CN115580316A - 一种用于5g nr-u频段的射频前端电路、电路板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于5G NR‑U频段的通信电路，通信电路包括：射频巴伦、下行射频通信模块、上行射频通信模块；射频巴伦，用于对接收射频收发机输出的差分平衡端信号和单端信号之间的阻抗匹配进行转换生成阻抗匹配信号；下行射频通信模块，用于基于集成的环形器、第一射频开关和第二射频开关对所述阻抗匹配信号进行功率检测输出增益的射频调制信号；上行射频通信模块，用于基于集成的环形器和第二射频开关对接收的带外信号进行抑制及带内信号进行放大处理生成放大信号发送至射频巴伦。根据本发明提供的电路能够降低成本，有利于电路小型化，并且满足5G NR‑U频段的通信需求。

Description

一种用于5G NR-U频段的射频前端电路、电路板
技术领域
本发明涉及无线传输技术领域，尤其涉及一种用于5G NR-U频段的射频前端电路、电路板。
背景技术
在5G无线专网（为特定的部门或群体，如政务和公共安全等行业等提供安全可靠的无线服务的专业网络）独立部署了NR-U基站、核心网等专用网络设备，由此能够大幅所服务群体的业务安全性、可靠性、专用性。这些特定群体特别是安全重要领域，例如变电站、智慧工厂，满足站内巡检机器人、移动巡检、视频监控等移动和大带宽等等业务应用。
但是，目前市场上基于5G NR-U频段设计的基站较少，大部分的基站射频链路采用分立器件，电路调试开发周期长，整机尺寸大，印制板走线长，并且分立射频器件互相干扰，导致射频关键指标（如发射杂散、接收灵敏度低、EVM、ACPR等）变差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于5G NR-U频段的射频前端电路、电路板，能够降低成本，有利于电路小型化，并且满足5G NR-U频段的通信需求。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面公开了一种用于5G NR-U频段的通信电路，所述通信电路包括：射频巴伦、下行射频通信模块、上行射频通信模块；射频巴伦，用于对接收射频收发机输出的差分平衡端信号和单端信号之间的阻抗匹配进行转换生成阻抗匹配信号；下行射频通信模块，用于基于集成的环形器、第一射频开关和第二射频开关对所述阻抗匹配信号进行功率检测输出增益的射频调制信号；上行射频通信模块，用于基于集成的环形器和第二射频开关对接收的带外信号进行抑制及带内信号进行信号放大处理生成放大信号发送至射频巴伦。
在一些实施方式中，所述下行射频通信模块包括：信号放大模块，耦合器、环形器、第一射频开关和第二射频开关；耦合器，用于实时获取经过所述信号放大模块处理后的信号进行耦合生成耦合信号；环形器，用于接收读取天线信号状态的驻波检测信号和耦合信号进行功率检测并输出增益的耦合信号；其中，所述环形器分别与所述第一射频开关和所述第二射频开关连通。
在一些实施方式中，其中，所述第一射频开关和第二射频开关均为单刀双掷开关；第一射频开关的第一端连接至接收射频收发机的反馈通道上的射频巴伦，第二端连接至耦合器，第三端连接至第二射频开关；第二射频开关的第一端连接至环形器，第二端连接至第一射频开关；通过第一射频开关和所述第二射频开关实现下行链路的闭环控制。
在一些实施方式中，所述信号放大模块包括：推动级功率放大器、匹配器和末级功率放大器。
在一些实施方式中，所述推动级功率放大器与所述射频巴伦之间还设置有预推动级功率放大器。
在一些实施方式中，所述上行射频通信模块，包括：低噪放大器、低通滤波器、环形器和第二射频开关；环形器，用于接收天线输入的带外信号并发送至第二射频开关；第二射频开关的第一端连接环形器，第二端连接至低噪放大器，用于将所述带外信号发送至低噪放大器进行抑制及带内信号进行放大处理生成放大信号；低通滤波器与所述低噪放大器连接，用于对所述放大信号进行低通滤波后输出至接收射频收发机的反馈通道上的射频巴伦。
