(19)国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210295888.0
(22)申请日 2022.03.23
(71)申请人 同济大学
地址 200092 上海市杨浦区四平路1239号
(72)发明人 周瑞琪 童一笑 陈欢磊 景光铮
尹学锋
(74)专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限
公司 31225
专利代理师 蔡彭君
(51)Int.Cl.
H01Q 21/08(2006.01)
H01Q 1/52(2006.01)
H01Q 1/38(2006.01)
H01Q 1/48(2006.01)
H01Q 1/50(2006.01)
H01Q 23/00(2006.01)
(54)发明名称一种毫米波可切换MIMO天线单元及天线阵列(57)摘要本发明涉及一种毫米波可切换MIMO天线单元，包括从上到下依次排列的顶层、第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层和底层，同时还存在贯穿六层金属层的通孔和设置的四个盲孔；顶层包含11块射频切换芯片贴片，采用三层复用结构，第一金属层为地线层，第二金属层为控制信号层，第三金属层为电源层，第四金 属层为地线层。一种毫米波可切换MIMO天线阵列，包括按照1×32线阵排列的如前的天线单元，极化方式采用垂直极化，中心频率为38.5GHZ。与现有技术相比，本发明具有耦合性小、可靠性高、结构清晰紧凑、切换频率高、成本低、能贴合实际大
规模天线等优点。权利要求书2页 说明书4页 附图3页CN 114678701 A 2022.06.28
C N 114678701
A
1.一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，包括从上到下依次排列的顶层(101)、第一金属层(102)、第二金属层(103)、第三金属层(104)、第四金属层(105)和底层(106)，
所述顶层(101)采用三层复用结构，包含11块射频切换芯片，其中，1块切换芯片位于第一层，2块切换芯片位于第二层，8块切换芯片位于第三层，第二层的2个芯片的输入端连接至第一层芯片的2个输出端，其中第二层的1个切换芯片的4个输出端分别连接至第三层的4个切换芯片的输入端，另一个切换芯片的4个输出端分别连接至第三层的另外4个切换芯片的输入端，所述切换芯片被配置为每次只能导通一个端口；
所述第一金属层(102)为地线层；
所述第二金属层(103)为控制信号层，布置有RF传输线；
所述第三金属层(104)为电源层；
所述第四金属层(105)为地线层。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，
所述顶层(101)和底层(106)的外侧设有焊阻层；
所述顶层(101)和第一金属层(102)之间设有第一介质层(201)；
所述第一金属层(102)和第二金属层(103)之间设有第二介质层(202)；
所述第二金属层(103)和第三金属层(104)之间设有第三介质层(203)；
所述第三金属层(104)和第四金属层(105)之间设有第四介质层(204)；
所述第四金属层(105)和底层(106)之间设有第五介质层(205)；
所述顶层(101)上开有通孔，贯穿所有金属层、介质层和底层，同时所述顶层(101)和第一介质层(201)
通过第一盲孔连接，第一金属层(102)和第二介质层(202)通过第二盲孔连接，第二金属层(103)和第三介质层(203)通过第三盲孔连接，第三金属层(104)和第四介质层(204)通过第四盲孔连接。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，所述第三金属层(104)的电源走线上设有用于滤除高频噪声的旁路电容，同时设有用于应用额外旁路电容器的预留空间位置；所述第二金属层(103)的控制走线上设有电阻电容滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，所述RF传输线使用共面波导模型，走线宽度为14密耳，离地间隙为7密耳，具有50Ω的特征阻抗，RF输入和输出端口通过50Ω传输线连接到2.4毫米RF发射器。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，所述第二金属层(103)为高频信号层，放置电路中的高频电路。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，所述切换芯片具有相同结构、相同尺寸，并按树形结构排列。
7.根据权利要求1所述的一种毫米波可切换MIMO天线单元，其特征在于，所述第一金属层(102)和第四金属层(105)分别连接到不同的地线源。
8.一种毫米波可切换MIMO天线阵列，其特征在于，包括按照1×32线阵排列的如权利要求1所述的天线单元，极化方式采用垂直极化，中心频率为38.5GHZ。
9.根据权利要求8所述的一种毫米波可切换MIMO天线阵列，其特征在于，所述天线阵列的两个相邻天线单元之间的水平方向间距为0.5个波长。
10.根据权利要求8所述的一种毫米波可切换MIMO天线阵列，其特征在于，所述阵列天线呈长方形，左右中心对称结构，天线阵列长为165mm，宽为72mm。
一种毫米波可切换MIMO天线单元及天线阵列
技术领域
[0001]本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种适用于37.9GHz‑39.1GHz频段的毫米波可切换MIMO实体32阵元天线单元及天线阵列。
