现多业务多技术融合，满足未来超大数据和高速连接的各种业务的发展需要。

第五代移动通信网络业务能力的提升需要新的网络架构和无线传输技术，实现更高的频谱利用率和传输速率。无线数据业务以指数的方式增长，用户追求越来越高的数据体验，因此对网络的容量要求越来越高。在众多提升网络容量的方法中，提升频谱效率非常关键，而在众多提升频谱效率的技术中，大规模MIMO技术是关键。大规模MIMO阵列(通常几十到几百天线)的发展，将有望实现频谱效率和功率效率在4G的基础上再提升一个量级，是目前5G关键技术重要的研究方向之一。

数字波束形成(Digital beam forming，DBF)技术是在雷达系统天线波束形成原理的基础上，引入先进的数字信号处理方法后建立起来的。在有用信号方向上产生高增益窄波束，在干扰方向上产生非常深的零陷，能较好地实现了对有用信号的发射和接收。目前数字波朿形成技术在3G/4G移动通信智能天线、有源一体化天线上开始得到应用。在第五代移动通信中基于大规模MIMO系统和天线阵列，采用数字波束形成技术可以实现天线波束赋形，大幅抑制干扰和噪声，降低发射功率。

5G系统在6GHz以下频段作为主要工作频段。通过采用单板有源一体化天线模块可以减小大规模MIMO系统天线阵列的复杂度，降低5G网络建设成本。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块，可以满足5G系统大规模MIMO天线阵列的要求。

为了实现本实用新型的目的，所采用的技术方案是：一种用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块，包括天线阵列、多路接收链路、多路发射链路和MCU单元，多路接收链路的一端连接天线阵列，多路接收链路的另一端连接MCU单元，多路发射链路的一端连接MCU单元，多路发射链路的另一端连接天线阵列，所述的接收链路包括介质滤波器、第一射频开关、第一低噪声放大器、第一声表滤波器、接收机和第一运算放大器，天线阵列接收到信号通过介质滤波器滤波，第一射频开关切换，接收到的信号进入第一低噪声放大器放大，经过第一声表滤波器后进入接收机混频解调，解调得到的I/Q信号经第一运算放大器输出给MCU单元；发射链路包括第二运算放大器、发射机、第二声表滤波器、射频放大器、第二射频开关和精致滤波器，MCU单元输出的I/Q信号经过第二运算放大器后进入发射机，经过发射机调制后输出到第二声表滤波器滤波，然后通过射频放大器放大，第二射频开关切换，信号经过精致滤波器滤波后进入天线阵列，天线阵列包括矩形微带贴片、介质基板和基于微带线结构的T型功分网络，矩形微带贴片位于介质基板的正面，矩形微带贴片通过T型功分网络的嵌入式微带线进行馈电。

作为本实用新型的优化方案，矩形微带贴片沿天线的极化方向刻蚀有第一矩形缝隙和第二矩形缝隙。

作为本实用新型的优化方案，矩形微带贴片与矩形微带贴片之间的距离范围为(λ/2，λ)。

本实用新型具有积极的效果：1)本实用新型天线阵元采用矩形微带贴片和嵌入式微带线边缘馈电方式，工作在5.7GHz-5.9GHz范围，满足5G在6GHz以下频段候选频段要求；

2)本实用新型采用高集成度的多通道收发信机芯片和性能良好的小尺寸射频器件，PCB采用称结构、等长微带线以及金属屏蔽仓设计，实现系统电路优良的射频性能和幅相一致性；

3)本实用新型天线与电路结构一体化设计，简单紧凑，易于加工，一致性好；

4)本实用新型天线和系统电路一体化设计，可以根据不同的天线拓扑结构自由组成大规模MIMO天线阵列，实现天线多波束形成。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是天线阵列的结构图；

图2是本实用新型的整体电路原理图；

图3为传统的贴片天线。

其中：1、矩形微带贴片，2、介质基板，3、基于微带线结构的T型功分网络，4、第一矩形缝隙，5、第二矩形缝隙。

具体实施方式

如图1-2所示，本实用新型公开了一种用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块，包括天线阵列、多路接收链路、多路发射链路和MCU单元，多路接收链路的一端连接天线阵列，多路接收链路的另一端连接MCU单元，多路发射链路的一端连接MCU单元，多路发射链路的另一端连接天线阵列，接收链路包括介质滤波器、第一射频开关、第一低噪声放大器、第一声表滤波器、接收机和第一运算放大器，天线阵列接收到信号通过介质滤波器滤波，第一射频开关切换，接收到的信号进入第一低噪声放大器放大，经过第一声表滤波器后进入接收机混频解调，解调得到的I/Q信号经第一运算放大器输出给MCU单元；发射链路包括第二运算放大器、发射机、第二声表滤波器、射频放大器、第二射频开关和精致滤波器，MCU单元输出的I/Q信号经过第二运算放大器后进入发射机，经过发射机调制后输出到第二声表滤波器滤波，然后通过射频放大器放大，第二射频开关切换，信号经过精致滤波器滤波后进入天线阵列，天线阵列包括矩形微带贴片1、介质基板2和基于微带线结构的T型功分网络3，矩形微带贴片1位于介质基板2的正面，矩形微带贴片1通过T型功分网络3的嵌入式微带线进行馈电。