在一些实施方式中，所述低噪放大器为集成的两级低噪放大器；所述低通滤波器用于对所述集成的两级低噪放大器处理生成的放大信号进行二三次谐波带外信号抑制滤波后输出至接收射频收发机的反馈通道上的射频巴伦。
在一些实施方式中，还包括：波导滤波器，用于对下行射频通信模块输出的增益的耦合信号进行发射杂散抑制或对上行射频通信模块接收的带外信号进行带外阻塞抑制。
在一些实施方式中，用于5G NR-U频段的通信电路通过时分双工模式实现下行射频通信模块或上行射频通信模块的信号处理。
根据本发明的第二个方面，提供了一种用于5G NR-U频段的通信电路板，包括：数字集成电路芯片、时钟芯片、射频收发机和如上述用于5G NR-U频段的通信电路；其中，所述射频收发机与所述用于5G NR-U频段的通信电路连接；所述数字集成电路芯片分别与所述时钟芯片和所述射频收发机连接；通过所述用于5G NR-U频段的通信电路控制用于5G NR-U频段的通信电路板实现工作频段为5.7GHz-5.9GHz。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
实施本发明能够通过由功放器、第一射频开关、第二射频开关、环形器、低噪放大器、耦合器等组成的闭环控制的集成度高、小型化的电路实现5G NR-U频段的通信，并且总价便宜，节省了PCB尺寸。此外，通过第一射频开关和第二射频开关的控制保证了高质量的输出信号，减少在印制板走线而导致的射频关键指标（如发射杂散、接收灵敏度低、EVM、ACPR）变差。而且，采用波导滤波器，可以将信号插损控制在1dB以下，对临近的WiFi频段有效抑制，减少了与WiFi信号之间干涉，同时也降低了价格和尺寸。
附图说明
图1为本发明实施例公开的一种用于5G NR-U频段的通信的电路示意图；
图2为本发明实施例公开的又一种用于5G NR-U频段的通信的电路示意图；
图3为本发明实施例公开的一种用于5G NR-U频段的通信的上行电路示意图；
图4为本发明实施例公开的一种用于5G NR-U频段的通信的下行电路示意图；
图5为本发明实施例公开的一种具体应用的用于5G NR-U频段的通信电路板示意图；
图6为本发明实施例公开的一种具体应用的用于5G NR-U频段的通信电路板的时间同步信号示意图。
具体实施方式
为了更好地理解和实施，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
本发明实施例公开了一种一种用于5G NR-U频段的通信电路、电路板，能够通过由功放器、第一射频开关、第二射频开关、环形器、低噪放大器、耦合器等组成的闭环控制的集成度高、小型化的电路实现5G NR-U频段的通信，并且总价便宜，节省了PCB尺寸。此外，通过第一射频开关和第二射频开关的控制保证了高质量的输出信号，减少在印制板走线而导致的射频关键指标（如发射杂散、接收灵敏度低、EVM、ACPR）变差。而且，采用波导滤波器，可以将信号插损控制在1dB以下，对临近的WiFi频段有效抑制，减少了与WiFi信号之间干涉，同时也降低了价格和尺寸。
请参阅图1，图1为本发明实施例公开的一种用于5G NR-U频段的通信电路示意图。其中，该一种用于5G NR-U频段的通信电路可以应用在5G通信***，对于该本发明实施例不做限制。如图1所示，该用于5G NR-U频段的通信电路：包括：射频巴伦1、下行射频通信模块2、上行射频通信模块3。
射频巴伦1也称为BALUN，用于对接收射频收发机输出的差分平衡端信号和单端信号之间的阻抗匹配进行转换生成阻抗匹配信号，在实际信号处理过程中，能够实现接收射频收发机Tranceiver的100欧姆或者50欧姆的差分平衡端信号（相位差180°）与射频50欧姆单端信号之间的阻抗匹配转换。之后，在下行链路的处理过程中，射频巴伦1就将阻抗匹配信号发送至下行射频通信模块2中。
