CN216251157U - 一种64单元混合波束赋形有源天线阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种64单元混合波束赋形有源天线阵列，其单元数量大并采用有源天线结构实现了较小的整体尺寸，且在射频前端中加入数控衰减器实现了每个单元的幅度控制。其包括：八个单元子阵，每个单元子阵包括直线间隔排布的八个单元；金属屏蔽盒；八个所述单元子阵并列间隔排布；每个单元子阵还包括有一个一分八功分网络；每个单元包括有一个天线、一个射频前端；每个单元的所述天线位于所述多层印制电路板的对应顶部位置，每个单元的所述射频前端位于所述多层印制电路板的对应底部位置，每个单元的射频前端对应布置于对应的天线的正下方位置；所述金属屏蔽盒位于所述多层印制电路板的下方、并覆盖所有的射频前端布置。

Description

一种64单元混合波束赋形有源天线阵列

技术领域

本实用新型涉及无线通信的技术领域，具体为一种64单元混合波束赋形有源天线阵列。

背景技术

随着移动数据的需求高速增长，无线通信容量亟需增加，因此，无线通信设备的收发通道正迅速增加，通过多输入多输出技术和波束赋形技术扩充无线通信容量。一方面，波束赋形技术中，全数字波束赋形虽然具有优异的性能，包括数字域高度的编码自由、灵活的多波束能力、较高的波束增益，但是系统复杂度过高、成本过大、功耗过高，相反模拟波束赋形虽然成本低功耗低，但是只能支持一路数据流，数据传输速率有限，采用混合波束赋形可以性能和成本的折中，以较低的复杂度、成本和功耗实现较高的波束增益、干扰抑制和一定程度的数据流复用。另一方面，庞大的收发通道数量会导致无线通信设备的体积较大，采用有源天线替代电缆连接射频前端和天线的结构可以大幅减小设备的体积。

在波束赋形天线阵列领域，已经出现了一系列技术成果。近年来，波束赋形天线阵列正逐渐被相关研究人员所关注，然而，就已公开的相关波束赋形天线阵列结构而言，仍然存在着以下三个问题。

1、天线与射频前端采用电缆连接，结构不够紧凑，致使通信设备的体积较大。

2、受限于整体尺寸，单元数量较少，波束赋形通常采用模拟波束赋形或数字通道较少的混合波束赋形，可以支持的数据流较少，波束增益也较低。

3、射频前端通常只能实现相位控制，不能实现幅度控制，因此不能降低旁瓣水平和提高干扰抑制。

为此，急需研发一款整体尺寸小、且可实现每个单元幅度控制的波束赋形天线阵列。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种64单元混合波束赋形有源天线阵列，其单元数量大并采用有源天线结构实现了较小的整体尺寸，且在射频前端中加入数控衰减器实现了每个单元的幅度控制。

一种64单元混合波束赋形有源天线阵列，其特征在于，其包括：

八个单元子阵，每个单元子阵包括直线间隔排布的八个单元；

金属屏蔽盒；

八个所述单元子阵并列间隔排布；

每个单元子阵还包括有一个一分八功分网络，所述一分八功分网络包括多层印制电路板和对应的集成电路；

每个单元包括有一个天线、一个射频前端；

每个单元的所述天线位于所述多层印制电路板的对应顶部位置，每个单元的所述射频前端位于所述多层印制电路板的对应底部位置，每个单元的射频前端对应布置于对应的天线的正下方位置；

所述金属屏蔽盒位于所述多层印制电路板的下方、并覆盖所有的射频前端布置；

所述多层印制电路板的厚度方向贯穿有八个金属孔，每个单元的天线通过金属孔连接射频前端；

所述多层印制电路板包括顶层金属层、底层金属层，所述底部金属层通过微带线连接个集成电路的对应芯片；

每个所述射频前端包括有一个数控衰减器。

其进一步特征在于：

每个所述单元子阵的尺寸相同，且相邻的单元子阵的宽度方向间距相同，每个所述单元子阵内的各单元尺寸相同，每个所述单元子阵内相邻的各单元之间的间距相同，每个单元的天线位于单元的中央位置布置；

所述多层印制电路板从上至下依次设置顶部金属层、第一介质基片、第一中间金属层、第一粘贴介质层、第二中间金属层、第二介质基片、第三中间金属层、第二粘贴介质层、第四中间金属层、第三介质基片和底部金属层；所述顶部金属层为地平面，所述第一中间金属层、第二中间金属层、第三中间金属层设置电源线和控制信号线，所述第四中间金属层为地平面，所述底部金属层的微带线连接各集成电路的对应芯片；

