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DE212018000411U1 - Phase array unit for 5G - Google Patents

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DE212018000411U1
DE212018000411U1 DE212018000411.0U DE212018000411U DE212018000411U1 DE 212018000411 U1 DE212018000411 U1 DE 212018000411U1 DE 212018000411 U DE212018000411 U DE 212018000411U DE 212018000411 U1 DE212018000411 U1 DE 212018000411U1
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Abstract

Package-Architektur zur Verwendung in 5G-Systemen für Multikanalphasenarrayeinheiten und dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst;• ein LTCC-basiertes Untersystem (1), bestehend aus Chips (6), und ein organisch basiertes Untersystem (2), bestehend aus Antennenelementen,• BGA-Schnittstellen (3), die Verbindungen zwischen dem LTCC-basierten Untersystem (1) und dem organisch basierten Untersystem (2) ermöglichen, und Verbindungen der Untersysteme (1, 2) mit einem Mainboard (5),• Hohlräume (8), die an LTCC gebildet sind, an denen Doherty-Leistungsverstärker (105) und die Chips (6) mit den Funktionen eines digitalen Phasenverschiebers (101) und eines digitalen Dämpfers (102) platziert sind,• Keramikwände (7), die die Hohlräume (8) voneinander trennen und Isolierungen zwischen den Kanälen bereitstellen.Package architecture for use in 5G systems for multichannel phase array units and characterized in that it comprises: • an LTCC-based subsystem (1), consisting of chips (6), and an organically based subsystem (2), consisting of antenna elements, • BGA interfaces (3) that enable connections between the LTCC-based subsystem (1) and the organic-based subsystem (2), and connections of the subsystems (1, 2) with a mainboard (5), • cavities (8), formed on LTCC, on which Doherty power amplifiers (105) and the chips (6) with the functions of a digital phase shifter (101) and a digital attenuator (102) are placed, ceramic walls (7) covering the cavities (8 ) and provide insulation between the channels.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf die Systemstrukturen in einem mehrschichtigen, skalierbaren und kostengünstigen Package, das multifunktionale Leistungsverstärker und multifunktionale digitale Phasenverschieber/-dämpfer MMICs und Antennen umfasst, die in vorgefalteten HF-Modulen von 5G-Kommunikationssystemen verwendet werden können (Massive MIMO).The invention relates to the system structures in a multi-layer, scalable and inexpensive package, which comprises multifunctional power amplifiers and multifunctional digital phase shifters / attenuators MMICs and antennas that can be used in pre-folded RF modules of 5G communication systems (massive MIMO).

Stand der TechnikState of the art

Hochleistungskommunikationstechnologien kommen in den nächsten Jahren in „Smart Cities“ zum Einsatz, um die Lebensqualität in städtischen Gebieten zu verbessern. Die drastischen Verbesserungen an bestehenden Diensten mit niedrigen Kosten und Ressourcennutzung ermöglicht eine aktivere Verbindung unter Anwendern. Eine Reihe von Anwendungen wird für das Konzept der Smart Cities entwickelt, einschließlich des Managements von Verkehr, Wasser, Gesundheitssystem und Energieleistungen. 5G-Kommunikationssysteme zur Verwendung in diesen Anwendungen stellen kritische Backbone- und Infrastrukturfunktionen für den Datenaustausch bereit. Hohe Datenraten der 5G-Technologie schaffen in einigen Jahren neue Gelegenheiten und Anwendungen für die Smart Cities, die die Lebensqualität verbessern und neue Verfahren bereitstellen, um wertvolle Vermögenswerte in entwickelter Weise zu verwalten.High-performance communication technologies will be used in “smart cities” in the next few years to improve the quality of life in urban areas. The drastic improvements to existing services with low cost and resource utilization enables a more active connection among users. A number of applications are being developed for the concept of smart cities, including the management of transport, water, health systems and energy services. 5G communication systems for use in these applications provide critical backbone and infrastructure functions for data exchange. In a few years' time, high data rates of 5G technology create new opportunities and applications for the smart cities that improve the quality of life and provide new methods for managing valuable assets in a developed manner.

Es wird erwartet, dass 5G-Technologie MIMI-Technologie mit der Fähigkeit nutzen wird, mit Phasenarrayantennen (Massive MIMO) zu arbeiten, die aus einer hohen Anzahl Antennenelementen bestehen, um einen Strahl zu formen. Massive MIMO bietet als Kandidat für die 5G-Technologie aufgrund der Tatsache, dass es eine hohe Anzahl von Antennenelementen (mehr als 64) in Basistransceiverstationen nutzt, einen wesentlichen Zuwachs der drahtlosen Datenraten und der Zuverlässigkeit der Verbindung. Dank der Struktur, die die Energie mit Vorcodierungstechniken auf gezielte mobile Benutzer lenkt, verringert Massive MIMO die Leistung, die durch hunderte von Antennenelementen ausgestrahlt wird. Das Routing von Drahtlosenergie zu gezielten Benutzern ermöglicht die Verringerung der abgestrahlten Leistung und Störungen anderer Benutzer. Es ist eine sehr wichtige Funktion für die heutigen durch Störungen beschränkten zellulären Netzwerke. Falls und wenn die durch MIMO-Technologie angebotenen Merkmale zutreffen, wird die Geschwindigkeit von 5G-Netzwerken künftig stark erhöht und es werden Dienste für mehr Benutzer mit einer zuverlässigeren und energieeffizienteren Verbindung bereitgestellt.It is expected that 5G technology will leverage MIMI technology with the ability to work with phase array antennas (Massive MIMO), which consist of a large number of antenna elements to form a beam. As a candidate for 5G technology, Massive MIMO offers a significant increase in wireless data rates and the reliability of the connection due to the fact that it uses a large number of antenna elements (more than 64) in base transceiver stations. Thanks to the structure that directs the energy to targeted mobile users using precoding techniques, Massive MIMO reduces the power broadcast by hundreds of antenna elements. Routing wireless energy to targeted users allows reducing the radiated power and interference with other users. It is a very important function in today's interference-constrained cellular networks. If and when the features offered by MIMO technology apply, the speed of 5G networks will be greatly increased in the future and services will be provided to more users with a more reliable and energy-efficient connection.

