CN115499041A - 一种采用相控阵技术的客户端设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用相控阵技术的客户端设备，它包括基板以及安装于基板上且有序连接的毫米波天线、相控阵波束合成芯片、上/下混频器芯片、频综芯片、MCU芯片、手机SOC芯片、电源芯片以及通讯接口；其中，所述相控阵波束合成芯片内设置有接收通道与发射通道，且接收通道与发射通道均设有多个；每个接收通道内设置有低噪声放大器和移相器；所述毫米波天线的振子数与对应的相控阵波束合成芯片内的接收通道或发射通道数量相对应。本发明优点在于，可以扩展5G毫米波的天线阵列，提高发射功率和接收灵敏度，比原5G毫米波SOC芯片做的手机接收灵敏度高，可以克服毫米波手机信号差的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备、电子器件技术领域，尤其涉及一种采用相控阵技术的客户端设备。
背景技术
信息时代通信技术所面临的主要问题就是解决海量数据生成与通信容量不足之间的矛盾，当前主要解决方法之一是每隔几年引入一个新的无线标准来定义新协议，即采用更复杂的调制方案，以增加数据吞吐量，另外一种方式就是增加带宽，著名的香农－哈特利定理指出，通信***的容量与带宽呈线性函数关系，为了快速传输更多的数据，理论上可以将调制信号(FBW）扩展到更宽的频率范围内来增加其带宽，当前无线通信的发展遵循了这一思路，目前5G蜂窝网络的许可运行频段主要在6GHz频率以下，可用频谱带宽受到一定限制，也就限制了数据率，随着用摄像头拍摄视频（比用手机拍摄抖音小视频或者做直播）和以及在线电影往更高清晰度发展，运行频谱向更高频段拓展是必然的，这样才能顺应趋势要求，毫米波频段（一般指30GHz到300GHz的电磁波频段）无线通信具有频谱宽和较强有效视距通信能力，能够大幅提高带宽、数据传输率，以及降低端到端延时，实现通信容量的大幅提升，因而获得了越来越多的关注并逐渐得到了实际应用，更多毫米波高端频段（一般指＞６GHz频段）被使用，毫米波产业链也跟着发展起来，一般认为第五代移动通信技术(5G)将部署毫米波频段的基站，使用支持毫米波频段的手机，将数据容量提高到10Gbps以上。
提高无线通信数据率的另外一条技术路线是Wi-Fi，可以清晰地看到，Wi-Fi 4最高40MHz带宽，Wi-Fi 5和Wi-Fi 6最高160MHz带宽，Wi-Fi7最高320MHz带宽，带宽提高得也很快，工作频率从2.4GHz，5GHz提高到6GHz范围，另外就是调制方式从64 QAM、256 QAM和1024 QAM 提高到4096 QAM，进一步增加了数据率，WiFi6可以支持9.6Gbps，WiFi7的最高下载速度可以达到30Gbps，已经超过5G毫米波的最高下载速率，目前已经有很多手机支持Wi-Fi6E，普通WiFi6路由器都是3.6Gbps，手机端是1.2Gbps主要频段是2.4GHz和5.8GHz，Wi-Fi7有三个频段，分别是2.4GHz，5GHz，6GHz，频率越高速度越快，而且这三个频段可以同时工作。
总之，无线蜂窝通信和无线Wi-Fi连接都在提高数据率，而且5G毫米波跟Wi-Fi6E的高速数据率基本匹配。
但是，不是所有终端设备都支持新标准，总会有人在使用旧手机，就会有困难让每个人都可以马上享受新技术带来的数据率提升的好处，另外一个问题是毫米波频段的电磁波在空气中的衰减比厘米波的衰减大，每个基站覆盖的范围变小，5G毫米波一个重要技术就是使用相控阵方式，利用波束合成提高收发距离。因为成本限制，总会有手机进入基站不能很好服务的范围。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种采用相控阵技术的客户端设备的设计制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种采用相控阵技术的客户端设备，它包括
