CN112103665B - 一种射频馈电网络、相控阵天线及通讯设备 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种射频馈电网络、相控阵天线及通讯设备。射频馈电网络包括PCB层和芯片；PCB层包括第一层、第二层、第一类传输线以及第二类传输线，PCB层设置有至少两个过孔；芯片设置于第一层；第一类传输线设置于第一层，第一类传输线的一端用于连接外部同轴线，第一类传输线经过孔与第二类传输线的一端连接；第二类传输线设置于第二层，第二类传输线的另一端经过孔与芯片连接；芯片用于向天线单元进行馈电。因为第二类传输线设置于第二层，它的电场都是分布在上下两个导体之间，能量不会辐射出去。相对于各个器件之间的连接线均为第一类传输线，本方案中馈电网络具有损耗小、抗外界干扰能力强的优点。

Description

一种射频馈电网络、相控阵天线及通讯设备

技术领域

本申请涉及通讯领域，具体而言，涉及一种射频馈电网络、相控阵天线及通讯设备。

背景技术

随着科学的发展和社会的进步，通讯交互越来越普遍。通讯设备的种类和数量快速增加，人们越发注重通讯的质量。而天线在通讯设备中，对提升通讯质量起着至关重要的作用。相控阵天线是时下最为先进的天线种类之一。

现有的金属封装相控阵天线的馈电网络采用分腔结构，需要复杂的焊接、金丝键合、组装等工艺来实现，工艺难度大，实现成本高昂，重量大。

发明内容

本申请的目的在于提供一种射频馈电网络、相控阵天线及通讯设备，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种射频馈电网络，所述射频馈电网络包括：PCB层和芯片；所述PCB层包括第一层、第二层、第一类传输线以及第二类传输线，所述PCB层设置有至少两个过孔；所述芯片设置于所述第一层；

所述第一类传输线设置于所述第一层，所述第一类传输线的一端用于连接外部同轴线，所述第一类传输线经过孔与所述第二类传输线的一端连接；

所述第二类传输线设置于所述第二层，所述第二类传输线的另一端经过孔与所述芯片连接；

所述芯片用于向天线单元进行馈电。

进一步地，所述射频馈电网络还包括功分单元；

所述功分单元嵌设于所述第二层，所述功分单元的进线端与所述第二类传输线连接；所述功分单元的出线端通过所述第二类传输线连接于芯片；

所述功分单元用于将射频信号按芯片数量分为与芯片数量相同路数的子信号。

进一步地，所述功分单元包括位于第一级的功率分配器、位于中间级的功率分配器以及位于最末级的功率分配器；

所述第一级的功率分配器的进线端作为所述功分单元的进线端；所述最末级的功率分配器的出线端作为所述功分单元的出线端；

所述中间级的功率分配器的进线端连接于上一级的一个功率分配器的一个出线端；所述中间级的功率分配器的两个出线端分别连接于下一级的两个功率分配器的进线端。

进一步地，所述功率分配器为等分功率分配器或不等分功率分配器。

进一步地，所述功率分配器设置于所述第二层。

进一步地，所述第二类传输线的特性阻抗低于50欧姆。

进一步地，所述射频馈电网络还包括驱动放大器，所述驱动放大器设置于所述第一层；

所述驱动放大器经过孔连接于所述功率分配器的进线端或出线端。

进一步地，对应所述芯片的输出信号口，在所述PCB层上开设有数量相同的信号孔，在所述信号孔四周开设地孔，所述地孔与所述信号孔为类同轴结构；

所述芯片的输出信号口经所述地孔与所述天线单元连接。

第二方面，本申请实施例提供一种相控阵天线，所述相控阵天线包括上述的射频馈电网络。

第三方面，本申请实施例提供一种通讯设备，所述通讯设备包括上述的相控阵天线。

相对于现有技术，本申请实施例所提供的一种射频馈电网络、相控阵天线及通讯设备的有益效果为，射频馈电网络包括PCB层和芯片；PCB层包括第一层、第二层、第一类传输线以及第二类传输线，PCB层设置有至少两个过孔；芯片设置于第一层；第一类传输线设置于第一层，第一类传输线的一端用于连接外部同轴线，第一类传输线经过孔与第二类传输线的一端连接；第二类传输线设置于第二层，第二类传输线的另一端经过孔与芯片连接；芯片用于向天线单元进行馈电。因为第二类传输线设置于第二层，它的电场都是分布在上下两个导体之间，能量不会辐射出去。相对于各个器件之间的连接线均为第一类传输线，本方案中馈电网络具有损耗小、抗外界干扰能力强的优点。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的射频馈电网络的剖视图；