Die Patentanmeldung Nummer US2013189935 (A1), die bei technischen Suchen gefunden wird, erwähnt eine integrierte Schaltungspackagekonfiguration, umfassend: ein Antennensystem, das sich erstreckende Antennenelemente aufweist; ein Substrat, das eine erste Seite, eine zweite Seite und ein Netzwerk interner Übertragungsleitungen aufweist, die von der ersten Seite zur zweiten Seite laufen, wobei das Antennensystem, das an der ersten Seite und der zweiten Seite befestigt ist, mindestens einen Hohlraum definiert; mindestens eine monolithische integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC), die in dem mindestens einen Hohlraum montiert ist, der durch die zweite Seite definiert ist, wobei sich die sich erstreckenden Antennenelemente über ein Netzwerk von Übertragungsleitungen auf das Substrat erstrecken und die MMIC zum Aufbauen einer Transceiverschaltung kontaktieren."The patent application number US2013189935 (A1) found on technical searches mentions an integrated circuit package configuration comprising: an antenna system having extending antenna elements; a substrate having a first side, a second side, and a network of internal transmission lines extending from the first side to the second side, the antenna system attached to the first side and the second side defining at least one cavity; at least one microwave monolithic integrated circuit (MMIC) mounted in the at least one cavity defined by the second side, the extending antenna elements extending over a network of transmission lines onto the substrate and contacting the MMIC to form a transceiver circuit. "

Wie in dem Dokument zu sehen ist, umfasst sie keine Phasenarrayeinheit in einem skalierbaren Package, bestehend aus einem digitalen Phasenverschieber, digitalen Dämpfer oder Doherty-Leistungsverstärker, der für 5G-Anwendungen spezifisch ist.As can be seen in the document, it does not include a phase array unit in a scalable package consisting of a digital phase shifter, digital attenuator or Doherty power amplifier, which is specific for 5G applications.

Schließlich erfordern die oben genannten Nachteile und das Fehlen bestehender Lösungen eine Innovation auf dem relevanten Feld.Finally, the disadvantages mentioned above and the lack of existing solutions require innovation in the relevant field.

Zweck der ErfindungPurpose of the invention

Diese Erfindung zielt darauf ab, eine Struktur zu offenbaren, die andere technische Vorgaben aufweist, die eine technische Innovation in dem Feld erzeugen, die von bestehenden in der Technik verwendeten Konfigurationen abweicht.This invention aims to disclose a structure having different engineering specifications that create a technical innovation in the field that deviates from existing configurations used in the art.

Der Hauptzweck der Erfindung ist das Offenbaren von Systemstrukturen in einem mehrschichtigen, skalierbaren und kostengünstigen Package, das multifunktionale Leistungsverstärker und multifunktionale digitalen Phasenverschieber/-dämpfer MMICs und Antennen umfasst, die in vorgefalteten HF-Modulen von 5G-Kommunikationssystemen verwendet werden können (Massive MIMO).The main purpose of the invention is to reveal system structures in a multi-layer, scalable and inexpensive package that includes multifunctional power amplifiers and multifunctional digital phase shifters / attenuators MMICs and antennas that can be used in pre-folded RF modules of 5G communication systems (Massive MIMO) .

Der Zweck der Erfindung ist die Entwicklung von Hochleistungs-HF-Einheiten, die für 5G-Anwendungen angepasst sind.The purpose of the invention is to develop high performance RF units adapted for 5G applications.

Ein anderer Zweck der Erfindung ist die Verwendung organisch basierter Materialien, die eine dielektrische Konstante und einen wirtschaftlichen Vorteil bezüglich steigernder Weiterleitungseffizienz in Antennenelementen unter Verwendung einer Keramikbasis in Chippackaging aufweisen.Another purpose of the invention is the use of organic-based materials that have a dielectric constant and an economic advantage in terms of increasing relay efficiency in antenna elements using a ceramic base in chip packaging.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Package-Architektur zur Verwendung in 5G-Systemen für Multikanalphasenarrayeinheiten und ist dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst;

  • • ein LTCC-basiertes Untersystem, bestehend aus Chips, und ein organisch basiertes Untersystem, bestehend aus Antennenelementen,
  • • BGA-Schnittstellen, die Verbindungen zwischen dem LTCC-basierten Untersystem und dem organisch basierten Untersystem ermöglichen, und Verbindungen der Untersysteme mit einem Mainboard,
  • • Hohlräume, die an LTCC gebildet sind, an denen Doherty-Leistungsverstärker und die Chips mit den Funktionen eines digitalen Phasenverschiebers und eines digitalen Dämpfers platziert sind,
  • • Keramikwände, die die Hohlräume voneinander trennen und Isolierungen zwischen den Kanälen bereitstellen.
The invention relates to a package architecture for use in 5G systems for Multi-channel phase array units and is characterized in that it comprises;
  • • an LTCC-based sub-system, consisting of chips, and an organic-based sub-system, consisting of antenna elements,
  • • BGA interfaces that enable connections between the LTCC-based subsystem and the organic-based subsystem, and connections of the subsystems with a mainboard,
  • • cavities formed on LTCC where Doherty power amplifiers and chips with functions of digital phase shifter and digital attenuator are placed,
  • • Ceramic walls that separate the cavities and provide insulation between the channels.

