[发明专利]相控阵模块

说明书

本发明涉及一种相控阵模块，包括多个天线板。每个天线板具有相同的布局并包括多个天线元件，这些天线元件被定位成使得它们一起在天线板上形成矩阵图案，以及包含多个收发器设备的集成电路。每个收发器与天线板上的天线元件连接，由此，所述多个天线板中的三个相邻天线板的角天线元件形成等边三角形。由多个天线元件形成的矩阵图案被定形为正方形或矩形。

技术领域

本发明一般涉及用于高数据速率通信的毫米波相控阵模块的领域。

背景技术

在60GHz附近可用的频带提供高达9GHz的带宽以用于高速无线通信和可忽略的干扰。与当前的低射频(RF)无线服务相比，60GHz频带被认为非常有希望用于非常高的吞吐量，例如用于4G和5G蜂窝系统。在该频率范围内工作的无线收发器(即包含发射器和接收器两者的设备)通常利用相控阵(也称为波束形成器)来缓和无线链路预算。因此，在此类系统中需要波束形成电路。毫米波波束形成需要两个操作：在发射器中，将信号拆分到不同的天线路径上，然后对信号进行相移，而在接收器中，对不同天线路径中的信号进行相移，并且随后组合所述信号。波束形成器可以以各种方式实现。

用于波束形成的模块通常包括嵌入在模块中的多个集成电路，每个集成电路包含多个收发器。每个收发器连接到天线板的不同天线。在传统的相控阵模块中，只有被安排用作主节点的集成电路(IC)配备有单个基带块和单个混频器和频率合成块。用作无源从属芯片的IC仅包含相移和放大器功能。

在生产阶段，这种多芯片相控阵模块包含不同工艺角的芯片。这种差异会影响输出增益和相位性能，且因此需要校准。生产过程中的传统校准需要包含毫米波设备的昂贵设置，这增加了一次性校准成本。

此外，毫米波相控阵模块在其长期运行期间还需要在线、原位校准以补偿温度变化和老化效应。然而，具有单个主节点而没有辅助电路的传统相控阵模块无法支持这种功能。

如图1所示，相控阵模块包括多个芯片，其中一个芯片被安排用作主节点(101)，其余芯片(102)形成多个从属芯片。每个芯片包括多个收发器，每个收发器连接到天线板的天线元件，天线板包括该芯片并且包括天线开关。从属芯片各自通过输入/输出接口从作为主节点的芯片的天线输出信号接收它们的输入信号。假设主节点包含M个(例如16个)天线单元，并且每个从节点包含N个(例如16个)天线，则获得一个MxN(例如256个)的天线模块。相控阵模块的典型天线板俯视图如图2所示，其中考虑了每个从节点包括N＝16个贴片天线(表示为小方块)的场景，这些贴片天线以等间距的行和列的规则图案排列。在该布局内，两个相邻天线之间的最小距离是波长的一半(即λ/2)。图2中的虚线方块表示从节点之间的区段边界。为了达到改进的波束控制性能，必须校准每个收发器前端/天线路径的相位和增益信息。由于各种情况，例如生产容差、网络条件、干扰等，通过不同天线路径传输的信号可能会经历与预期的不同的相位和/或延时移位，从而导致性能下降。通过原位校准可以减少甚至消除这种影响。

为了能够校准相位阵列模块的每个节点，即校准该节点的所有天线路径，该节点包括一个用作参考天线的一个天线。然后，相对于参考天线执行每对天线的相移或增益的校准。对于任何从节点，这对天线可能属于同一芯片或两个相邻的从芯片。

为了在任何两个信号路径上执行校准，需要找到如此定位的参考天线：使得到校准中的两个路径的几何距离相同。例如，参考图2，在从节点204中，天线“1”和“3”的校准可以使用天线“6”(因此，使用同一芯片上的参考天线)或使用从节点205的天线“2”作为参考来执行。同样需要校准属于相控阵模块的不同芯片的各前端路径。例如，从属芯片205的天线“4”可以用作校准从属芯片204的天线“3”以及从属芯片206的天线“1”时的参考。在列中也能找到示例，例如，使用从属芯片206的天线“1”作为参考也可以校准由从属芯片204的天线“3”和从属芯片205的天线“4”组成的天线对。还有，对角天线元件也可以被链接，例如，在从属芯片205中的天线“3”可被用作参考以校准从属芯片206的天线“1”和芯片204的天线“8”。