CN110661558B - 一种毫米波收发信机 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种毫米波收发信机，属于通信技术领域，包括：数字中频链路，用于基带数字信号与射频信号之间的转换；射频收发链路，用于射频信号与毫米波信号之间的转换；毫米波波控前端，为砖块式结构，包括：波束赋形网络和毫米波收发前端；所述波束赋形网络用于通过对毫米波信号的相位和幅度的控制，得到多路相位、幅度满足预设关系的毫米波信号；所述毫米波收发前端用于对天线接收到的信号进行低噪声放大，以及将发射链路的信号进行功率放大；阵列天线，用于接收和发射毫米波信号；通过砖块式的毫米波波控前端实现毫米波的高发射功率，提高了毫米波收发信机的电磁兼容性，具有良好的屏蔽作用，提高了设备的集成度，结构紧凑，且易于扩展。

Description

一种毫米波收发信机
技术领域
本文涉及通信技术领域，尤其涉及一种毫米波收发信机。
背景技术
在移动通信领域，产品的发展经历了2G、3G、4G等阶段，直至当前尚处于初期的5G阶段。国际电联和国内相关部门已经为5G的应用分配了频谱资源，除了在低于6GHz频段划分了频谱资源，在毫米波及相近的频段范围也划分了应用频段，比如26GHz、28GHz、39GHz、60GHz等频段。
对基站中的收发信机而言，在2G、3G到4G的演进过程中，其物理架构上变化不大，毕竟其工作频段集中在3GHz以下，电气设计和结构设计的方法是一致的，以4G收发信机产品为例，它的工作频率分布在3GHz以下的频段，射频收发链路直接与天线相连接，一般每个射频通道对应一个天线并且天线波束宽度较宽、覆盖范围大，一般不采用射频波束赋形技术。
作为基站设备和移动终端设备中的重要组成部分，毫米波收发信机的研发是5G技术开发中的重点和难点。与4G等产品相比，应用于5G毫米波频段的收发信机设备的一个显著的不同点就是频率高，较高的工作频率会带来一系列的设计难点，也使得它的设计方法与思路与之前的3G、4G相比有其独特之处：
(1)毫米波收发前端链路电气特性容易受寄生参数影响，链路射频特性比较敏感；
(2)在毫米波频段，电磁波信号传输损耗相对较大，为了提高设备的信号覆盖范围，需要收发信机具有较高的EIRP(有效全向辐射功率，Effective Isotropic RadiatedPower)指标，这就意味着需要提高发射通道的输出功率和增加天线的增益两方面来实现，这就需要应用多天线波束赋形技术；
(3)作为规模性商用设备，收发信机设备需要在满足电气性能的情况下，还需易于生产调试、易于维护。
发明内容
本文在于提供一种毫米波收发信机,通过砖块式的毫米波波控前端实现毫米波的高发射功率，提高了毫米波收发信机的电磁兼容性，具有良好的屏蔽作用，提高了设备的集成度，结构紧凑，且易于扩展。
本文解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
根据本文的一个方面，提供的一种毫米波收发信机，包括：
数字中频链路，用于基带数字信号与射频信号之间的转换；
射频收发链路，用于射频信号与毫米波信号之间的转换；
毫米波波控前端，为砖块式结构，包括：波束赋形网络和毫米波收发前端；
所述波束赋形网络用于通过对毫米波信号的相位和幅度的控制，得到多路相位、幅度满足预设关系的毫米波信号；
所述毫米波收发前端用于对天线接收到的信号进行低噪声放大，以及将发射链路的信号进行功率放大；
阵列天线，用于接收和发射毫米波信号。
可选地，所述毫米波收发前端包括8个收发通道，所述波束赋形网络包括与所述8个收发通道对应的8路毫米波信号。
可选地，所述阵列天线包括若干个天线阵子单元，每个所述天线阵子单元与一个毫米波收发通道相对应。
可选地，所述天线阵子单元根据不同的极化方向组装在不同的区域。
可选地，所述波束赋形网络包括：多路功分网络、移相器和衰减器。
可选地，所述毫米波收发前端包括：接收通道的低噪声放大器和发射通道的功率放大器。