下行射频通信模块2，用于基于集成的环形器、第一射频开关和第二射频开关对所述阻抗匹配信号进行功率检测输出增益的射频调制信号。上行射频通信模块3，用于基于集成的环形器和第二射频开关对接收的带外信号进行抑制及带内信号进行放大处理生成放大信号发送至射频巴伦1。
在其他实施方式中，如图2所示，用于5G NR-U频段的通信电路还包括波导滤波器4，用于对下行射频通信模块输出的增益的耦合信号进行发射杂散抑制或对上行射频通信模块接收的带外信号进行带外阻塞抑制。因为对于天线口的滤波器来说，一般都是用于发射杂散抑制、接收带外阻塞抑制，用于改善接收机带外阻塞指标。目前大部分的射频电路采用的是腔体滤波器和介质滤波器，腔体滤波器的插损相对介质会稍好一些，但一般都是定制，所以价格会很昂贵，并且尺寸大。对于介质滤波器来说，不光尺寸大，同时插损很大，会造成误码率高。由于在5G NR-U***中工作频段为5.7-5.9GHz，由此根据该需求指标，在本实施例中采用了波导滤波器，由此插损可以做到1dB以下甚至达到0.6dB，而且对临近WiFi频段可以以20dB进行有效抑制，从而减少与WiFi信号干涉，并且价格便宜，尺寸小。
具体地，作为一种优选实施方式，对于下行射频通信模块2具体可以实现为如图3所示的结构，该下行射频通信模块包括、信号放大模块，耦合器、环形器、第一射频开关和第二射频开关。其中，信号放大模块包括：推动级功率放大器、匹配器和末级功率放大器，其中，匹配器是指通过电阻、电容、电感或者等同属性，实现阻抗（电路阻碍电流通过能力的量）匹配，也就是实现矢量阻抗变成射频50欧姆阻抗。
耦合器用于实时获取经过信号放大模块处理后的信号进行耦合生成耦合信号可表示为DPD_FB。DPD_FB在实际应用实现为通过30dB的耦合器，实时获取末级PA输出的放大信号。该DPD_FB信号质量与末级PA一样，只是信号幅度衰减30dB，这样通过下述的第二射频开关连通接收DPD_FB信号的通道，该信号就能够反馈回射频收发机Tranceiver，由此就可以读取功率或者在FPGA进行数字预失真信号，满足下行指标的EVM（误差向量幅度）和ACLR（射频信号的邻道功率比）指标要求。对于本实施例的耦合器的线路连接实现方式进行详细阐述：耦合器的主要功能是根据直连信号的大小和质量在耦合端输出，但在本实施例的耦合器左右两端连接的功率放大器和环形器，在信号流向功率放大器——耦合器——环形器之间这条通路所利用的是耦合器的直连功能，在此未采用耦合功能。而信号流向为环形器——耦合器之间这条通路所利用的是耦合器的耦合功能，即产生耦合信号，该耦合信号的产生是通过器件内部射频走线电磁场耦合，不涉及物理上电器件连接。
环形器，用于接收读取天线信号状态的驻波检测信号可表示为VSWR_FB和耦合信号进行功率检测并输出增益的耦合信号。其中，VSWR_FB用于读取天线信号状态，当设备处理下行链路通信情况下，通过打开VSWR_FB信号和第二射频开关的连通，就可以检测天线匹配状态（开路、短路、带载）。因为，目前天线口的发射信号状态检测的输出一般是采用功率模拟电压量输出，即在下行射频通信模块的信号放大模块中的末级功率放大器（即图中所示末级PA）中就进行了输出。而针对本发明所面向的5.8G频段。WiFi和5G NR-U对ACPR（射频信号的邻道功率比）的定义不同，WiFi大部分是无需通过外部DPD（数字预失真）去对消的，这就会导致采用该种方法的ACPR和EVM（误差向量幅度）差，从而造成下行天线口传输数据误码率高，并且对临近频段设备造成干扰，这一点也正是WiFi通信的缺陷。由此，在本实施例中采用了功率检测输出耦合信号的方式，所以将下行射频通信模块集成为该种电路结构。