Die strukturellen und charakteristischen Merkmale der Erfindung können mit den folgenden Figuren und der ausführlichen Beschreibung, die sich auf die folgenden Figuren bezieht, genauer verstanden werden; daher ist die Bewertung erforderlich, indem diese Figuren und die detaillierte Beschreibung in Betracht gezogen werden.The structural and characteristic features of the invention can be more fully understood with the following figures and the detailed description relating to the following figures; therefore, evaluation is necessary taking these figures and detailed description into consideration.

FigurenlisteFigure list

  • 1, Einzelkanalsendertopologie für Phasenarrayeinheit - 1A 1 , Single channel transmitter topology for phase array unit - 1A
  • 2, Einzelkanalsendertopologie für Phasenarrayeinheit - 1B 2 , Single channel transmitter topology for phase array unit - 1B
  • 3, Einzelkanalsendertopologie für Phasenarrayeinheit - 1A, Chipclustering 3 , Single-channel transmitter topology for phase array unit - 1A, chip clustering
  • 4, Einzelkanalempfänger/Sendertopologie für Phasenarrayeinheit - 2A 4th , Single channel receiver / transmitter topology for phase array unit - 2A
  • 5, Einzelkanalempfänger/Sendertopologie für Phasenarrayeinheit - 2A, Chipclustering 5 , Single-channel receiver / transmitter topology for phase array unit - 2A, chip clustering
  • 6, 2x2 skalierbares Phasenarray, Seriell-Parallel-Seriell-Parallelsteuerung 6th , 2x2 scalable phase array, serial-parallel-serial-parallel control
  • 7, 2x2 skalierbares Phasenarray, Seriell-Seriell-Seriell-Parallelsteuerung 7th , 2x2 scalable phase array, serial-serial-serial-parallel control
  • 10 zeigt ein LTCC-basiertes Untersystem bestehend aus den Chips und ein organisch basiertes Untersystem bestehend aus Antennenelementen. 10 shows an LTCC-based subsystem consisting of the chips and an organic-based subsystem consisting of antenna elements.
  • 11 zeigt das Layout von Vierkanalphasenarrayeinheiten auf einer Keramikbasis. 11 shows the layout of four-channel phase array units on a ceramic base.
  • 12 ist die Ansicht des AA'-Abschnitts von 11. 12th FIG. 14 is the AA 'portion of FIG 11 .
  • 13 ist die Ansicht des AA'-Abschnitts von 11 mit dem Flip-Chip-Verfahren. 13th FIG. 14 is the AA 'portion of FIG 11 with the flip-chip process.

Es ist nicht notwendigerweise erforderlich, die Zeichnungen zu skalieren, und die Details, die nicht erforderlich sind, diese Erfindung zu verstehen, können ignoriert werden. Außerdem sind die Elemente, die im Wesentlichen identisch sind oder die im Wesentlichen identische Funktionen aufweisen, mit denselben Ziffern dargestellt.It is not necessary to scale the drawings, and the details which are not necessary to an understanding of this invention can be ignored. In addition, the elements that are substantially identical or that have substantially identical functions are represented by the same numerals.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1.1.
LTCC-basiertes UntersystemLTCC-based subsystem
2.2.
Organisch basiertes UntersystemOrganically based subsystem
3.3.
BGA-SchnittstellenBGA interfaces
5.5.
MainboardMainboard
6.6th
Chipchip
7.7th
KeramikwandCeramic wall
8.8th.
Hohlraumcavity
9.9.
Drahtwire
10.10.
Flip-ChipFlip chip
15.15th
AbgleichsnetzwerkMatching network
16.16.
Leitfähige RoutenConductive routes
25.25th
Elektrische SchnittstelleElectrical interface
200.200.
PatchelementePatch elements
101.101.
DigitalphasenverschieberDigital phase shifter
102.102.
Digitaler DämpferDigital damper
103.103.
Serieller ParallelkonverterSerial parallel converter
104.104.
TreiberleistungsverstärkerDriver power amplifier
105.105.
Doherty-LeistungsverstärkerDoherty power amplifiers
106.106.
ZirkulatorCirculator
107.107.
Anschlussconnection
108.108.
Verstärker mit geringem RauschenLow noise amplifier
109.109.
SPDT-SwitchSPDT switch
110.110.
DelimiterDelimiter
120.120.
Antenneantenna

Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Die bevorzugten Ausführungsformen der Konfiguration der hierin beschriebenen Erfindung sind als nicht einschränkende Beschreibungen der Erfindung offenbart und dienen nur dem besseren Verständnis des Inhalts.The preferred embodiments of the configuration of the invention described herein are disclosed as non-limiting descriptions of the invention and are only used for better understanding of the contents.

