CN213906671U - 用于5g毫米波的前端模组及5g毫米波通信系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于5G毫米波的前端模组及5G毫米波通信系统，其中，所述用于5G毫米波的前端模组，包括：天线、射频端和中频端；所述射频端和中频端通过混频器连接，所述混频器用于实现中频信号和射频信号的转换；所述射频端包括：波束赋形芯片、极化的功分器、射频信号开关、射频带通滤波器；所述中频端包括：中频信号放大器、中频信号开关和中频带通滤波器；所述射频端采用模拟波束赋形，所述中频端采用数字波束赋形。采用前述的方案，实现从毫米波频段到中频频段的变换，采用混合波束赋形技术，实现多波束多数据流的功能，降低了仪表测试和数据采集处理的难度。

Description

用于5G毫米波的前端模组及5G毫米波通信系统

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种用于5G毫米波的前端模组及5G毫米波通信系统。

背景技术

5G毫米波一般指工作在24.25-52.6GHz频段，具有带宽大，波束窄的特点，因此其传输速率得到了巨大提升，5G毫米波在过去普遍使用在卫星通信，雷达定位等军事化领域。由于通信技术的发展以及用户对高速数据传输的需求，5G毫米波逐渐应用在室内外热点，少量回传等场景，包括一些商业街，广场，医院，企业等高清资源共享，VR直播等。相比于4G通信，5G毫米波通信网络使用400MHz的带宽，传输速率能够提高至10Gbps的水平。但是，由于毫米波频率较高，空间衰减很大，传输距离短，如果中间有遮挡，天气不好都会对传输造成影响。因此，如何提高5G毫米波覆盖范围，降低障碍物对通信质量的影响是业内普遍关注的问题。

毫米波前端模组在5G毫米波通信系统中起着重要的作用，直接关系着整个通信系统的性能。毫米波前端模组一般包括天线，功放，低噪放，移相器，滤波器，射频开关，混频器等结构，常见的毫米波前端模组是将功放，低噪放，移相器等集成到一颗芯片上，而且是多个射频通道，一般是4个或者8个通道，此类芯片主要实现模拟波束赋形，又称作BFIC芯片。BFIC芯片作为一个单元或者模组，进一步缩小了电路的尺寸，降低了电路设计的难度，但是其工作频段依旧是毫米波频段，除了传输损耗极大，对测试的仪表要求也大，增加了数据采集处理的难度。

实用新型内容

本申请提供了一种用于5G毫米波的前端模组及5G毫米波通信系统，以解决现有的前端模组的工作频段依旧是毫米波频段，除了传输损耗极大，对测试的仪表要求也大，增加了数据采集处理的难度的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种用于5G毫米波的前端模组，包括：天线、射频端和中频端；所述射频端和中频端通过混频器连接，所述混频器用于实现中频信号和射频信号的转换；

所述射频端包括：波束赋形芯片、极化的功分器、射频信号开关、射频带通滤波器；所述中频端包括：中频信号放大器、中频信号开关和中频带通滤波器；

所述天线连接波束赋形芯片，所述波束赋形芯片连接极化的功分器，所述极化的功分器用于实现多片波束赋形芯片的功率分配；所述极化的功分器连接射频信号开关，所述射频信号开关用于实现发射和接收射频信号的切换；所述射频信号开关连接射频带通滤波器；所述射频带通滤波器用于滤除射频带外的杂散信号；

所述混频器连接射频带通滤波器和中频信号放大器，所述中频信号放大器用于射频信号放大，提高链路增益；所述中频信号放大器连接中频信号开关，所述中频信号开关用于实现发射和接收中频信号的切换；所述中频信号开关连接中频带通滤波器；所述中频带通滤波器用于防止带外干扰信号进入混频器而产生发射杂散信号；