在实际应用中，通过检测环形器所接收端的输出的信号的大小以及读取天线信号状态的驻波检测信号，基于所需的功率检测算法就可以判断出检测天线口状态，该天线口状态例如可以报考失配（短路、开路）、带负载匹配。若检测出失配情况下就会发送驻波检测信号的报警指令，进入天线失配逻辑流程处理，该逻辑流程根据经验进行智能化设置，例如可以关闭下行数据输出，检测接收链路信号质量，故障定位等，从而不会因为失配而导致烧坏功率放大器。对于本实施例的环形器的线路连接实现方式进行详细阐述：在实际的线路连接中，将环形器与耦合器连接的引脚定义为1脚，与波导滤波器连接的引脚定义为2脚，与第二射频开关连接的引脚定义为3脚。主要阐述环形器在本实施例的单向连通功能，对于1脚和2脚连通时，信号的流通只能从1脚流向2脚，而不能2脚流向1脚，也就对应着在下行链路中，耦合器对波导滤波器的信号流向只能单向，而不能信号回灌，从而防止了信号功率过大烧坏功率放大器。同样地，信号的流通只能从2脚流向3脚，也就对应着在下行链路中，信号流向为1脚—2脚—3脚，由此能够实现波导滤波器在带内直连，在带外抑制的功能，能够满足检测3脚后的信号就可以等同于检测天线的驻波状态信号。
进一步地，环形器分别与第一射频开关和所述第二射频开关连通。第一射频开关和第二射频开关均为单刀双掷开关。第一射频开关的第一端连接至接收射频收发机的反馈通道上的射频巴伦，第二端连接至耦合器，第三端连接至第二射频开关。第二射频开关的第一端连接至环形器，第二端连接至第一射频开关；通过第一射频开关和第二射频开关实现下行链路的闭环控制。
在其他优先实施方式中，推动级功率放大器与所述射频巴伦之间还设置有预推动级功率放大器（图中未示）。由此，在将本实施例的电路放到实际应用中时，下行的BBU（基带处理单元）或者前传卡输出-14dBfs信号，FPGA不进行任何功率补偿控制，射频收发机Tranceiver预留6dB 的衰减作为频率补偿和温度补偿，射频前端电路增益在32-33dB左右，通过计算，确定天线口最多也只能输出20.5dB，余量很小。所以在本电路与射频收发机Tranceiver的连接之间增加了预推动级PA，并且与推动级与末级采用射频集成芯片内部PA。从而能够保证输出功率余量，由此可以满足多种应用场景如覆盖范围。
在下行射频通信模块中，通过在下行链路的功率放大器PA打开（使能预推动级和集成射频芯片下行通道）期间，由于PA存在非线性失真，Tranceiver芯片检测耦合器输出的信号，下变频为中频信号，与中频输出比较差异，通过DPD（数字预失真）数字核对消，从而消除PA的非线性失真，再通过波导滤波器进行频带外抑制，从而保证输出信号质量高，同时检测反馈的功率信号强度，实现了功率的开闭环校准，将射频指标偏差通过闭环校准后能够达到统一质量指标。
具体地，作为一种优选实施方式，对于上行射频通信模块3具体可以实现为如图4所示的结构，该上行射频通信模块包括低噪放大器、低通滤波器、环形器和第二射频开关。
环形器，用于接收天线输入的带外信号并发送至第二射频开关。第二射频开关的第一端连接环形器，第二端连接至低噪放大器，用于将带外信号发送至低噪放大器进行信号放大处理生成放大信号。低通滤波器与低噪放大器连接，用于对放大信号进行低通滤波后输出至接收射频收发机的反馈。通道上的射频巴伦。
在优选实施方式中，低噪放大器为集成的两级低噪放大器，具体实现为噪声系数要求在0.5-1dB的放大器。低通滤波器用于对集成的两级低噪放大器处理生成的放大信号进行二三次谐波带外信号抑制滤波后输出至接收射频收发机的反馈通道上的射频巴伦。
在上行上行射频通信模块中，带外信号通过天线口进入波导滤波器，波导滤波器对带外信号进行抑制，用于改善接收机带外阻塞指标，再通过低噪放大器LNA进行放大后输入值低通滤波器进行抑制滤波后输出至接收射频收发机的反馈通道上的射频巴伦。该上行链路的内置LNA增益能够达到16dB，从而能保证微弱信号进入数字集成芯片FPGA中能被采样到，不会被淹没无法解调。