图2为本申请实施例提供的射频馈电网络的连接示意图；

图3为本申请实施例提供的功分单元的连接示意图；

图4为本申请实施例提供的功率分配器的示意图；

图5为本申请实施例提供的功率分配器的另一种示意图；

图6为本申请实施例提供的射频馈电网络的另一种连接示意图；

图7为本申请实施例提供的类同轴结构的示意图。

图中：10-PCB层；101-第一层；102-第二层；103-过孔；104-信号孔；105-地孔；106-接地层；20-芯片；301-第一类传输线；302-第二类传输线；40-功分单元；401-功率分配器；401a-第一级的功率分配器；401b-中间级的功率分配器；401c-最末级的功率分配器；4011-四分之一波长传输线；4012-隔离电阻；4013-第一阻抗传输线；4014-第二阻抗传输线；4015-匹配负载；4016-第一端口；4017-第二端口。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

随着科学的发展和社会的进步，通讯交互越来越普遍。通讯设备的种类和数量快速增加，人们越发注重通讯的质量。而天线在通讯设备中，对提升通讯质量起着至关重要的作用。相控阵天线是时下最为先进的天线种类之一。现有的金属封装相控阵天线的馈电网络采用分腔结构，需要复杂的焊接、金丝键合、组装等工艺来实现，工艺难度大，实现成本高昂，重量大。本申请实施例提供了一种基于PCB制作工艺，将馈电网络集成于PCB中，抛弃沉重的金属腔体及复杂的工艺，成本更低、重量更小的实施方式。

请参考图1，图1为本申请实施例提供的射频馈电网络的剖视图。

射频馈电网络包括：PCB层10和芯片20；PCB层10包括第一层101、第二层102、第一类传输线301以及第二类传输线302，PCB层10设置有至少两个过孔103。

芯片20设置于第一层101。可能地，芯片20设置于第一层101的表面，或者芯片20设置于第一层101的表层。

第一类传输线301设置于第一层101，第一类传输线301的一端用于连接外部同轴线，接收外部同轴线传输的射频信号，第一类传输线301经过孔103与第二类传输线302的一端连接；将接收到的射频信号传输给第二类传输线302。

第二类传输线302设置于第二层102，第二类传输线302的另一端经过孔103与芯片20连接；第二类传输线302将接收到的信号传输给芯片20。芯片20用于向天线单元进行馈电。

可能地，第二类传输线302的另一端经过孔103连接第一类传输线301，继而连接芯片20。

可能地，第二类传输线302的长度远远大于第一类传输线301的长度。第二类传输线302设置于第二层102，所以它的电场都是分布在上下两个导体之间，能量不会辐射出去。相对于各个器件之间的连接线均为第一类传输线301的情况，本申请方案提供的馈电网络具有损耗小、抗外界干扰能力强的优点。

综上所述，本申请实施例提供的射频馈电网络中，射频馈电网络包括PCB层和芯片；PCB层包括第一层、第二层、第一类传输线以及第二类传输线，PCB层设置有至少两个过孔；芯片设置于第一层；第一类传输线设置于第一层，第一类传输线的一端用于连接外部同轴线，第一类传输线经过孔与第二类传输线的一端连接；第二类传输线设置于第二层，第二类传输线的另一端经过孔与芯片连接；芯片用于向天线单元进行馈电。因为第二类传输线设置于第二层，它的电场都是分布在上下两个导体之间，能量不会辐射出去。相对于各个器件之间的连接线均为第一类传输线，本方案中馈电网络具有损耗小、抗外界干扰能力强的优点。

本申请实施例中，第一类传输线301又可称之为微带线共面波导，第二类传输线302又可称之为带状线共面波导。PCB层由多个导体层和介质组成。可能地，如图1所示，PCB层10还包括接地层106，接地层106设置于第二层102远离第一层101的一侧。可能地，第一层101也接地，并且在第一层101和第二层102之间未设置其他金属层。

进一步地，在图1的基础上，关于如何对射频信号进行功率分配或合成，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考图2，射频馈电网络还包括功分单元40。

具体地，功分单元40设置于第二层102，功分单元40的进线端与第二类传输线302连接；功分单元40的出线端通过第二类传输线302连接于芯片20。

功分单元40用于将射频信号按芯片20数量分为与芯片20数量相同路数的子信号。

功分单元40为将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件。功分单元40的输出端口（出线端）之间应保证一定的隔离度。通过将射频信号分为与芯片20数量相同个或相同路数的子信号，从而能够给每一个芯片20提供信号。

当然地，对于接收天线，功分单元40用于将多路射频信号合成为一路。

进一步地，关于功分单元的结构，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考图3，功分单元40包括位于第一级的功率分配器401a、位于中间级的功率分配器401b以及位于最末级的功率分配器401c。第一级的功率分配器401a的进线端作为功分单元40的进线端；最末级的功率分配器401c的出线端作为功分单元40的出线端。