所述天线和波束赋形芯片的数量为多个，所述波束赋形芯片包括多个通道，实现模拟波束赋形功能，支持双极化工作，单个波束赋形芯片连接多个天线；

所述射频端采用模拟波束赋形，所述中频端采用数字波束赋形。

结合第一方面，在一种实现方式中，所述前端模组还包括：锁相环电路；

所述锁相环电路选择频率温度的温补晶振或者恒温晶振作参考，所述锁相环电路的输出通道产生多路本振信号至各混频器，每路本振信号对应一个混频器。

结合第一方面，在一种实现方式中，所述锁相环电路与混频器之间还设置有本振功分器，所述本振功分器用于实现本振信号的功率分配。

结合第一方面，在一种实现方式中，所述极化的功分器采用微带功分器，在所述微带功分器以及射频信号开关之间设置有功率放大器，所述功率放大器用于提高射频信号的强度，补偿所述微带功分器的插损导致信号的损耗。

结合第一方面，在一种实现方式中，所述极化的功分器包括水平极化的功分器和垂直极化的功分器；水平极化的功分器和垂直极化的功分器等长设置；

所述水平极化的功分器连接波束赋形芯片的水平极化，进而连接水平极化方向的天线；所述垂直极化的功分器连接波束赋形芯片的垂直极化，进而连接垂直极化方向的天线。

结合第一方面，在一种实现方式中，所述天线和波束赋形芯片的数量根据所述前端模组的等效全向辐射功率确定，所述等效全向辐射功率采用以下公式计算：

EIRP＝P1dB+Gain+20*logN+Loss；

其中，EIRP表示前端模组的等效全向辐射功率，P1dB表示波束赋形芯片1dB压缩点，Gain表示天线的增益，N表示天线的数量，Loss表示天线与波束赋形芯片的互联损耗值。

结合第一方面，在一种实现方式中，所述天线为贴片天线，所述天线的数量为512个，所述波束赋形芯片为8通道的双极化的BFIC芯片，所述BFIC芯片的数量为128片。

结合第一方面，在一种实现方式中，所述混频器包括上变频器和下变频器，中频端的每个数字通道连接一个混频器，多个数字通道共用同一锁相环电路。

第二方面，本申请实施例部分提供了一种5G毫米波通信系统，所述5G毫米波通信系统包括如第一方面任一项所述的前端模组。

本申请提供了一种用于5G毫米波的前端模组及5G毫米波通信系统，其中，所述用于5G毫米波的前端模组，包括：天线、射频端和中频端；所述射频端和中频端通过混频器连接，所述混频器用于实现中频信号和射频信号的转换；所述射频端包括：波束赋形芯片、极化的功分器、射频信号开关、射频带通滤波器；所述中频端包括：中频信号放大器、中频信号开关和中频带通滤波器；所述天线连接波束赋形芯片，所述波束赋形芯片连接极化的功分器，所述极化的功分器用于实现多片波束赋形芯片的功率分配；所述极化的功分器连接射频信号开关，所述射频信号开关用于实现发射和接收射频信号的切换；所述射频信号开关连接射频带通滤波器；所述射频带通滤波器用于滤除射频带外的杂散信号；所述混频器连接射频带通滤波器和中频信号放大器，所述中频信号放大器用于射频信号放大，提高链路增益；所述中频信号放大器连接中频信号开关，所述中频信号开关用于实现发射和接收中频信号的切换；所述中频信号开关连接中频带通滤波器；所述中频带通滤波器用于防止带外干扰信号进入混频器而产生发射杂散信号；所述天线和波束赋形芯片的数量为多个，所述波束赋形芯片包括多个通道，实现模拟波束赋形功能，支持双极化工作，单个波束赋形芯片连接多个天线；所述射频端采用模拟波束赋形，所述中频端采用数字波束赋形。采用前述的方案，实现从毫米波频段到中频频段的变换，采用混合波束赋形技术，实现多波束多数据流的功能，降低了仪表测试和数据采集处理的难度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种用于5G毫米波的前端模组的结构示意图；