需要说明的是，整个电路所采用的是TDD（时分双工）模式，LNA放大使能、驻波信号、DPD信号、下行PA使能等都是通过1个IO管脚就可以控制集成射频芯片，如果是采用现有技术的分立器件则是需要多个IO管脚去使能控制，如果板级干扰大，存在各个控制管脚信号到达不同步，容易造成收发时序不一致，轻则数据无法通信，重则***射频链路短路、整机短路。在一定程度上来说，可靠性更高，环境适应性强。
请参阅图5，图5为本发明实施例公开的一种用于5G NR-U频段的通信电路板示意图。包括：数字集成电路芯片FPGA、时钟芯片PLL、射频收发机Tranceiver芯片和如上述实施例描述的用于5G NR-U频段的通信电路；其中，Tranceiver射频收发机与用于5G NR-U频段的通信电路连接。数字集成电路芯片FPGA分别与时钟芯片PLL和射频收发机Tranceiver连接；通过用于5G NR-U频段的通信电路控制用于5G NR-U频段的通信电路板实现工作频段为5.7GHz-5.9GHz。通过采用数字集成电路芯片中的现场可编程逻辑门阵列+Tranceiver芯片的集成结构，在FPGA可以根据应用场景进行软件编程，具备足够算力进行WiFi数字信号处理，射频部分采用零中频方案，Tranceiver芯片支持650MHz-6000MHz频率输出，也即***硬件电路无需作任何改动下，可以兼容WiFi电路。能使得整个电路板的整机工作频段为5GNR-U的5.7-5.9GHz，信号带宽NR-U 100MHz、256QAM调制，PAR（信号峰均比）8.5db，4T4R总输出功率不高于4W，射频前端集成度高，指标更优，大大降低整机成本及功耗，缩小PCB尺寸。
进一步地，如图6所示，为了使得整个电路板的输入输出时间同步。首先通过光口对BBU或者FH的通信数据进行编解码、压缩解压、数据汇聚分发。从下行BBU或者FH的光口数据流中恢复出156.25M的时钟信号，FPGA将恢复出来的156.25M时钟送至PLL时钟芯片作为参考时钟，时钟芯片检测到156.25M参考时钟后，以此作为参考进行锁定，输出与BBU、FH时钟同步的时钟信号，从而保证整机输入输出时间同步。
以上所描述的实施例仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施例的具体描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中,存储介质包括只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、随机存储器（Random Access Memory，RAM）、可编程只读存储器（Programmable Read-only Memory，PROM）、可擦除可编程只读存储器（ErasableProgrammable Read Only Memory，EPROM）、一次可编程只读存储器（One-timeProgrammable Read-Only Memory，OTPROM）、电子抹除式可复写只读存储器（Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）、只读光盘（CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM）或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。