背景技术
[0002]随着个人移动通信的高速发展，无线电频谱的低端频率已趋饱和，而毫米波具有丰富的频谱资源和高载波频率，且工作波长短，能减小系统原件体积，应用场景十分广泛。但是，毫米波作为一种
高频率波，在传输中衰减比较明显，路径受阻和损耗也比较明显，因此需要采用合适的天线来提高毫米波的传输效益。在实际生活中，大家所用的终端一般搭载单天线或者MIMO天线，二者的增益不高，且单天线辐射方向图的波束宽度都比较宽。在很多长距离通信的需求中，需要有强定向性天线(比如天线等)来弥补空间衰减。天线阵列，也可称为相控阵列，是由两个或更多个天线组成的一组天线。这些天线通过将信号相互组合，可以提高整体总增益，实现分集接收，抵消干扰，调至特定朝向，测量输入信号的来源方向，以及最大程度地增大信号干扰噪声比(SINR)。
[0003]专利CN108598690A公开了一种毫米波Massive MIMO天线单元及阵列天线，该毫米波Massive MIMO阵列天线，按照8×16阵列排列的天线单元，阵元间的互耦小、结构紧凑，但是仍存在着结构复杂、无法应用在时变环境中以及无法贴合实际大规模天线的问题。
发明内容
[0004]本发明的目的就是为了提供一种耦合性小、可靠性高、结构清晰紧凑、切换频率高、成本低、能贴合实际大规模天线的毫米波可切换MIMO天线单元及天线阵列。[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种毫米波可切换MIMO天线单元，包括从上到下依次排列的顶层101、第一金属层102、第二金属层103、第三金属层104、第四金属层105和底层106，
[0007]所述顶层101采用三层复用结构，包含11块射频切换芯片，其中，1块切换芯片位于第一层，2块切换芯片位于第二层，8块切换芯片位于第三层，第二层的2个芯片的输入端连接至第一层芯片的2个输出端，其中第二层的1个切换芯片的4个输出端分别连接至第三层的4个切换芯片的输入端，另一个切换芯片的4个输出端分别连接至第三层的另外4个切换芯片的输入端，所述切换芯片被配置为每次只能导通一个端口；
[0008]所述第一金属层102为地线层；
[0009]所述第二金属层103为控制信号层，布置有RF传输线；
[0010]所述第三金属层104为电源层；
[0011]所述第四金属层105为地线层；
[0012]所述顶层101和底层106的外侧设有焊阻层
[0013]所述顶层101和第一金属层102之间设有第一介质层201；
[0014]所述第一金属层102和第二金属层103之间设有第二介质层202；
[0015]所述第二金属层103和第三金属层104之间设有第三介质层203；
[0016]所述第三金属层104和第四金属层105之间设有第四介质层204；
[0017]所述第四金属层105和底层106之间设有第五介质层205；
[0018]所述顶层101上开有通孔，贯穿所有金属信号层、介质层和底层，同时所述顶层101和第一介质层201通过第一盲孔连接，第一金属层102和第二介质层202通过第二盲孔连接，第二金属层103和第三介质层203通过第三盲孔连接，第三金属层104和第四介质层204通过第四盲孔连接。
[0019]所述第三金属层104的电源走线上设有用于滤除高频噪声的旁路电容，同时设有用于应用额外旁路电容器的预留空间位置；所述第二金属层103的控制走线上设有电阻电容滤波器。
[0020]所述RF传输线使用共面波导模型，走线宽度为14密耳，离地间隙为7密耳，具有50Ω的特征阻抗，RF输入和输出端口通过50Ω传输线连接到2.4毫米RF发射器。
[0021]所述第二金属层103为高频信号层，放置电路中的高频电路。
[0022]所述切换芯片具有相同结构、相同尺寸，并按树形结构排列。
[0023]所述第一金属层102和第四金属层105分别连接到不同的地线源。
[0024]一种毫米波可切换MIMO天线阵列，包括按照1×32线阵排列的如权利要求1所述的天线单元，极化方式采用垂直极化，中心频率为38.5GHZ。
[0025]所述天线阵列的两个相邻天线单元之间的水平方向间距为0.5个波长。
[0026]所述阵列天线呈长方形，左右中心对称结构，天线阵列长为165mm，宽为72mm。[0027]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0028](1)本发明的天线单元顶层采用相同芯片，具有相同结构、相同尺寸，并按一定规律排列在一起，具有强的方向性和很高的增益，并且解决了天线之间的耦合性以及旁瓣电平的一系列问题。
[0029](2)本发明的天线单元采用三层复用结构，保证了任意时刻只有一根天线可以导通且可以任意切换，切换频率高，能够实现时变测量。
[0030](3)本发明的天线单元将高速信号层置于内层，使其被地层和电源层有效的屏蔽起来，同时添加去耦合电容并使其频率响应符合需求，以降低电源层噪声，改善电路板电源质量，提高抗干扰能力。
[0031](4)本发明的天线单元利用多层PCB技术以及通孔和盲孔的设计，实现信号层的连接，节约空间，减小体积。
[0032](5)本发明采用1×32线阵，可以提高空间分辨率，减少极化效应，结构简单清晰。[0033](6)本发明的天线阵列可靠性高，成本低，能够贴合实际大规模，适用于大规模MIMO信道测量场景。
附图说明
[0034]图1为天线阵列的原理图。
[0035]图2为切换芯片引脚原理示意图。
[0036]图3为天线单元的剖视结构图。
[0037]图4为天线单元的顶层俯视图。
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