Einzelkanaleinheitenelemente-HF- TopologienSingle channel unit element RF topologies

Einzelkanaltopologien-1Single channel topologies-1

Eine Phasenarrayeinheit dieser Topologie umfasst einen digital steuerbaren N-Bit Digitalphasenverschieber (101), einen M-Bit Digitaldämpfer (102), einen (N+M)-Bit seriellen Parallelkonverter (103), der die serielle Steuerung des Digitalphasenverschiebers (101) und Digitaldämpfers (102) erlaubt, einen Doherty-Leistungsverstärker (105), der im Back-Off-Arbeitszustand eine hohe Effizienz bereitstellt, einen Treiberleistungsverstärker (104) und eine Antenne (120). 1 zeigt die Elementtopologie der Einzelkanalübertragungsphasenarrayeinheit (1A). Der Digitalphasenverschieber (101) und der Digitaldämpfer (102) ermöglichen mehr als ein Antennenelement (120) in der Massive-MIMO-Struktur zum Bilden einer Struktur durch Anpassen des Phasen- und Größenwerts des an die Antenne (120) übertragenen Signals. Der Seriell-Parallelkonverter (103) wird verwendet, um die Komplexität zu minimieren, die aus einer Erhöhung der Bitzahl entstehen kann. Die Positionen des Digitalphasenverschiebers (101) und Digitaldämpfers (102) können bezüglich der Linearität geändert werden, und weitere Treiberleistungsverstärker (104) können im HF-Streifen eingesetzt werden. Wenn die Rücklaufverluste der Antenne (120) sehr hoch sind, kann der Zirkulator (106) wie in 2 gezeigt verwendet werden. Jedes der MMIC-Elemente, die im HF-Streifen verwendet werden, können auf getrennten Chips (6) oder im Cluster designt sein. 3 zeigt ein Beispiel eines Chipclusters (6).A phase array unit of this topology comprises a digitally controllable N-bit Digital phase shifter ( 101 ), an M-Bit digital damper ( 102 ), an (N + M) -bit serial parallel converter ( 103 ) that controls the serial control of the digital phase shifter ( 101 ) and digital damper ( 102 ) allows a Doherty power amplifier ( 105 ), which provides high efficiency in the back-off working state, a driver power amplifier ( 104 ) and an antenna ( 120 ). 1 Fig. 13 shows the element topology of the single channel transmission phase array unit (1A). The digital phase shifter ( 101 ) and the digital damper ( 102 ) allow more than one antenna element ( 120 ) in the massive MIMO structure to form a structure by adjusting the phase and size value of the antenna ( 120 ) transmitted signal. The serial-parallel converter ( 103 ) is used to minimize the complexity that can result from increasing the number of bits. The positions of the digital phase shifter ( 101 ) and digital damper ( 102 ) can be changed regarding the linearity, and further driver power amplifiers ( 104 ) can be used in the HF strip. If the antenna return losses ( 120 ) are very high, the circulator ( 106 ) as in 2 shown. Each of the MMIC elements used in the RF strip can be on separate chips ( 6th ) or designed in a cluster. 3 shows an example of a chip cluster ( 6th ).

Einzelkanaltopologien-2Single channel topologies-2

Eine Phasenarrayeinheit dieser Topologie besteht aus einem digital steuerbaren N-Bit Digitalphasenverschieber (101), einem M-Bit Digitaldämpfer (102), einem (N+M+2)-Bit Seriell-Parallelkonverter (103), der die serielle Steuerung des Digitalphasenverschiebers (101) und des Digitaldämpfers (102) und der SPDT-Switches (109) erlaubt, einem Doherty-Leistungsverstärker (105), der eine hohe Effizienz im Back-Off-Arbeitszustand erlaubt, einen Treiberleistungsverstärker (104), 2 SPDT-Switches (109), einen Delimiter (110), einen Verstärker mit geringem Rauschen (108) und eine Antenne (120). 4 zeigt die Elementtopologie einer Einzelkanalsende-/Empfängerphasenarrayeinheit. Der Digitalphasenverschieber (101) und der Digitaldämpfer (102) ermöglichen das Bilden einer Struktur von mehr als einem Antennenelement (120) in einer Massive-MIMO-Struktur durch Anpassen des Phasen- und Größenwerts des Signals, das an die Antenne (120) übertragen und von der Antenne empfangen wird (120). SPDT-Switches (109) betreiben den Doherty-Leistungsverstärkerschalter (105) während der Übertragung durch Umschalten und den Schalter des Verstärkers mit geringem Rauschen (108) während des Empfangsprozesses. SPDT-Switches (109) können reflektierend oder absorbierend verwendet werden. Der Seriell-Parallelkonverter (103) wird verwendet, um die Komplexität zu minimieren, die aus einer Erhöhung der Bitzahl entstehen kann. Die Positionen des Digitalphasenverschiebers (101) und Digitaldämpfers (102) können bezüglich der Linearität geändert werden, und weitere Treiberleistungsverstärker (104) können im HF-Streifen eingesetzt werden. Weiterhin kann der Zirkulator (106) vor der Antenne (120) für Rücklaufverluste der Antenne (120) verwendet werden. Jedes der MMIC-Elemente, die im HF-Streifen verwendet werden, können auf getrennten Chips (6) oder im Cluster designt sein. 5 zeigt ein Beispiel eines Chipclusters (6).A phase array unit of this topology consists of a digitally controllable N-bit digital phase shifter ( 101 ), an M-Bit digital damper ( 102 ), an (N + M + 2) -bit serial-parallel converter ( 103 ) that controls the serial control of the digital phase shifter ( 101 ) and the digital damper ( 102 ) and the SPDT switches ( 109 ) allows a Doherty power amplifier ( 105 ), which allows high efficiency in the back-off working state, a driver power amplifier ( 104 ), 2 SPDT switches ( 109 ), a delimiter ( 110 ), a low-noise amplifier ( 108 ) and an antenna ( 120 ). 4th Figure 10 shows the element topology of a single channel transceiver phase array unit. The digital phase shifter ( 101 ) and the digital damper ( 102 ) allow the formation of a structure of more than one antenna element ( 120 ) in a massive MIMO structure by adjusting the phase and magnitude value of the signal that is sent to the antenna ( 120 ) is transmitted and received by the antenna ( 120 ). SPDT switches ( 109 ) operate the Doherty power amplifier switch ( 105 ) during transmission by switching and switching the amplifier with low noise ( 108 ) during the reception process. SPDT switches ( 109 ) can be used reflective or absorbent. The serial-parallel converter ( 103 ) is used to minimize the complexity that can result from increasing the number of bits. The positions of the digital phase shifter ( 101 ) and digital damper ( 102 ) can be changed regarding the linearity, and further driver power amplifiers ( 104 ) can be used in the HF strip. Furthermore, the circulator ( 106 ) in front of the antenna ( 120 ) for antenna return losses ( 120 ) be used. Each of the MMIC elements used in the RF strip can be on separate chips ( 6th ) or designed in a cluster. 5 shows an example of a chip cluster ( 6th ).