基板，作为安装载体；
相控阵波束合成芯片，安装于基板上；
毫米波天线，安装于基板上且位于相控阵波束合成芯片旁并与相控阵波束合成芯片连接，或集成于相控阵波束合成芯片上；
上/下混频器芯片，安装于基板上并与相控阵波束合成芯片连接；
频综芯片，安装于基板上并与上/下混频器芯片连接；
手机SOC芯片，支持毫米波CPE，安装于基板上并与上/下混频器芯片连接；
MCU芯片，安装于基板上并与频综芯片和手机SOC芯片连接；
电源芯片，安装于基板且与手机SOC芯片连接，用于为相控阵波束合成芯片、上/下混频器芯片、频综芯片、手机SOC芯片和独立MCU芯片供电；以及
通讯接口，安装于基板上并与电源芯片连接；
其中，所述相控阵波束合成芯片内设置有接收通道与发射通道，且接收通道与发射通道均设有多个；每个接收通道内设置有低噪声放大器和移相器；
所述毫米波天线的振子数与对应的相控阵波束合成芯片内的通道数量相对应；
接收信号时，所述毫米波天线接收到射频信号，经过相控阵波束合成芯片的接收通道放大和相位调整后，由上/下混频器芯片变换至模拟基带信号，在基板上经过滤波处理后，送手机SOC芯片；
发射信号时，由手机SOC芯片将所要发射的数据转换为模拟基带信号，在基板上做滤波后，由上/下混频器芯片变换到毫米波频段，由相控阵波束合成芯片的发射通道内的功率放大器放大，由毫米波天线发射。
进一步的，所述基板表面设置有定位点，所述相控阵波束合成芯片通过UV胶水贴合至基板的定位点。
进一步的，所述毫米波天线通过UV胶水贴合在基板表面。
进一步的，所述上/下混频器芯片通过焊接固定在基板表面。
进一步的，所述频综芯片包括锁相环和压控振荡器，所述频综芯片焊接在基板上，为毫米波信号处理提供本振信号。
进一步的，所述通讯接口位于基板的端部，且所通讯接口为USB接口。
进一步的，所述手机SOC芯片采用的内置程序方式为热点模式，且频综芯片、上/下混频器芯片和相控阵波束合成芯片均使用独立的配置MCU。
进一步的，它还包括2.4GHz Wi-Fi天线与5.8GHz Wi-Fi天线，所述2.4GHz Wi-Fi天线与5.8GHz Wi-Fi天线均印制在基板上并均与手机SOC芯片连接。
进一步的，所述相控阵波束合成芯片、毫米波天线、上/下混频器芯片均设置M组且一一对应连接，其中M为正整数。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1．本发明提供的5G 毫米波客户终端设备，可以扩展5G毫米波的天线阵列，提高发射功率和接收灵敏度，比原5G毫米波SOC芯片做的手机接收灵敏度高，可以克服毫米波手机信号差的缺点。
2.该用户终端可以安装到不支持5G毫米波的SUB6GHz的5G手机或者4G手机上，让旧手机享受5G毫米波的高数据率，同时该用户终端也可以安装到充电宝上，用热点方式支持笔记本电脑和平板（iPAD）上网，不仅提高数据传输率，还降低了使用市政或者商户提供的免费Wi-Fi时的数据安全风险。
3.本发明的生产成本较低，室内外使用都比普通毫米波手机收发距离更远，既享受了毫米波的高速数据率，又解决了毫米波传输距离短的缺点，因此有重要的价值。
附图说明
图1为本发明提出的一种采用相控阵技术的客户端设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
参照图1，一种采用相控阵技术的客户端设备，它的主体包括基板，基本可以是任意形状，但是为了使用方便，这里多采用矩形设计。
基板上设置有四个相控阵波束合成芯片（AIP），四个相控阵波束合成芯片呈矩形分布在基板的边缘，基板上设置有四组毫米波天线，四组毫米波天线呈矩形对称设置，除了毫米波天线外另有2.4GHz Wi-Fi天线与5.8GHz Wi-Fi天线；基板上设置有四个上/下混频器芯片、频综芯片、USB接口、手机SOC芯片与电源芯片。