矩形微带贴片1沿天线的极化方向刻蚀有第一矩形缝隙4和第二矩形缝隙5。

其中，天线阵列为4×8的小型化天线阵列，发射链路为八路，接收链路为八路，八路发射链路和八路接收链路幅相一致性良好，具有高增益、低噪声和宽动态特点，该用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块还包括参考时钟接口、电源接口、串口接口、I/Q信号接口和电源管理单元等；介质滤波器、第一射频开关、第一低噪声放大器、第一声表滤波器、第二声表滤波器、射频放大器、第二射频开关和精致滤波器组成射频前端单元，接收机和发射机组成收发信机单元，收发信机单元采用高集成度的多路收发链路芯片，还集成有锁相环电路；参考时钟接口连接收发信机单元，为收发信机单元提供外部参考时钟信号；电源接口提供电源；串口接口连接MCU单元，计算机通过此接口控制程序烧录和设置、调试等；第一运算放大器和第二运算放大器组成运放单元，运放单元采用宽带低噪声的高性能运算放大器，将调理过的I/Q信号输出到I/Q接口；电源管理单元包括开关电源芯片和LDO芯片，实现模块电源供电要求。用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块的电路PCB布板采用对称结构和等长微带线，各链路射频电路之间通过屏蔽仓隔离，实现各收发链路具有良好的幅相一致性。整个电路PCB应用6层PCB板混压工艺加工而成。八路收发链路和32阵元天线阵列分别集成在单板(8通道)双面，减小系统物理尺寸，提高系统集成度，物理尺寸(长×宽)为320mm×215mm。

如图1所示，天线阵列包括矩形微带贴片1、介质基板2和基于微带线结构的T型功分网络3，矩形微带贴片1位于介质基板2的正面，矩形微带贴片1通过T型功分网络3的嵌入式微带线进行馈电。各通道采用1×4的天线阵列，整个形成4×8的天线阵列，矩形微带贴片采用印制电路板工艺，馈电网络便于与天线进行集成，组成贴片天线阵，提高天线的增益。但通常传统结构的微带贴片天线存在带宽窄、功率容量小、性能受介质基板影响大等问题。传统的贴片天线结构如图3所示，为一个由微带线激励的矩形贴片。通常要求h<<λ。矩形贴片工作在谐振模式，以获得实数输入阻抗。微带贴片天线的辐射由贴片四条边缘与接地板间的缝隙形成，四条缝隙等效为四条磁流。其中，上下两条磁流方向相同，所形成的辐射场相互叠加增强，左右两条磁流方向相反，所形成的辐射场相互抵消。最终形成的辐射场由上下两条磁流所决定的。

本实用新型用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块采用微带贴片天线作为阵元，以TLX-8板材作为基材，介电常数εr＝2.55，板材厚度1mm。微带贴片天线阵元间距要小于λ(波长)，以防止栅瓣的产生；同时要大于λ/2进行馈电网络排布，并减小阵元间耦合，综合考虑设定为0.65λ。各通道天线采用1×4天线阵列矩形贴片天线结构，通过使用基于微带线结构的T型功分网络进行馈电，激励方式采用嵌入式微带线边缘馈电，可以提高贴片天线输入阻抗的匹配。贴片天线谐振在TE10模式，形成沿激励方向的极化。同时，为了增加天线带宽，在贴片沿天线极化方向上刻蚀两条矩形缝隙，通过调节两条缝隙的长度，形成第二个谐振频率增加天线的谐振带宽。

许多个用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块可以任意排列组合，形成不同拓扑结构的大规模MIMO天线阵列，从而实现不同的数字波束形成。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块，其特征在于：包括天线阵列、多路接收链路、多路发射链路和MCU单元，多路接收链路的一端连接天线阵列，多路接收链路的另一端连接MCU单元，多路发射链路的一端连接MCU单元，多路发射链路的另一端连接天线阵列，所述的接收链路包括介质滤波器、第一射频开关、第一低噪声放大器、第一声表滤波器、接收机和第一运算放大器，天线阵列接收到信号通过介质滤波器滤波，第一射频开关切换，接收到的信号进入第一低噪声放大器放大，经过第一声表滤波器后进入接收机混频解调，解调得到的I/Q信号经第一运算放大器输出给MCU单元；发射链路包括第二运算放大器、发射机、第二声表滤波器、射频放大器、第二射频开关和精致滤波器，MCU单元输出的I/Q信号经过第二运算放大器后进入发射机，经过发射机调制后输出到第二声表滤波器滤波，然后通过射频放大器放大，第二射频开关切换，信号经过精致滤波器滤波后进入天线阵列，所述的天线阵列包括矩形微带贴片(1)、介质基板(2)和基于微带线结构的T型功分网络(3)，所述的矩形微带贴片(1)位于介质基板(2)的正面，所述的矩形微带贴片(1)通过T型功分网络(3)的嵌入式微带线进行馈电。

2.根据权利要求1所述的一种用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块，其特征在于：矩形微带贴片(1)沿天线的极化方向刻蚀有第一矩形缝隙(4)和第二矩形缝隙(5)。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于第五代移动通信MIMO系统的天线模块，其特征在于：所述的矩形微带贴片(1)与矩形微带贴片(1)之间的距离范围为(λ/2，λ)。