每个所述射频前端包括一个数控衰减器、一个数控移相器、一个发射放大器、一个接收放大器、两个单刀双掷开关；

所述一分八功分网络位于多层印制电路板底部，所述一分八功分网络由七个威尔金森功分器和若干段微带线组合实现；每个威尔金森功分器包括一个功分器芯片和一个阻值为100欧姆的隔离电阻，各威尔金森功分器的端口之间由微带线连接，一分八功分网络的八条支路和射频前端之间用微带线连接；

所述金属屏蔽盒包括64个屏蔽腔，每个屏蔽腔覆盖一个单元的射频前端，相邻的屏蔽腔之间的金属壁上有若干缺口，所述缺口防止屏蔽盒与微带线短路。

采用本实用新型的结构后，八个单元子阵各传输一路数据流；当该有源天线阵列处于发射模式时，每个单元子阵的信号经一分八功分网络后，分成八路等幅同相的信号传输到八个射频前端，射频前端完成信号的放大、幅度控制、相位控制后，馈入天线单元以电磁波的形式发射；当该有源天线阵列处于接收模式时，每个单元子阵的每个单元的天线接收到的信号传输到该单元的射频前端，射频前端完成信号的放大、幅度控制、相位控制，一分八功分网络将八个单元的信号合成为1路数据流输出；每个单元子阵通过对每个单元的信号的幅度相位控制，实现模拟波束赋形，该64单元混合波束赋形有源天线阵列通过在数字域对八个单元子阵的数据流的幅度相位控制，完成数字波束赋形；其单元数量大并采用有源天线结构实现了较小的整体尺寸，且在射频前端中加入数控衰减器实现了每个单元的幅度控制。

附图说明

图1为64单元混合波束赋形有源天线阵列的结构图；

图2为64单元混合波束赋形有源天线阵列的横向层次结构图；

图3为射频前端的结构示意图；

图4为一分八功分网络的结构示意图；

图5为金属屏蔽盒的结构示意图；

图6为64单元混合波束赋形有源天线阵列的波束扫描方向图；

图中序号所对应的名称如下：

单元子阵1、单元子阵2、单元子阵3、单元子阵4、单元子阵5、单元子阵6、单元子阵7、单元子阵8、天线9、顶部金属层10、第一介质基片11、第一中间金属层12、第一粘贴介质层13、第二中间金属层14、第二介质基片15、第三中间金属层16、第二粘贴介质层17、第四中间金属层18、第三介质基片19和底部金属层20、金属孔21、金属屏蔽盒22、数控衰减器23、数控移相器24、发射放大器25、接收放大器26、单刀双掷开关27、单刀双掷开关28、威尔金森功分器29、功分器芯片30、隔离电阻31、屏蔽腔32、缺口33。

具体实施方式

一种64单元混合波束赋形有源天线阵列，见图1-图5，其包含了八个单元子阵1、2、3、4、5、6、7、8和一个金属屏蔽盒22；每个单元子阵的各单元呈直线排布，八个单元子阵1、2、3、4、5、6、7、8并列排布；每个单元子阵包含八个天线9、八个射频前端和一个一分八功分网络，由一分八功分网络通过多层印制电路板和集成电路实现，天线9和射频前端分别位于多层印制电路板的顶部和底部；金属屏蔽盒22位于多层印制电路板下方，并覆盖射频前端，实现外界信号屏蔽盒散热。

每个单元子阵的尺寸相同，间距相同，间距为54mm，即工作频段的中心频率对应波长的0.63倍，每个单元子阵的各单元尺寸相同，间距相同，间距为54mm，各单元的天线9位于单元的中央，采用层叠式贴片天线；每个单元子阵包含八个天线9、八个射频前端和一个一分八功分网络，采用多层印制电路板和集成电路实现。

多层印制电路板从上至下依次设置顶部金属层10、第一介质基片11、第一中间金属层12、第一粘贴介质层13、第二中间金属层14、第二介质基片15、第三中间金属层16、第二粘贴介质层17、第四中间金属层18、第三介质基片19和底部金属层20；顶部金属层10为地平面，第一中间金属层12、第二中间金属层14、第三中间金属层16设置电源线和控制信号线，第四中间金属层18为地平面，底部金属层20的微带线连接各集成电路芯片，金属孔21连接每个单元的射频前端和天线，金属孔21周围布置六个围成一圈的接地孔连通印制电路板各金属层的地，抑制信号在金属孔21传输过程中的泄露。

每个射频前端包括一个数控衰减器23、一个数控移相器24、一个发射放大器25、一个接收放大器26、两个单刀双掷开关27、28，数控衰减器23的衰减步进为0.25dB，数控移相器24的移相步进为5.625deg，为减少控制线的数量，数控衰减器23和数控移相器24采用串行控制，当有源天线阵列处于发射模式时，两个单刀双掷开关27、28连接发射放大器，当有源天线阵列处于接收模式时，两个单刀双掷开关27、28连接接收放大器26。