4-Kanalphasenarrays4-channel phase arrays

4 Einzelkanaltopologien, die unter dem Titel „Einzelkanaleinheitenelemente-HF-Topologien“ betrachtet sind, können kombiniert werden, um ein 2x2 skalierbares Phasenarray zu bilden. 4th Single channel topologies, which are considered under the title “Single Channel Unit Elements-RF Topologies”, can be combined to form a 2x2 scalable phase array.

4-Kanaltopologie - 14-channel topology - 1

2X2 skalierbares Phasenarray, das durch Verwendung von Phasenarrayeinheitenelement-Einzelkanalsendetopologie-1A (Einheitenzelle 1 bis 4) gebildet wurde, ist in 6 dargestellt. Ein Seriell-Parallelkonverter (103) jeder Zelle ist in dieser Struktur als Seriell-Parallel-Seriell-Parallel-Steuerung direkt mit digitalen Kontrollen verbunden, die an ein Package übertragen werden. Das Signal, das durch den HF-Eingang übertragen wird, wird durch HF-Teiler mit Equiphase und identischer Amplitude auf 4 Einheitenzellen verteilt.2X2 scalable phased array generated by using phased array unit element single channel transmit topology-1A (unit cell 1 to 4th ) is formed in 6th shown. A serial to parallel converter ( 103 ) In this structure, each cell is directly connected to digital controls as a serial-parallel-serial-parallel control, which are transferred to a package. The signal that is transmitted through the RF input is based on RF dividers with equiphase and identical amplitude 4th Unit cells distributed.

4-Kanaltopologie - 24-channel topology - 2

2X2 skalierbares Phasenarray, das durch Verwendung von Phasenarrayeinheitenelement-Einzelkanalsendetopologie-1A (Einheitenzelle 1 bis 4) gebildet wurde, ist in 7 dargestellt. Ein Seriell-Parallelkonverter (103) jeder Zelle ist in dieser Struktur als Seriell-Seriell-Seriell-Parallel-Steuerung direkt mit digitalen Kontrollen verbunden, die an ein Package übertragen werden. Das Signal, das durch den HF-Eingang übertragen wird, wird durch HF-Teiler mit Equiphase und identischer Amplitude auf 4 Einheitenzellen verteilt.2X2 scalable phased array generated by using phased array unit element single channel transmit topology-1A (unit cell 1 to 4th ) is formed in 7th shown. A serial to parallel converter ( 103 ) In this structure, each cell is directly connected to digital controls as a serial-serial-serial-parallel control, which are transferred to a package. The signal that is transmitted through the RF input is based on RF dividers with equiphase and identical amplitude 4th Unit cells distributed.

Packaging-LayoutPackaging layout

LTCC-Technologie (Low Temperature Cofired Ceramic) stellt eine Packaging-Plattform auf Systemebene in Mikrowellen- und Millimeterwellenfrequenzen bereit. Eine beispielhafte LTCC-Schaltung wird erhalten, indem mehr als eine Keramikschicht unter Druck kombiniert und dann bei hoher Temperatur gebrannt wird. Elektrische Verbindungen sind zwischen den Keramikschichten verfügbar. Milimeterwellenpackagedesigns basierend auf dieser Technologie liefern zuverlässige Leistung auf hoher Ebene mittels der Verwendung von durch Gold, Silber oder Kupfer geleiteten Dickfilmmetallen, die auf einer Keramikbasis mit geringem dielektrischem Verlust basieren. Außerdem ermöglicht das Einhalten des Wärmeausdehnungskoeffizienten im Keramikbasismaterial mit Halbleitermaterial die Positionierung des Chips auf LTCC.LTCC technology (Low Temperature Cofired Ceramic) provides a packaging platform at the system level in microwave and millimeter wave frequencies. An exemplary LTCC circuit is obtained by combining more than one ceramic layer under pressure and then firing at a high temperature. Electrical connections are available between the ceramic layers. Millimeter wave package designs based on this technology deliver reliable, high level performance through the use of thick film metals conducted through gold, silver, or copper a ceramic base with low dielectric loss. In addition, maintaining the thermal expansion coefficient in the ceramic base material with semiconductor material enables the chip to be positioned on LTCC.