中间级的功率分配器401b的进线端连接于上一级的一个功率分配器（401a或者401b）的一个出线端；中间级的功率分配器401b的两个出线端分别连接于下一级的两个功率分配器（401b或者401c）的进线端。

具体地，通过层层递进的方式，将射频信号分为多路子信号。

需要说明的是，图3中仅示出功分单元40中的两层中间级的功率分配器401b的连接关系，事实上，功分单元40还可以包括更多层的中间级的功率分配器401b，因为不便于展示，在图3中并未示出。

在一种可能的实现方式中，功分单元40包括位于第一级的功率分配器401a和位于最末级的功率分配器401c。第一级的功率分配器401a的进线端作为功分单元40的进线端；最末级的功率分配器401c的出线端作为功分单元40的出线端。最末级的功率分配器401c的进线端连接于第一级的功率分配器401a的一个出线端。

进一步地，功率分配器401分为位于第一级的功率分配器401a、位于中间级的功率分配器401b以及位于最末级的功率分配器401c。位于第一级、中间级或最末级的功率分配器401均可以为等分功率分配器或不等分功率分配器。

请参考图4，图4为本申请实施例提供的一种等分功率分配器的示意图。如图4所示，功率分配器401包括四分之一波长传输线4011和隔离电阻4012。

功率分配器401的进线端连接于第二类传输线302。隔离电阻4012设置于功率分配器401的出线端。同时，功率分配器401的出线端连接于下一段第二类传输线302。

当第二类传输线302的阻抗为Z₀时，四分之一波长传输线4011的阻抗为Z₀的根号2倍。

由于功率分配器401的馈线都是带状线结构的第二类传输线302，因此功率分配器401中使用的隔离电阻4012就不能再使用表贴型的器件。隔离电阻4012为内埋电阻，其在高频段中具有优良性能，尤其是在毫米波频段。

请参考图5，图5为本申请实施例提供的一种不等分功率分配器的示意图。如图5所示，功率分配器401包括第一阻抗传输线4013、第二阻抗传输线4014以及匹配负载4015。

在不同的天线阵元数量下，等分一分二功分器可能无法满足所有的使用需求，因此会使用到不等比功率分配器。为了避免两路功率差异过大会导致两分路线宽差异过大，导致物理结构或者工艺上无法实现，可以在功分的差比较大的情况下，使用90°电桥来实现。90°电桥需要在输入的隔离端连接一个与传输线（第二类传输线302）特性阻抗相同的匹配负载4015，匹配负载4015使用埋阻的方式来实现。

具体地，如图5所示，其中一根第一阻抗传输线4013和一根第二阻抗传输线4014的连接端作为功率分配器401的进线端，第一阻抗传输线4013与另一根第二阻抗传输线4014的连接端与匹配负载4015相连。另一根第一阻抗传输线4013和第二阻抗传输线4014的两个连接端作为功率分配器401的出线端。

可能地，根据不同的功率分配（合成）形式。第一阻抗传输线4013可以为高阻抗传输线，第二阻抗传输线4014可以为低阻抗传输线，第一阻抗传输线4013的阻抗值大于第二阻抗传输线4014的阻抗值，此时第一端口4016与第二端口4017对应的功分比为n:m，n＜m。当然地，也可以是，第一阻抗传输线4013为低阻抗传输线，第二阻抗传输线4014为高阻抗传输线，第一阻抗传输线4013的阻抗值小于第二阻抗传输线4014的阻抗值，此时第一端口4016与第二端口4017对应的功分比为m:n，n＜m。

进一步地，为了节省PCB的表面积，功率分配器401设置于第二层102。

进一步地，为了便于工艺上实现，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考下文。

在射频传输线中，特性阻抗为50欧姆的传输线是应用最广泛的一种，在PCB走线设计时一般都会将传输线的阻抗设计为50欧姆，可以省去特殊阻抗到50欧姆的阻抗匹配工作，还可以避免阻抗匹配带来的传输带宽变窄的问题。

当第二类传输线302的阻抗为50欧姆时，其线宽会比较窄，此时对应的四分之一波长传输线需要特性阻抗更高的线，四分之一波长传输线需要更窄，可能会超出PCB加工工艺的能力范围。在介质厚度与介质材料不变的前提下，本申请实施例中的第二类传输线302的特性阻抗低于50欧姆，以此来平衡与加工工艺能力相悖的问题。

可能地，在过孔103处进行第一类传输线301和第二类传输线302的阻抗匹配。

需要说明的是，本申请实施例中的过孔103均为垂直过孔。

进一步地，为了避免功分后信号的功率、电平或电流过小，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考图6，射频馈电网络还包括驱动放大器U1，驱动放大器U1设置于第一层101的表面。