上/下混频器芯片包含上混频器和下混频器。这是一颗芯片，实现上混频和下混频两种功能。频综芯片，功分后提供四路本振信号给四个上/下混频器芯片。USB接口可以采用Type C或者类似的数据和电源接口。手机SOC芯片与电源芯片系供客户端（CPE）使用。
四个相控阵波束合成芯片通过UV胶水贴合至基板表面，且基板上设置有四个定位点，四个定位点用于辅助贴合相控阵波束合成芯片。需要注意的是，基板整体采用塑封并将外形做到跟目标手机的形状、尺寸相匹配，也可以针对充电宝的形状、尺寸进行塑封，同时可通过手机或充电宝进行取电，USB接口可以使用刚性连接，即固定在基板上，也可以使用软线连接。
手机SOC芯片以及电源芯片均通过焊接的方式与基板表面连接，相控阵波束合成芯片采用SiGe工艺或硅基全耗尽隔离工艺，相控阵波束合成芯片内设置有接收通道与发射通道，接收通道内设置有低噪声放大器和移相器，四组毫米波天线中每组天线的振子数跟相控阵波束合成芯片的接收通道或发射通道数量相对应。
值得一提的是，一般5G毫米波手机SOC芯片支持4CC载波聚合，因此使用四组带毫米波天线的相控阵波束合成芯片比较方便。若采用两片相控阵波束合成芯片，就使其分布基板的两端；若采用四片相控阵波束合成芯片，则放在基板的四个边角。相控阵波束合成芯片靠边布置能够尽量避免手持设备在工作时天线被手遮挡。为了降低辐射并防止被干扰，使用差分走线方式排布基板电路。需要注意的是，如图1中所示的“N”一般指相控阵波束合成芯片的收发通道数量，通常是4、8或者4的倍数,理论上可以提高6dB或者12dB接收灵敏度，同时增加6dB或者12dB发射功率。本发明不限制相控阵波束合成芯片本身的通道数与设计方式。而图1中的“M”指的是M个相控阵波束合成芯片并联。
四组毫米波天线通过UV胶水贴合在基板表面，且两组毫米波天线位于同侧的两个相控阵波束合成芯片附近，毫米波天线接收到射频信号，经过放大和相位调整后，由上/下混频器芯片内的下混频器变换至模拟基带信号，在在基板上经过滤波处理后，送手机SOC芯片并转化为数字信号。发射信号时，由手机SOC芯片将所要发射的数据转换为模拟基带信号，在基板上做滤波后，由上/下混频器芯片内的下混频器变换到毫米波频段，由相控阵波束合成芯片的发射通道内的功率放大器放大，由毫米波天线发射。
设置手机SOC芯片（手机芯片厂商为5G毫米波CPE设计的SOC芯片）的内置程序为热点模式，且频综芯片、上/下混频器芯片和相控阵波束合成芯片均使用独立的MCU芯片（不通过手机SOC芯片直接配置，减少对手机SOC芯片程序的修改）。需要注意的是，如果手机SOC芯片使用的是基带模式，那么上/下混频器芯片则使用I/Q调制器和I/Q解调器模式，如果手机SOC芯片使用的是数字中频方式，那么上/下混频器芯片使用I/Q混频器模式（用90度移相器将I路移相再跟Q路相加输出中频）。
本发明中，MCU芯片可以内置程序，其与手机SOC芯片通信，手机SOC芯片可能需要给MCU芯片输送数据，也可以不送（如果不需要改变工作频段或者增益的话）。但是考虑到频综芯片需要有MCU芯片写初始化数据，故考虑设置MCU芯片。
从图1中可以看出，四个上/下混频器芯片焊接在基板的表面，且四个上/下混频器芯片呈矩形分布在四个相控阵波束合成芯片的一侧，频综芯片由锁相环（PLL）和压控振荡器（VCO）构成，频综芯片焊接在基板上，频综芯片位于基板中间偏下的位置，频综芯片产生的本振信号可以在基板上使用电感和电容做带通滤波，减小谐波成分，上/下混频器芯片内带有倍频器，能够减少频综芯片到混频器芯片的信号幅度衰减，USB接口位于基板的端部，且USB接口为Type-C，需要注意的是，USB接口还可以是B-5Pin、B-4Pin、B-8Pin-2×4、MicroUSB等。值得一提的是，在室内外使用时，将该方案做的产品扣到SUB-6GHz的5G手机或者充电宝上，用Wi-Fi热点方式支持笔记本电脑和平板上网，既享受了毫米波的高速数据率，又解决了毫米波传输距离短的缺点。为了方便展示，图1中对其中一组的上/下混频器芯片做了详细图形（右下方），其他三组均与其相同。另外图1中频综芯片下方的配置MCU属于可有可无的器件。可以用来配置毫米波天线的收发；如果没有的话，用手机的SoC芯片来配置毫米波天线的收发也可以。