Diese Erfindung schlägt eine neue Packagearchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten zur Verwendung in 5G-Systemen vor. Die Umsetzung aller Elemente über LTCC in Packagestrukturen des Systems führt zu Nachteilen bezüglich Leistung und Kosten. Organisch basierte Materialien, die eine geringe dielektrische Konstante und einen wirtschaftlichen Vorteil bezüglich der Erhöhung der Weiterleitungseffizienz in Antennenelementen aufweisen, können verwendet werden, während das Chippackage aufgrund der oben genannten Ursachen eine Keramikbasis verlangt.This invention proposes a new package architecture for multichannel phase array units for use in 5G systems. The implementation of all elements via LTCC in the system's package structures leads to disadvantages in terms of performance and costs. Organic-based materials, which have a low dielectric constant and an economic advantage in terms of increasing the transmission efficiency in antenna elements, can be used, while the chip package requires a ceramic base due to the causes mentioned above.

Das in dieser Erfindung offenbarte System umfasst ein LTCC-basiertes Untersystem (1) bestehend aus den Chips und ein organisch basiertes Untersystem (2) bestehend aus Antennenelementen laut 10. Die Verbindungen zwischen den Untersystemen (1, 2) sind durch BGA-Schnittstellen (3) hergestellt. Die Untersysteme (1, 2), die als solche integriert sind, sind über BGA-Schnittstellen (3) mit dem Mainboard (5) verbunden.The system disclosed in this invention comprises an LTCC-based subsystem ( 1 ) consisting of the chips and an organically based subsystem ( 2 ) consisting of antenna elements loud 10 . The connections between the subsystems ( 1 , 2 ) are through BGA interfaces ( 3 ) manufactured. The subsystems ( 1 , 2 ), which are integrated as such, are available via BGA interfaces ( 3 ) with the mainboard ( 5 ) connected.

11 zeigt das Layout von Vierkanalphasenarrayeinheiten auf einer Keramikbasis. Doherty-Leistungsverstärker (105) und die Chips (6), die die Funktionen des Digitalphasenverschiebers (101) und Digitaldämpfers (102) an jedem Array aufweisen, sind in den Hohlräumen (8) platziert, die an LTCC gebildet sind. Diese Hohlräume (8) sind voneinander mittels der Keramikwände (7) getrennt, die als Isolatoren zwischen den Kanälen dienen. 11 shows the layout of four-channel phase array units on a ceramic base. Doherty power amplifier ( 105 ) and the chips ( 6th ) which the functions of the digital phase shifter ( 101 ) and digital damper ( 102 ) on each array are in the cavities ( 8th ) that are formed at LTCC. These cavities ( 8th ) are separated from each other by means of the ceramic walls ( 7th ) that act as isolators between the channels.

12 zeigt AA'-Abschnitte aus der Ansicht aus 11. Lot oder leitfähiges Epoxid wird zur Installation von Chips (6) verwendet. Die positionierten Chips können mit Draht (9) verbunden sein, wie in 12 gezeigt ist, oder können mit dem Flip-Chip-Verfahren (10) aus 13 umgesetzt sein. Da die Verbindungslänge des Drahts (9) in der Millimeterwellenfrequenz besonders kritisch ist, wurde sie nahe am Basisbereich des Chips verbunden, um eine kurze Länge sicherzustellen. Bei Bedarf kann ein Abgleichsnetzwerk (15) in diesen Bereichen zum Einsatz kommen. Die Flip-Chip-Installation (10) kann die Produktionseffizienz erhöhen, aber die Wärmeableitung ist eingeschränkt. Die Keramikbasis umfasst leitfähige Routen (16) zur Wärmeableitung von Doherty-Leistungsverstärkern (105). Der Hohlraum (8) kann mit einer Abdeckung geschlossen sein, um Chips (6) zu schützen, oder die Chips (6) können mit Formmasse abgedeckt sein. Mehrschichtige LTCC-Technologie ermöglicht das Integrieren passiver Elemente, wie etwa Widerstand und Kondensator. Dadurch können die Strukturen, die die Funktion des Leistungsteilers/-kombinators bereitstellen, zwischen Keramikschichten positioniert sein. 12th shows AA 'sections out of view 11 . Solder or conductive epoxy is used to install chips ( 6th ) is used. The positioned chips can be wired ( 9 ) connected as in 12th shown, or can be flip-chip ( 10 ) out 13th be implemented. Since the connection length of the wire ( 9 ) is particularly critical in the millimeter wave frequency, it has been bonded close to the base region of the chip to ensure a short length. If necessary, a synchronization network ( 15th ) are used in these areas. The flip-chip installation ( 10 ) can increase production efficiency, but heat dissipation is limited. The ceramic base includes conductive routes ( 16 ) for heat dissipation from Doherty power amplifiers ( 105 ). The cavity ( 8th ) can be closed with a cover to store chips ( 6th ) or the chips ( 6th ) can be covered with molding compound. Multi-layer LTCC technology enables the integration of passive elements such as a resistor and capacitor. As a result, the structures that provide the function of the power divider / combiner can be positioned between ceramic layers.