一分八功分网络位于多层印制电路板底部，由七个威尔金森功分器29和若干段微带线实现；每个威尔金森功分器29包括一个功分器芯片30和一个阻值为100欧姆的隔离电阻31，各威尔金森功分器29的端口之间由微带线连接，一分八功分网络的八条支路和射频前端之间用微带线连接，各段微带线的长度需要控制以确保一分八功分网络的合路端口到各支路端口的群时延相同。

金属屏蔽盒22包括64个屏蔽腔32，每个屏蔽腔覆盖一个单元的射频前端，屏蔽腔32高5mm，屏蔽腔之间的金属壁上有若干缺口33，防止屏蔽盒与微带线短路，缺口33宽2mm，高2mm。

金属孔21具体为在多层印刷电路板上开设贯穿孔后，在孔壁上覆合金属的成熟结构。

具体实施时，为了验证本实用新型提供的实现64单元混合波束赋形有源天线阵列结构的真实性和可靠性，按照本实用新型提供的64单元混合波束赋形有源天线阵列结构制作了一个工作中心频率为3.5GHz的64单元混合波束赋形有源天线阵列实例进行验证，设计的实例有源天线阵列的印制电路板的所有介质基片均采用厚度为0.254mm的TLY-5板材，所有粘贴介质层采用厚度为0.2mm的RO4450F。图6给出了实例64单元混合波束赋形有源天线阵列的波束扫描方向图，在3.5GHz，该有源天线阵列的波束指向0deg时波束增益为44dBi，在-40～40deg内扫描的波束增益变化小于2.5dB，并且-60～60deg内不出现栅瓣。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种64单元混合波束赋形有源天线阵列，其特征在于，其包括：

八个单元子阵，每个单元子阵包括直线间隔排布的八个单元；

金属屏蔽盒；

八个所述单元子阵并列间隔排布；

每个单元子阵还包括有一个一分八功分网络，所述一分八功分网络包括多层印制电路板和对应的集成电路；

每个单元包括有一个天线、一个射频前端；

每个单元的所述天线位于所述多层印制电路板的对应顶部位置，每个单元的所述射频前端位于所述多层印制电路板的对应底部位置，每个单元的射频前端对应布置于对应的天线的正下方位置；

所述金属屏蔽盒位于所述多层印制电路板的下方、并覆盖所有的射频前端布置；

所述多层印制电路板的厚度方向贯穿有八个金属孔，每个单元的天线通过金属孔连接射频前端；

所述多层印制电路板包括顶层金属层、底部金属层，所述底部金属层通过微带线连接个集成电路的对应芯片；

每个所述射频前端包括有一个数控衰减器。

2.如权利要求1所述的一种64单元混合波束赋形有源天线阵列，其特征在于：每个所述单元子阵的尺寸相同，且相邻的单元子阵的宽度方向间距相同，每个所述单元子阵内的各单元尺寸相同，每个所述单元子阵内相邻的各单元之间的间距相同，每个单元的天线位于单元的中央位置布置。

3.如权利要求1所述的一种64单元混合波束赋形有源天线阵列，其特征在于：所述多层印制电路板从上至下依次设置顶部金属层、第一介质基片、第一中间金属层、第一粘贴介质层、第二中间金属层、第二介质基片、第三中间金属层、第二粘贴介质层、第四中间金属层、第三介质基片和底部金属层；所述顶部金属层为地平面，所述第一中间金属层、第二中间金属层、第三中间金属层设置电源线和控制信号线，所述第四中间金属层为地平面，所述底部金属层的微带线连接各集成电路的对应芯片。

4.如权利要求1所述的一种64单元混合波束赋形有源天线阵列，其特征在于：每个所述射频前端包括一个数控衰减器、一个数控移相器、一个发射放大器、一个接收放大器、两个单刀双掷开关。

5.如权利要求1所述的一种64单元混合波束赋形有源天线阵列，其特征在于：所述一分八功分网络位于多层印制电路板底部，所述一分八功分网络由七个威尔金森功分器和若干段微带线组合实现；每个威尔金森功分器包括一个功分器芯片和一个阻值为100欧姆的隔离电阻，各威尔金森功分器的端口之间由微带线连接，一分八功分网络的八条支路和射频前端之间用微带线连接。

6.如权利要求5所述的一种64单元混合波束赋形有源天线阵列，其特征在于：所述金属屏蔽盒包括64个屏蔽腔，每个屏蔽腔覆盖一个单元的射频前端，相邻的屏蔽腔之间的金属壁上有若干缺口，所述缺口防止屏蔽盒与微带线短路。

Images