图2是本申请实施例中单个波束赋形芯片连接多个天线的结构示意图；

图3是本申请一个实施例中一种本振方案的结构示意图；

图4本申请实施例提供的阵列天线的排布示意图；

图5本申请实施例提供的阵列天线与BFIC连接的结构示意图；

图6是本申请实施例的前端模组的系统结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

由背景技术部分的描述可知，现有技术中的前端模组其工作频段依旧是毫米波频段，其传输损耗极大，对测试的仪表要求也大，不能和现有的收发信机架构相兼容。为了解决上述问题，本申请实施例采用将混频器，射频开关，滤波器等一起进行设计，实现从毫米波频段到中频频段的变换，采用混合波束赋形技术，实现多波束多数据流的功能，降低了仪表测试和数据采集处理的难度。

参照图1，本申请公开的一种用于5G毫米波的前端模组，包括：天线1、射频端2和中频端3；所述射频端2和中频端3通过混频器4连接，所述混频器4用于实现中频信号和射频信号的转换。

其中，本实施例中射频(RF，Radio Frequency)端的频段范围为26.5GHz-29.5GHz，中频(IF，Intermediate Frequency)端的频段范围为3.1GHz-3.9GHz，RF端采用256通道模拟波束赋形技术，IF端采用4个通道或者8个通道数字波束赋形技术，通常其数量是根据通信系统的功能需求确定的，如果增加通道数量直接提高了成本，而且与之通信的终端设备没有多余的空间放置多余的天线1，一般是2-4根毫米波天线，支持双极化工作。

所述射频端2包括：波束赋形芯片21、极化的功分器22、射频信号开关23、射频带通滤波器24；所述中频端3包括：中频信号放大器31、中频信号开关32和中频带通滤波器33。

所述天线1连接波束赋形芯片21，所述波束赋形芯片21连接极化的功分器22，所述极化的功分器22用于实现多片波束赋形芯片21的功率分配；所述极化的功分器22连接射频信号开关23，所述射频信号开关23用于实现发射和接收射频信号的切换；所述射频信号开关23连接射频带通滤波器24；所述射频带通滤波器24用于滤除射频带外的杂散信号。

其中，所述波束赋形芯片21，简称BFIC，集成了功率方放大器(PA)，低噪声放大器(LNA)，移相器，功分器等，能实现模拟波束赋形功能，支持双极化工作。

所述射频带通滤波器24射频用于26.5GHz-29.5GHz信号滤波，滤除带外的杂散信号。

所述混频器4连接射频带通滤波器24和中频信号放大器31，所述中频信号放大器31用于射频信号放大，提高链路增益；所述中频信号放大器31连接中频信号开关32，所述中频信号开关32用于实现发射和接收中频信号的切换；所述中频信号开关32连接中频带通滤波器33；所述中频带通滤波器33用于防止带外干扰信号进入混频器4而产生发射杂散信号。

其中，中频带通滤波器33，用于中频3.1GHz-3.9GHz信号滤波，防止带外干扰信号进入混频器4产生发射杂散信号，降低有用信号质量。

所述天线1和波束赋形芯片21的数量为多个，所述波束赋形芯片21包括多个通道，实现模拟波束赋形功能，支持双极化工作，也就是说单个波束赋形芯片21可以连接多个天线1，如图2所示。

所述射频端2采用模拟波束赋形，所述中频端3采用数字波束赋形。

采用前述的方案，利用空间分集技术，在数字端和模拟端同时使用波束赋形技术，兼顾了全数字波束赋形的海量数据实时处理以及大量高速AD(模拟-数字转换)/DA(数字-模拟转换)的缺点，也能满足多波束多数据流的需求。

可选地，所述混频器4选择上下变频器一体化的设计，每个数字通道设置一个混频器4，4个通道共用一个本振(LO)，由于上面选择4个数字通道，所以4个通道共本振，通过功分器连接。