可选地，还包括：
控制单元MCU，用于对设备内各部分电路进行配置和控制，***任务调度，以及与外部接口的通信；
时钟***，用于产生设备中所有时序逻辑电路所需要的各种同步的时钟信号；
电源***，用于将外部供给设备的电源转换为设备内的电路部件所需要的各种电压。
可选地，所述数字中频链路设置于数字电路板上，所述射频收发链路设置于射频电路板上，每个所述毫米波波控前端包括若干个毫米波收发赋形通道，每个毫米波收发赋形通道对应设置一个天线接口，每个天线接口连接一个天线阵子单元，所述天线阵子单元分区域设置不同的极化方向和/或工作频段。
可选地，所述射频电路板与所述毫米波波控前端通过紧凑型同轴传输线连接。
可选地，所述阵列天线为微带贴片天线。
本发明实施例的一种毫米波收发信机，包括：数字中频链路，用于基带数字信号与射频信号之间的转换；射频收发链路，用于射频信号与毫米波信号之间的转换；毫米波波控前端，为砖块式结构，包括：波束赋形网络和毫米波收发前端；所述波束赋形网络用于通过对毫米波信号的相位和幅度的控制，得到多路相位、幅度满足预设关系的毫米波信号；所述毫米波收发前端用于对天线接收到的信号进行低噪声放大，以及将发射链路的信号进行功率放大；阵列天线，用于接收和发射毫米波信号；通过砖块式的毫米波波控前端实现毫米波的高发射功率，提高了毫米波收发信机的电磁兼容性，具有良好的屏蔽作用，提高了设备的集成度，结构紧凑，且易于扩展。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种毫米波收发信机功能结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种毫米波收发信机硬件结构截面示意图；
图3为本发明实施例一提供的一种毫米波波控前端的结构示意图；
图4为本发明实施例一提供的一种天线阵子单元的区域排列示意图；
图5为本发明实施例二提供的一种天线阵子单元的区域排列示意图。
其中，附图标记为：301-设备机箱主体结构，302-数字电路板和射频电路板，303-毫米波波控前端，304-同轴连接传输线，305-阵列天线，306-设备机箱透波保护罩，401-天线接口端面，402-电源和控制连接接口，403-射频信号连接接口。
本文目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本文所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本文进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本文，并不用于限定本文。
实施例一
如图1所示，在本实施例中，一种毫米波收发信机，包括：
数字中频链路，用于基带数字信号与射频信号之间的转换；
射频收发链路，用于射频信号与毫米波信号之间的转换；
毫米波波控前端，为砖块式结构，包括：波束赋形网络和毫米波收发前端；
所述波束赋形网络用于通过对毫米波信号的相位和幅度的控制，得到多路相位、幅度满足预设关系的毫米波信号；
所述毫米波收发前端用于对天线接收到的信号进行低噪声放大，以及将发射链路的信号进行功率放大；
阵列天线，用于接收和发射毫米波信号。
在本实施例中，通过砖块式的毫米波波控前端实现毫米波的高发射功率，提高了毫米波收发信机的电磁兼容性，具有良好的屏蔽作用，提高了设备的集成度，结构紧凑，且易于扩展。
在本实施例中，所述毫米波收发信机设备适用于5G毫米波频段的应用，可用于基站中的RRU(Radio Remote Unit，射频拉远单元)设备，也适用于毫米波点对点、点对多点通信应用。
在本实施例中，对于工作在毫米波频段的波束赋形网络和毫米波收发前端电路部分，按照“砖块式”结构设计。一个“砖块”为一个基本的毫米波波控前端。这种“砖块式”的毫米波波控前端结构既考虑了电磁兼容特性，有利于实现良好的屏蔽作用，又可以方便地组装和互换。这种结构使得多个模块组装在一起时，各电子元器件的实际上是在一个立体空间分布的，适合于毫米波应用场景下对电路小尺寸的要求，有利于实现高密度、高集成度的设计，并且这种结构可以实现较好的散热方式，适合于较大发射功率的应用场景。