Der Mikrostreifenpatch, der in der 5G-Phasenarchitektur platziert ist, wie in 10 illustriert, sollte aus den Basismaterialien mit geringer dielektrischer Konstante, niedriger Verlusttangente und hoher Produktionsempfindlichkeit gewählt sein, um die Antenne (120) in die Lage zu versetzen, eine hohe Strahlungseffizienz aufzuweisen. Aus diesem Grund wurde die Antenne (120) mit organisch basiertem Material entworfen. Die obere Fläche des Antennenuntersystems (2) besteht aus Patchelementen (200), die Strahlung bereitstellen, während die untere Fläche die elektrische Schnittstelle (25) umfasst, die die Übertragung mit dem LTCC-basierten Untersystem (1) ermöglicht.The microstrip patch placed in the 5G phased architecture, as in 10 should be selected from the base materials with low dielectric constant, low loss tangent and high production sensitivity in order to make the antenna ( 120 ) to enable it to have a high radiation efficiency. For this reason the antenna ( 120 ) designed with organically based material. The top surface of the antenna subsystem ( 2 ) consists of patch elements ( 200 ), which provide radiation, while the lower surface provides the electrical interface ( 25th ) which includes the transmission with the LTCC-based subsystem ( 1 ) allows.

Die gebildete 5G-Phasenarrayeinheit eignet sich zum Bilden größerer Arrays durch Multiplexing.The formed 5G phase array unit is suitable for forming larger arrays by multiplexing.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2013189935 [0004]US 2013189935 [0004]

Claims (12)