为了降低本振泄露的影响，本实施例的前端模组选择1/4*LO的锁相环电路(PLL电路)，PLL电路的分频由混频器4的内置倍频器来决定，一般4分频的杂散产物落在带外，且信号幅度很小，而且考虑到温升的影响，选择频率温度的温补晶振或者恒温晶振作参考。

如图3所示，TCXO为温补晶振，温补晶振为PLL电路提供参考信号，所述锁相环电路与混频器之间还设置有本振功分器(PD)，所述本振功分器用于实现本振信号的功率分配。一个PLL电路可以包括多个输出通道连接多个混频器，本实施例选择的锁相环电路的输出通道产生4路本振信号至4个混频器(MIXER1-MIXER4)，每路本振信号对应一个混频器。

可选地，所述极化的功分器22采用微带功分器，在所述微带功分器以及射频信号开关23之间设置有功率放大器，所述功率放大器用于提高射频信号的强度，补偿所述微带功分器的插损导致信号的损耗。

其中，由于微带功分器插损较大，导致BFIC芯片的输出达不到饱和，因此，需要在发射链路上的MIXER和功分器之间增加一级PA以抵消功分器插损的影响。

可选地，所述极化的功分器22包括水平极化的功分器(PH-H)和垂直极化的功分器(PH-D)；水平极化的功分器和垂直极化的功分器等长设置；RF功分器(极化的功分器)等长设计，降低了RF通道间的校准要求。

所述水平极化的功分器连接波束赋形芯片21的水平极化，进而连接水平极化方向的天线；所述垂直极化的功分器连接波束赋形芯片21的垂直极化，进而连接垂直极化方向的天线。

为了增大前端模组的覆盖范围和信号的传输距离，需要提高前端模组的EIRP(等效全向辐射功率)，由于BFIC芯片受到工艺的限制，其P1dB(1dB压缩点)有限，因此，需要通过增加芯片和天线1单元的数量来提高EIRP，也就是说，所述天线1和波束赋形芯片21的数量可以根据所述前端模组需要的的等效全向辐射功率来确定，所述等效全向辐射功率采用以下公式计算：

EIRP＝P1dB+Gain+20*logN+Loss；

其中，EIRP表示前端模组的等效全向辐射功率，P1dB表示波束赋形芯片1dB压缩点，Gain表示天线的增益，N表示天线的数量，Loss表示天线与波束赋形芯片的互联损耗值。

可选地，所述天线1为贴片天线，根据上述EIRP的数值，选择的天线1的数量为512个，所述波束赋形芯片21为8通道的双极化BFIC芯片，所述BFIC芯片的数量为128片，也就是说RF通道数量为1024个。

本申请中选择双极化的是8个通道的BFIC芯片，是因为当前数量能够满足模拟波束赋形的功能，数量越多越能够减小波束宽度，但同时也增加了芯片的功耗和设计难度。当然，所述天线1以及BFIC芯片的数量还可以根据EIRP的数值进行调整。

512个阵列天线采用16*16布局，其框图如图4示：图4中黑色矩形为BFIC，白色矩形为天线单元，每个BFIC与4片天线单元相连，该模板由2个该结构构成。

其中，BFIC和单个天线单元互联及1分2功分结构示意图如图5所示：然后以此结构做成1分64的功分结构。

实施例

为了进一步地了解本申请公开的方案，本申请还公开了具体的实施例，如图6所示，图6示出了一种前端模组的系统图，共由4个物理通道构成，分收发链路(图中箭头从左向右为发射链路，反之为接收链路)，CH1至CH4，每个物理通道有256个RF通道，中频四个通道完全一致，其中，BPF1和SW1是中频的滤波器和开关，AMP是中频信号放大器，MIXER是混频器，MIXER集成了上变频器和下变频器，BPF2和SW2是射频的滤波器和开关，PA是功率放大器，设置在发射链路上，BFIC为双极化8通道，CH1通过功分器PD-H连接对应BFIC1的H极化，进而连接H极化方向的天线(ANT1-H至ANT4-H)，CH2通过功分器PD-V连接对应BFIC的V极化，进而连接V极化方向的天线(ANT1-V至ANT4-V)。

