CN208690499U - 一种用于第五代移动通信的高集成度有源一体化天线模块 - 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的高集成度有源一体化天线模块，包括2×2小型化天线阵列、天线接口、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、运放单元和电源管理单元等。实用新型针对5G中频段的3.3GHz～3.5GHz频段，提出一种新颖的天线结构，通过切角金属贴片和加载金属贴片等方法设计一种圆极化小型化天线，尺寸简单紧凑；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。

Description

一种用于第五代移动通信的高集成度有源一体化天线模块

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的高集成度有源一体化天线模块。

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。

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。

2017年11月工业和信息化部发布了5G系统在3000-5000MHz频段(中频段)内的频率使用规划规划，明确了3300～3400MHz(原则上限室内使用)、3400～3600MHz和4800～5000MHz频段作为5G系统的工作频段。通过采用高集成度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的高集成度有源一体化天线模块，满足5G系统大规模MIMO天线阵列的要求，可以降低5G通信系统建设成本。

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的高集成度有源一体化天线模块，包括小型化天线阵列、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小型化天线阵列，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小型化天线阵列，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，小型化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小型化天线阵列。

作为本实用新型的优化方案，小型化天线包括金属反射板、介质基板、金属方形切角辐射贴片、金属长方形辐射贴片、第一金属化过孔、第一金属圆盘、带法兰固定连接器、第二金属化过孔和短路金属柱，金属反射板设置在介质基板的下层，金属方形切角辐射贴片和金属长方形辐射贴片均附在介质基板上，第一金属化过孔和第二金属化过孔均开设在介质基板上，第一金属圆盘设置在介质基板的下表面，带法兰固定连接器通过第一金属化过孔耦合到第一金属圆盘上进行馈电，带法兰固定连接器的法兰固定在金属反射板上，短路金属柱穿过第二金属化过孔，短路金属柱的下端固定在金属反射板上。

作为本实用新型的优化方案，小型化天线还包括寄生金属片，寄生金属片设置在介质基板的上层。

作为本实用新型的优化方案，小型化天线还包括第二金属圆盘，第二金属圆盘设置在介质基板的上表面，带法兰固定连接器的探针穿过第一金属圆盘和第一金属化过孔连接在第二金属圆盘上。

作为本实用新型的优化方案，小型化天线还包括第三金属圆盘和第四金属圆盘，第三金属圆盘设置在介质基板的上表面，第四金属圆盘设置在介质基板的下表面，短路金属柱穿过第四金属圆盘和第二金属化过孔连接在第三金属圆盘上。

作为本实用新型的优化方案，金属长方形辐射贴片为四个，金属长方形辐射贴片分布在金属方形切角辐射贴片的周围。

本实用新型具有积极的效果：1)本实用新型天线阵元设计采用切角金属贴片和耦合馈电方式，工作在3.3GHz-3.6GHz范围，满足5G中频段3.3GHz～3.4GHz、3.4GHz～3.6GHz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，通过切角金属贴片和加载金属贴片等方法设计一种圆极化小型化天线，尺寸简单紧凑，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是本实用新型的整体原理框图；

图2是小型化天线的结构图。

其中：1、金属反射板，2、介质基板，3、金属方形切角辐射贴片，4、金属长方形辐射贴片，6、第一金属圆盘，7、带法兰固定连接器，9、第二金属化过孔和短路金属柱，10、寄生金属片，11、第二金属圆盘，12、第三金属圆盘，13、第四金属圆盘。

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的高集成度有源一体化天线模块，包括小型化天线阵列、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小型化天线阵列，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小型化天线阵列，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，小型化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小型化天线阵列。

其中，小型化天线阵列为2×2的小型化天线阵列，发射链路为四路，接收链路为四路，四路发射链路和四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的高集成度有源一体化天线模块还包括天线接口、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，天线接口连接小型化天线和射频前端单元；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的高集成度有源一体化天线模块的电路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。精致滤波器相较于普通的滤波器可以更好的滤除杂波。

如图2所示，小型化天线包括金属反射板1、介质基板2、金属方形切角辐射贴片3、金属长方形辐射贴片4、第一金属化过孔、第一金属圆盘6、带法兰固定连接器7、第二金属化过孔和短路金属柱9，金属反射板1设置在介质基板2的下层，金属方形切角辐射贴片3和金属长方形辐射贴片4均附在介质基板2上，第一金属化过孔和第二金属化过孔均开设在介质基板2上，第一金属圆盘6设置在介质基板2的下表面，带法兰固定连接器7通过第一金属化过孔耦合到第一金属圆盘6上进行馈电，带法兰固定连接器7的法兰固定在金属反射板1上，短路金属柱9穿过第二金属化过孔，短路金属柱9的下端固定在金属反射板1上。小型化天线采用耦合的方式馈电，实现了天线良好的阻抗特性，改善了天线的驻波比，增加了天线的工作带宽。其中，2×2的小型化天线阵列采用切角辐射贴片的圆极化天线组阵，0.5λ≤阵元间距≤0.7λ；也可以采用性能尺寸相近的其它形式的天线组阵。