驱动放大器U1经过孔103连接于功率分配器401的进线端或出线端。

可能地，在每一个功率分配器401的进线端都设有对应的驱动放大器U1，或者，在部分对应的功率分配器401的进线端都设有对应的驱动放大器U1。当然地，可以在每一个功率分配器401的出线端都设有对应的驱动放大器U1，或者，在部分对应的功率分配器401的出线端都设有对应的驱动放大器U1。驱动放大器U1的设置根据需求和实际情况具体设定。

需要说明的是，一个芯片20可以对应连接多个不同的天线单元，图中简化表述，仅画出一个芯片20连接一个天线单元，仅是为了参考，不对本申请实施例做出任何限制。

进一步地，为了避免信号泄露，产生谐振，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考图7。

如图7所示，对应芯片20的输出信号口，在PCB层10上开设有数量相同的信号孔104，在信号孔104四周开设地孔105，地孔105与信号孔104为类同轴结构；

芯片20的输出信号口经信号孔104与天线单元连接。

具体地，通过多层PCB的方案来实现相控阵天线，PCB层的层数在10层以上。因此导致芯片20到天线单元的垂直过孔距离过长，可能会带来信号的泄露，产生谐振，同时阻抗难以控制，会对阻抗匹配造成一定的影响。

通过在信号孔104的四周开设地孔105，以形成类同轴结构，从而防止信号外泄，同时调整信号孔104与地孔105的间距可以调节阻抗，有利于芯片20和天线单元的阻抗匹配。

本申请实施例中的地孔105和信号孔104均为金属孔。芯片20可以为多通道波束赋形芯片。

进一步地，射频馈电网络还包括连接器，第一类传输线301通过连接器与同轴线连接。

本申请实施例还提供了一种相控阵天线。该相控阵天线包括如上述的射频馈电网络。

本申请实施例还提供了通讯设备，该通讯设备包括如上述的相控阵天线。

需要说明的是，本实施例所提供的相控阵天线和通讯设备，均可以实现射频馈电网络对应的技术效果。为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。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，本申请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申请内。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。

Claims (9)

1.一种射频馈电网络，其特征在于，所述射频馈电网络包括：PCB层和芯片；所述PCB层包括第一层、第二层、第一类传输线以及第二类传输线，所述PCB层设置有至少两个过孔；所述芯片设置于所述第一层的表面；

所述第一类传输线设置于所述第一层，所述第一类传输线的一端用于连接外部同轴线，所述第一类传输线经过孔与所述第二类传输线的一端连接；

所述第二类传输线设置于所述第二层，所述第二类传输线的另一端经过孔与所述芯片连接；

所述芯片用于向天线单元进行馈电；

对应所述芯片的输出信号口，在所述PCB层上开设有数量相同的信号孔，在所述信号孔四周开设地孔，所述地孔与所述信号孔为类同轴结构；

所述芯片的输出信号口经所述信号孔与所述天线单元连接。

2.如权利要求1所述的射频馈电网络，其特征在于，所述射频馈电网络还包括功分单元；

所述功分单元嵌设于所述第二层，所述功分单元的进线端与所述第二类传输线连接；所述功分单元的出线端通过所述第二类传输线连接于芯片；

所述功分单元用于将射频信号按芯片数量分为与芯片数量相同路数的子信号。

3.如权利要求2所述的射频馈电网络，其特征在于，所述功分单元包括位于第一级的功率分配器、位于中间级的功率分配器以及位于最末级的功率分配器；

所述第一级的功率分配器的进线端作为所述功分单元的进线端；所述最末级的功率分配器的出线端作为所述功分单元的出线端；

所述中间级的功率分配器的进线端连接于上一级的一个功率分配器的一个出线端；所述中间级的功率分配器的两个出线端分别连接于下一级的两个功率分配器的进线端。

4.如权利要求3所述的射频馈电网络，其特征在于，所述功率分配器为等分功率分配器或不等分功率分配器。

5.如权利要求3所述的射频馈电网络，其特征在于，所述功率分配器设置于所述第二层。

6.如权利要求5所述的射频馈电网络，其特征在于，所述第二类传输线的特性阻抗低于50欧姆。

7.如权利要求3所述的射频馈电网络，其特征在于，所述射频馈电网络还包括驱动放大器，所述驱动放大器设置于所述第一层；

所述驱动放大器经过孔连接于所述功率分配器的进线端或出线端。

8.一种相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线包括如权利要求1-7任意一项所述的射频馈电网络。

9.一种通讯设备，其特征在于，所述通讯设备包括如权利要求8所述的相控阵天线。

Images