最后应说明的是：本发明实施例公开的一种一种用于5G NR-U频段的通信电路、电路板所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各项实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各项实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于5G NR-U频段的通信电路，其特征在于，所述通信电路包括：射频巴伦、下行射频通信模块、上行射频通信模块；
射频巴伦，用于对接收射频收发机输出的差分平衡端信号和单端信号之间的阻抗匹配进行转换生成阻抗匹配信号；
下行射频通信模块，用于基于集成的环形器、第一射频开关和第二射频开关对所述阻抗匹配信号进行功率检测输出增益的射频调制信号；
上行射频通信模块，用于基于集成的环形器和第二射频开关对接收的带外信号进行抑制及带内信号进行放大处理生成放大信号发送至射频巴伦。
2.根据权利要求1所述的用于5G NR-U频段的通信电路，其特征在于，所述下行射频通信模块包括：
信号放大模块，耦合器、环形器、第一射频开关和第二射频开关；
耦合器，用于实时获取经过所述信号放大模块处理后的信号进行耦合生成耦合信号；
环形器，用于接收读取天线信号状态的驻波检测信号和耦合信号进行功率检测并输出增益的耦合信号；
其中，所述环形器分别与所述第一射频开关和所述第二射频开关连通。
3.根据权利要求2所述的用于5G NR-U频段的通信电路，其特征在于，
其中，所述第一射频开关和第二射频开关均为单刀双掷开关；
第一射频开关的第一端连接至接收射频收发机的反馈通道上的射频巴伦，第二端连接至耦合器，第三端连接至第二射频开关；
第二射频开关的第一端连接至环形器，第二端连接至第一射频开关；
通过第一射频开关和所述第二射频开关实现下行链路的闭环控制。
4.根据权利要求3所述的用于5G NR-U频段的通信电路，其特征在于，所述信号放大模块包括：推动级功率放大器、匹配器和末级功率放大器。
5.根据权利要求4所述的用于5G NR-U频段的通信电路，其特征在于，所述推动级功率放大器与所述射频巴伦之间还设置有预推动级功率放大器。
6.根据权利要求1所述的用于5G NR-U频段的通信电路，其特征在于，所述上行射频通信模块，包括：
低噪放大器、低通滤波器、环形器和第二射频开关；
环形器，用于接收天线输入的带外信号并发送至第二射频开关；
第二射频开关的第一端连接环形器，第二端连接至低噪放大器，用于将所述带外信号发送至低噪放大器进行抑制及将带内信号进行放大处理生成放大信号；
低通滤波器与所述低噪放大器连接，用于对所述放大信号进行低通滤波后输出至接收射频收发机的反馈通道上的射频巴伦。
7.根据权利要求6所述的用于5G NR-U频段的通信电路，其特征在于，
所述低噪放大器为集成的两级低噪放大器；
所述低通滤波器用于对所述集成的两级低噪放大器处理生成的放大信号进行二三次谐波带外信号抑制滤波后输出至接收射频收发机的反馈通道上的射频巴伦。
8.根据权利要求1-7任一项所述的用于5G NR-U频段的通信电路，其特征在于，还包括：
波导滤波器，用于对下行射频通信模块输出的增益的耦合信号进行发射杂散抑制或对上行射频通信模块接收的带外信号进行带外阻塞抑制。
9.根据权利要求8所述的用于5G NR-U频段的通信电路，其特征在于，用于5G NR-U频段的通信电路通过时分双工模式实现下行射频通信模块或上行射频通信模块的信号处理。
10.一种用于5G NR-U频段的通信电路板，其特征在于，包括：
数字集成电路芯片、时钟芯片、射频收发机和如权利要求1-9任一项所述用于5G NR-U频段的通信电路；
其中，所述射频收发机与所述用于5G NR-U频段的通信电路连接；
所述数字集成电路芯片分别与所述时钟芯片和所述射频收发机连接；
通过所述用于5G NR-U频段的通信电路控制用于5G NR-U频段的通信电路板实现工作频段为5.7GHz-5.9GHz。
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