小型化天线还包括寄生金属片10，寄生金属片10设置在介质基板2的上层。

小型化天线还包括第二金属圆盘11，第二金属圆盘11设置在介质基板2的上表面，带法兰固定连接器7的探针穿过第一金属圆盘6和第一金属化过孔连接在第二金属圆盘11上。

小型化天线还包括第三金属圆盘12和第四金属圆盘13，第三金属圆盘12设置在介质基板2的上表面，第四金属圆盘13设置在介质基板2的下表面，短路金属柱9穿过第四金属圆盘13和第二金属化过孔连接在第三金属圆盘12上。

金属长方形辐射贴片4为四个，金属长方形辐射贴片4分布在金属方形切角辐射贴片3的周围。

小型化天线的高度为18.5mm，金属反射板1和介质基板2之间为空气介质，金属反射板1距离介质基板2的距离为8mm，金属反射板1通过塑料支撑柱支撑在介质基板2的下方。用于第五代移动通信的高集成度有源一体化天线模块的电路部分安装在金属反射板1背面的金属腔中。寄生金属片10和介质基板2之间为空气介质。其中，寄生金属片10距离介质基板2的距离为6mm。寄生金属片10通过塑料支撑柱支撑在介质基板2的上方。金属长方形辐射贴片4分布在金属方形切角辐射贴片3的周围，共有四个，增加了天线的驻波带宽以及轴比带宽。第二金属圆盘11设置在介质基板2的上表面，带法兰固定连接器7的探针穿过第一金属圆盘6和第一金属化过孔连接在第二金属圆盘11上。带法兰固定连接器7通过第一金属化过孔耦合到第一金属圆盘6上进行馈电，这种耦合馈电的方式可以展宽天线的阻抗带宽和圆极化带宽，改善轴比。第三金属圆盘12和第四金属圆盘13分别设置在介质基板2的上表面和下表面，短路金属柱9穿过第四金属圆盘13和第二金属化过孔连接在第三金属圆盘12上，缩小了天线的尺寸，展宽了天线的带宽。

许多个用于第五代移动通信的高集成度有源一体化天线模块可以任意排列组合，形成不同拓扑结构的M×N(M、N均为2的倍数)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 (6)

1.一种用于第五代移动通信的高集成度有源一体化天线模块，其特征在于：包括小型化天线阵列、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小型化天线阵列，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小型化天线阵列，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，小型化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小型化天线阵列。

2.根据权利要求1所述的一种用于第五代移动通信的高集成度有源一体化天线模块，其特征在于：所述的小型化天线阵列包括金属反射板(1)、介质基板(2)、金属方形切角辐射贴片(3)、金属长方形辐射贴片(4)、第一金属化过孔、第一金属圆盘(6)、带法兰固定连接器(7)、第二金属化过孔和短路金属柱(9)，金属反射板(1)设置在介质基板(2)的下层，金属方形切角辐射贴片(3)和金属长方形辐射贴片(4)均附在介质基板(2)上，第一金属化过孔和第二金属化过孔均开设在介质基板(2)上，第一金属圆盘(6)设置在介质基板(2)的下表面，带法兰固定连接器(7)通过第一金属化过孔耦合到第一金属圆盘(6)上进行馈电，带法兰固定连接器(7)的法兰固定在金属反射板(1)上，短路金属柱(9)穿过第二金属化过孔，短路金属柱(9)的下端固定在金属反射板(1)上。

3.根据权利要求2所述的一种用于第五代移动通信的高集成度有源一体化天线模块，其特征在于：所述的小型化天线阵列还包括寄生金属片(10)，寄生金属片(10)设置在介质基板(2)的上层。

4.根据权利要求3所述的一种用于第五代移动通信的高集成度有源一体化天线模块，其特征在于：所述的小型化天线阵列还包括第二金属圆盘(11)，第二金属圆盘(11)设置在介质基板(2)的上表面，带法兰固定连接器(7)的探针穿过第一金属圆盘(6)和第一金属化过孔连接在第二金属圆盘(11)上。

5.根据权利要求4所述的一种用于第五代移动通信的高集成度有源一体化天线模块，其特征在于：所述的小型化天线阵列还包括第三金属圆盘(12)和第四金属圆盘(13)，第三金属圆盘(12)设置在介质基板(2)的上表面，第四金属圆盘(13)设置在介质基板(2)的下表面，短路金属柱(9)穿过第四金属圆盘(13)和第二金属化过孔连接在第三金属圆盘(12)上。

6.根据权利要求2至5任一项所述的一种用于第五代移动通信的高集成度有源一体化天线模块，其特征在于：所述的金属长方形辐射贴片(4)为四个，金属长方形辐射贴片(4)分布在金属方形切角辐射贴片(3)的周围。