Package-Architektur zur Verwendung in 5G-Systemen für Multikanalphasenarrayeinheiten und dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst; • ein LTCC-basiertes Untersystem (1), bestehend aus Chips (6), und ein organisch basiertes Untersystem (2), bestehend aus Antennenelementen, • BGA-Schnittstellen (3), die Verbindungen zwischen dem LTCC-basierten Untersystem (1) und dem organisch basierten Untersystem (2) ermöglichen, und Verbindungen der Untersysteme (1, 2) mit einem Mainboard (5), • Hohlräume (8), die an LTCC gebildet sind, an denen Doherty-Leistungsverstärker (105) und die Chips (6) mit den Funktionen eines digitalen Phasenverschiebers (101) und eines digitalen Dämpfers (102) platziert sind, • Keramikwände (7), die die Hohlräume (8) voneinander trennen und Isolierungen zwischen den Kanälen bereitstellen.Package architecture for use in 5G systems for multichannel phased array units and characterized in that it comprises; • an LTCC-based subsystem (1), consisting of chips (6), and an organic-based subsystem (2), consisting of antenna elements, • BGA interfaces (3), the connections between the LTCC-based subsystem (1) and the organic-based subsystem (2), and connections of the subsystems (1, 2) with a mainboard (5), • cavities (8), which are formed on LTCC, on which Doherty power amplifiers (105) and the chips (6 ) with the functions of a digital phase shifter (101) and a digital attenuator (102) are placed, • ceramic walls (7) which separate the cavities (8) from one another and provide insulation between the channels. Packagingarchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Draht (9) umfasst, der die Verbindung der Chips (6) bereitstellt.Packaging architecture for multi-channel phase array units according to Claim 1 , characterized in that it comprises wire (9) providing the connection of the chips (6). Packagingarchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Chips (6) umfasst, die mittels des Flip-Chip-Verfahrens (10) verbunden sind.Packaging architecture for multi-channel phase array units according to Claim 1 , characterized in that it comprises the chips (6) connected by means of the flip-chip method (10). Packagingarchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Doherty-Leistungsverstärker (105) umfasst, bestehen aus leitfähigen Routen (16), die in der Keramikbasis zur Wärmeableitung platziert sind.Packaging architecture for multi-channel phase array units according to Claim 1 characterized in that it comprises the Doherty power amplifiers (105) consist of conductive routes (16) placed in the ceramic base for heat dissipation. Packagingarchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie den Hohlraum (8) umfasst, der mit einer Abdeckung abgedeckt ist, um die Chips (6) zu schützen, oder die Chips (6), die mit Formmasse abgedeckt sind.Packaging architecture for multi-channel phase array units according to Claim 1 characterized in that it includes the cavity (8) covered with a cover to protect the chips (6) or the chips (6) covered with molding compound. Packagingarchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie organisch basierte Materialien mit niedriger dielektrischer Konstante, Tangente mit niedrigem Verlust und hoher Produktionsempfindlichkeit umfasst, um eine hohe Strahlungseffizienz der Antenne (120) sicherzustellen.Packaging architecture for multi-channel phase array units according to Claim 1 , characterized in that it comprises organic based materials with low dielectric constant, low loss tangent and high production sensitivity to ensure high radiation efficiency of the antenna (120). Packagingarchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Patchelemente (200) umfasst, die Strahlung an der oberen Fläche des Antennenuntersystems (2) und eine elektrische Schnittstelle (25) umfassen, die eine Übertragung mit dem LTCC-basierten Untersystem (1) bereitstellt, das an der unteren Fläche positioniert ist.Packaging architecture for multi-channel phase array units according to Claim 1 , characterized in that it comprises patch elements (200) which comprise radiation on the upper surface of the antenna subsystem (2) and an electrical interface (25) which provides transmission with the LTCC-based subsystem (1) which is present on the lower Is positioned. Packagingarchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie die folgenden Elemente umfasst, um Einzelkanalübertragungs-Phasenarrayeinheitenelementtopologie bereitzustellen; • einen N-Bit-Digitalphasenverschieber (101) und M-Bit-Digitalphasenverschieber (102), die im Phasenarrayeinheitenelement digital gesteuert werden können, • einen (N+M)-Bit-Seriell-Parallelkonverter (103), der die Steuerung des Digitalphasenverschiebers (101) und des Digitaldämpfers (102) in Reihe bereitstellt und die Verbindungskomplexität verringert, die durch die Erhöhung der Bitanzahl ausgelöst werden kann, • einen Doherty-Leistungsverstärker (105), der eine hohe Effizienz im Back-Off-Arbeitszustand bereitstellen kann, • einen Treiberleistungsverstärker (104) und die Antenne (120).Packaging architecture for multi-channel phase array units according to Claim 1 characterized in that it comprises the following elements to provide single channel transmission phased array unit element topology; • an N-bit digital phase shifter (101) and M-bit digital phase shifter (102), which can be digitally controlled in the phase array unit element, • an (N + M) -bit serial-parallel converter (103) which controls the digital phase shifter (101) and the digital attenuator (102) in series and reduces the connection complexity that can be triggered by increasing the number of bits, • A Doherty power amplifier (105), which can provide high efficiency in the back-off operating state, • a driver power amplifier (104) and the antenna (120). Packagingarchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie die folgenden Elemente umfasst, um Einzelkanalübertragungs-Phasenarrayeinheitenelementtopologie bereitzustellen; • einen N-Bit-Digitalphasenverschieber (101) und M-Bit Digitaldämpfer (102), • einen (N+M+2)-Bit Seriell-Parallelkonverter (103), der den Digitalphasenverschieber (101) und den Digitaldämpfer (102) und die SPDT-Switches (109) in Reihe steuert, • einen Doherty-Leistungsverstärker (105), der eine hohe Effizienz im Back-Off-Arbeitszustand bereitstellen kann, • einen Treiberleistungsverstärker (104), • einen Verstärker mit geringem Rauschen (108), • 2 SPDT-Switches (109), die den Betrieb des Doherty-Leistungsverstärkerschalters (105) während der Übertragung durch Umschalten und des Schalters des Verstärkers mit geringem Rauschen (108) während des Empfangsprozesses ermöglichen, • einen Delimiter (110) und die Antenne (120).Packaging architecture for multi-channel phase array units according to Claim 1 characterized in that it comprises the following elements to provide single channel transmission phased array unit element topology; • an N-bit digital phase shifter (101) and M-bit digital attenuator (102), • an (N + M + 2) -bit serial-parallel converter (103), the digital phase shifter (101) and the digital attenuator (102) and controls the SPDT switches (109) in series, • a Doherty power amplifier (105) that can provide high efficiency in the back-off operating state, • a driver power amplifier (104), • an amplifier with low noise (108), • 2 SPDT switches (109) that enable the Doherty power amplifier switch (105) to operate during transmission by switching and the switch of the low noise amplifier (108) during the reception process, • a delimiter (110) and the antenna ( 120). Packagingarchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten nach Anspruch 1, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Zirkulator (106) umfassen, der verwendet werden kann, wenn Rücklaufverluste der Antenne (120) sehr hoch sind.Packaging architecture for multi-channel phase array units according to Claim 1 , 8th or 9 , characterized in that they comprise a circulator (106) which can be used when return losses of the antenna (120) are very high. Packagingarchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine 2x2 skalierbare Phasenarrayeinheit umfassen, die; • mittels Phasenarrayeinheit-Einzelkanalsendetopologie gebildet werden kann, • in Form einer Seriell-Parallel-Seriell-Parallelstruktur gebildet ist, • den Seriell-Parallelkonverter (103) aufweist, der jeweils direkt mit den digitalen Kontrollen verbunden ist, die an das Package übertragen werden, • durch HF-Teiler, die sich an dem Signalpackage befinden, das vom HF-Eingang übertragen wird, auf 4 Einheitenzellenzellen mit Equiphase und identischer Amplitude verteilt wird.Packaging architecture for multi-channel phase array units according to Claim 1 characterized in that it comprises a 2x2 scalable phase array unit which; • can be formed by means of a phase array unit single-channel transmission topology, • is formed in the form of a serial-parallel-serial-parallel structure, • has the serial-parallel converter (103) which is each directly connected to the digital controls that are transmitted to the package, • through RF splitters, which are located on the signal package transmitted from the RF input on 4 Unit cell cells with equiphase and identical amplitude is distributed. Packagingarchitektur für Multikanalphasenarrayeinheiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine 2x2 skalierbare Phasenarrayeinheit umfassen, die; • mittels Phasenarrayeinheit-Einzelkanalsendetopologie gebildet werden kann, • in Form einer Seriell-Seriell-Seriell-Parallelstruktur gebildet ist, • den Seriell-Parallelkonverter (103) aufweist, der jeweils nicht direkt mit den digitalen Kontrollen verbunden ist, die an das Package übertragen werden, • durch HF-Teiler, die sich an dem Signalpackage befinden, das vom HF-Eingang übertragen wird, auf 4 Einheitenzellenzellen mit Equiphase und identischer Amplitude verteilt wird.Packaging architecture for multi-channel phase array units according to Claim 1 characterized in that it comprises a 2x2 scalable phase array unit which; • Can be formed by means of phase array unit single-channel transmission topology, • Is formed in the form of a serial-serial-serial-parallel structure, • Has the serial-parallel converter (103), which is not directly connected to the digital controls that are transmitted to the package , • is distributed to 4 unit cells with equiphase and identical amplitude by HF splitters, which are located on the signal package transmitted by the HF input.
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