在本实施例中，数字中频链路：主要包括数字上变频，数字下变频，数模转换，模数转换，中频滤波，增益控制等电路，在接收和发射两个信号传输方向实现基带数字信号与射频信号之间转换。
在本实施例中，射频收发链路：主要包括上变频器，下变频器，中频滤波器，增益控制放大器等电路，在接收和发射两个信号传输方向实现射频信号与毫米波信号之间转换。
在本实施例中，所述波束赋形网络包括：多路功分网络、移相器和衰减器，它通过对号的相位和幅度的精确控制得到多路相位、幅度满足特定关系的信号，实现波束赋形功能。
在本实施例中，所述毫米波收发前端包括：接收通道的低噪声放大器和发射通道的功率放大器，对天线接收到的信号进行低噪声放大；将发射链路的信号进行功率放大，输出至天线再辐射出去。
如图1所示，在本实施例中，毫米波收发信机还包括：
控制单元MCU，用于对设备内各部分电路进行配置和控制，***任务调度，以及与外部接口的通信；
时钟***，用于产生设备中所有时序逻辑电路所需要的各种同步的时钟信号；
电源***，用于将外部供给设备的电源转换为设备内的电路部件所需要的各种电压。
如图2所示为毫米波收发信机的硬件结构截面示意图，从硬件结构上来看，所述收发信机包括：数字电路板，射频电路板，电源板，毫米波波控前端和阵列天线，在本实施例中，所述数字中频链路设置于数字电路板上，所述射频收发链路设置于射频电路板上，所述波束赋形网络和所述毫米波收发前端设置于毫米波波控前端。
如图2所示，所述数字电路板，射频电路板，电源板及其它数字接口、电源接口等非毫米波工作频段的电路部件，这些电路集成装配在设备机箱主体结构中。
在本实施例中，毫米波波控前端的结构示意图如图3所示，它为“砖块式”结构。该部件工作在毫米波频段，包含了波束赋形网络和毫米波收发前端。每一块波控电路单元包含有多个收发赋形通道，在设计时可以根据波束赋形的要求扩展或减少波控单元的通道数。在本实施例中，每一块毫米波波控前端包含有8个毫米波收发赋形通道，这从图3中所标注的天线接口也可以看出，图中，8个天线接口并排设置在天线接口端面上。毫米波波控前端与射频电路的电源和控制连接接口、射频信号连接接口也在图中示意标出。
在本实施例中，所述毫米波收发前端包括8个收发通道，所述波束赋形网络包括与所述8个收发通道对应的8路毫米波信号。
在本实施例中，所述阵列天线包括若干个天线阵子单元，每个所述天线阵子单元与一个毫米波收发通道相对应。
在本实施例所实现的设备中，总共有8个这样的模块并排组装在一起，构成了64路独立可控的毫米波收发通道，对应着64个天线阵子单元。
在本实施例中，毫米波波控前端与射频电路之间的毫米波信号互联，通过紧凑型同轴传输线来实现；毫米波波控前端与射频电路之间的电源供电和控制信号等连接，通过高密度金手指插座连接，或者通过高密度多芯插座连接。在实际装配时，毫米波波控前端模块与射频电路模块之间的毫米波信号和电气互联，均通过盲装配方式安装。为了保证盲装配的成功，结构上设计有定位销、导轨等辅助装置。
在本实施例中，所述阵列天线为微带贴片天线，直接连接到毫米波波控前端电路板的信号通道接口，减小了物理尺寸，最小限度地减小了传输路径损耗，提高了设备的集成度。
在本实施例中，所述天线阵子单元根据不同的极化方向组装在不同的区域。
如图4所示，为一种天线阵子单元的区域排列示意图，该阵列天线一共包含64个天线阵子单元，对应着64个独立的收发通道。左边的区域1排布着32个天线阵子单元，其极化方向为垂直方向，对应着4个并排放置的毫米波波控前端；右边的区域2同样排布着32个天线阵子单元，其极化方向为水平极化，也对应着4个并排放置的毫米波波控前端。仅通过改变毫米波波控前端的天线部分，就实现了可发射和接收不同极化方向电磁波信号的功能。
实施例二