本发明的核心原理在于，通过提高手机的发射功率和接收灵敏度，就可以减少盲点，在5G毫米波基站（包括室内覆盖的小基站）大规模部署以后，使用一个5G毫米波转Wi-Fi的客户终端设备（CPE），不仅仅能让不支持5G毫米波的手机享受5G毫米波的高数据率，也能让笔记本和平板电脑等便携设备享受5G毫米波的高速数据率，而且还可以消除使用公用Wi-Fi网络的数据安全隐患。一般信号弱时，无线通信技术都是通过降低数据率来防止掉线，使用发射功率更大且接收灵敏度更高的客户终端设备（CPE），还可以更好地保持高速数据传输。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种采用相控阵技术的客户端设备，其特征在于，它包括
基板，作为安装载体；
相控阵波束合成芯片，安装于基板上；
毫米波天线，安装于基板上且位于相控阵波束合成芯片旁并与相控阵波束合成芯片连接，或集成于相控阵波束合成芯片上；
上/下混频器芯片，安装于基板上并与相控阵波束合成芯片连接；
频综芯片，安装于基板上并与上/下混频器芯片连接，为上/下混频器芯片提供本振信号；
手机SOC芯片，支持毫米波CPE，安装于基板上并与上/下混频器芯片连接；
MCU芯片，安装于基板上并与频综芯片和手机SOC芯片连接；
电源芯片，安装于基板且与手机SOC芯片连接，用于为相控阵波束合成芯片、上/下混频器芯片、频综芯片、手机SOC芯片和独立MCU芯片供电；以及
通讯接口，安装于基板上并与电源芯片连接；
其中，所述相控阵波束合成芯片内设置有接收通道与发射通道，且接收通道与发射通道均设有多个；每个接收通道内设置有低噪声放大器和移相器；
所述毫米波天线的振子数与对应的相控阵波束合成芯片内的接收通道或发射通道数量相对应；
接收信号时，所述毫米波天线接收到射频信号，经过相控阵波束合成芯片的接收通道放大和相位调整后，由上/下混频器芯片变换至模拟基带信号，在基板上经过滤波处理后，送手机SOC芯片；
发射信号时，由手机SOC芯片将所要发射的数据转换为模拟基带信号，在基板上做滤波后，由上/下混频器芯片变换到毫米波频段，由相控阵波束合成芯片的发射通道内的功率放大器放大，由毫米波天线发射。
2.根据权利要求1所述的一种采用相控阵技术的客户端设备，其特征在于，所述基板表面设置有定位点，所述相控阵波束合成芯片通过UV胶水贴合至基板的定位点。
3.根据权利要求1所述的一种采用相控阵技术的客户端设备，其特征在于，所述毫米波天线通过UV胶水贴合在基板表面。
4.根据权利要求1所述的一种采用相控阵技术的客户端设备，其特征在于，所述上/下混频器芯片通过焊接固定在基板表面。
5.根据权利要求1所述的一种采用相控阵技术的客户端设备，其特征在于，所述频综芯片包括锁相环和压控振荡器，所述频综芯片焊接在基板上，为毫米波信号处理提供本振信号。
6.根据权利要求1所述的一种采用相控阵技术的客户端设备，其特征在于，所述通讯接口位于基板的端部，且所通讯接口为USB接口。
7.根据权利要求1所述的一种采用相控阵技术的客户端设备，其特征在于，所述手机SOC芯片采用的内置程序方式为热点模式，且频综芯片、上/下混频器芯片和相控阵波束合成芯片均使用独立的配置MCU。
8.根据权利要求1所述的一种采用相控阵技术的客户端设备，其特征在于，它还包括2.4GHz Wi-Fi天线与5.8GHz Wi-Fi天线，所述2.4GHz Wi-Fi天线与5.8GHz Wi-Fi天线均印制在基板上并均与手机SOC芯片连接。
9.根据权利要求1所述的一种采用相控阵技术的客户端设备的设计制造方法，其特征在于，所述相控阵波束合成芯片、毫米波天线、上/下混频器芯片均设置M组且一一对应连接，其中M为正整数。
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