此外，图6中每个物理通道均包括收发两个通道，且收发通道以及各通道之间使用同一本振方案，这样就消除了频率漂移带来的相位误差。

基于上述公开的前端模组，本申请还公开一种5G毫米波通信系统，所述5G毫米波通信系统包括如上述任一种前端模组。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种用于5G毫米波的前端模组，其特征在于，包括：天线、射频端和中频端；所述射频端和中频端通过混频器连接，所述混频器用于实现中频信号和射频信号的转换；

所述射频端包括：波束赋形芯片、极化的功分器、射频信号开关、射频带通滤波器；所述中频端包括：中频信号放大器、中频信号开关和中频带通滤波器；

所述天线连接波束赋形芯片，所述波束赋形芯片连接极化的功分器，所述极化的功分器用于实现多片波束赋形芯片的功率分配；所述极化的功分器连接射频信号开关，所述射频信号开关用于实现发射和接收射频信号的切换；所述射频信号开关连接射频带通滤波器；所述射频带通滤波器用于滤除射频带外的杂散信号；

所述混频器连接射频带通滤波器和中频信号放大器，所述中频信号放大器用于射频信号放大，提高链路增益；所述中频信号放大器连接中频信号开关，所述中频信号开关用于实现发射和接收中频信号的切换；所述中频信号开关连接中频带通滤波器；所述中频带通滤波器用于防止带外干扰信号进入混频器而产生发射杂散信号；

所述天线和波束赋形芯片的数量为多个，所述波束赋形芯片包括多个通道，实现模拟波束赋形功能，支持双极化工作，单个波束赋形芯片连接多个天线；

所述射频端采用模拟波束赋形，所述中频端采用数字波束赋形。

2.根据权利要求1所述的前端模组，其特征在于，所述前端模组还包括：锁相环电路；

所述锁相环电路选择频率温度的温补晶振或者恒温晶振作参考，所述锁相环电路的输出通道产生多路本振信号至各混频器，每路本振信号对应一个混频器。

3.根据权利要求2所述的前端模组，其特征在于，所述锁相环电路与混频器之间还设置有本振功分器，所述本振功分器用于实现本振信号的功率分配。

4.根据权利要求1所述的前端模组，其特征在于，

所述极化的功分器采用微带功分器，在所述微带功分器以及射频信号开关之间设置有功率放大器，所述功率放大器用于提高射频信号的强度，补偿所述微带功分器的插损导致信号的损耗。

5.根据权利要求4所述的前端模组，其特征在于，

所述极化的功分器包括水平极化的功分器和垂直极化的功分器；水平极化的功分器和垂直极化的功分器等长设置；

所述水平极化的功分器连接波束赋形芯片的水平极化，进而连接水平极化方向的天线；所述垂直极化的功分器连接波束赋形芯片的垂直极化，进而连接垂直极化方向的天线。

6.根据权利要求1所述的前端模组，其特征在于，所述天线和波束赋形芯片的数量根据所述前端模组的等效全向辐射功率确定，所述等效全向辐射功率采用以下公式计算：

EIRP＝P1dB+Gain+20*logN+Loss；

其中，EIRP表示前端模组的等效全向辐射功率，P1dB表示波束赋形芯片1dB压缩点，Gain表示天线的增益，N表示天线的数量，Loss表示天线与波束赋形芯片的互联损耗值。

7.根据权利要求6所述的前端模组，其特征在于，

所述天线为贴片天线，所述天线的数量为512个，所述波束赋形芯片为8通道的双极化的BFIC芯片，所述BFIC芯片的数量为128片。

8.根据权利要求2所述的前端模组，其特征在于，所述混频器包括上变频器和下变频器，中频端的每个数字通道连接一个混频器，多个数字通道共用同一锁相环电路。

9.一种5G毫米波通信系统，其特征在于，所述5G毫米波通信系统包括如权利要求1-8任一项所述的前端模组。

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