如图5所示，为一种天线阵子单元的区域排列示意图，该阵列天线一共包含64个天线阵子单元，对应着64个独立的收发通道。左侧区域1和区域3中的天线阵子单元以及相应的毫米波波控前端的工作频段为26GHz；区域1中的16个天线阵子单元为垂直极化，区域3中的16个天线阵子单元为水平极化。两个区域对应着4个并排放置的毫米波波控前端。
右侧区域2和区域4的天线阵子单元以及相应的毫米波波控前端的工作频段为39GHz；区域2中的16个天线阵子单元为水平极化，区域4中的16个天线阵子单元为垂直极化。两个区域对应着4个并排放置的毫米波波控前端。
这样，通过配置毫米波波控前端，而对其它部分无需特别改动就实现了可以同时收发不同的频段、不同极化方式的信号的收发信机设备。在本实施例中，在26GHz和39GHz实现了垂直和水平两种极化方式的信号收发功能。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、***、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。
在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种毫米波收发信机，其特征在于，包括：
数字中频链路，用于基带数字信号与射频信号之间的转换；
射频收发链路，用于射频信号与毫米波信号之间的转换；
多个毫米波波控前端，每个毫米波波控前端均为砖块式结构，且均包括：波束赋形网络和毫米波收发前端；
所述波束赋形网络用于通过对毫米波信号的相位和幅度的控制，得到多路相位、幅度满足预设关系的毫米波信号；
所述毫米波收发前端用于对天线接收到的信号进行低噪声放大，以及将发射链路的信号进行功率放大；
每个毫米波波控前端均包括：天线接口、与射频收发链路的连接接口以及多个毫米波收发赋形通道；
阵列天线，用于接收和发射毫米波信号。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波收发信机，其特征在于，所述毫米波收发前端包括8个收发通道，所述波束赋形网络包括与所述8个收发通道对应的8路毫米波信号。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波收发信机，其特征在于，所述阵列天线包括多个天线阵子单元，每个天线阵子单元与一个毫米波收发赋形通道相对应，每个毫米波收发赋形通道对应设置一个天线接口，每个天线接口连接一个天线阵子单元。
4.根据权利要求3所述的一种毫米波收发信机，其特征在于，所述天线阵子单元根据不同的极化方向组装在不同的区域。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波收发信机，其特征在于，所述波束赋形网络包括：多路功分网络、移相器和衰减器。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波收发信机，其特征在于，所述毫米波收发前端包括：接收通道的低噪声放大器和发射通道的功率放大器。
7.根据权利要求1所述的一种毫米波收发信机，其特征在于，还包括：
控制单元MCU，用于对设备内各部分电路进行配置和控制，***任务调度，以及与外部接口的通信；
时钟***，用于产生设备中所有时序逻辑电路所需要的各种同步的时钟信号；
电源***，用于将外部供给设备的电源转换为设备内的电路部件所需要的各种电压。
8.根据权利要求1所述的一种毫米波收发信机，其特征在于，所述数字中频链路设置于数字电路板上，所述射频收发链路设置于射频电路板上。
9.根据权利要求8所述的一种毫米波收发信机，其特征在于，所述射频电路板与所述毫米波波控前端通过紧凑型同轴传输线连接。
10.根据权利要求1所述的一种毫米波收发信机，其特征在于，所述阵列天线为微带贴片天线。
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