用于毫米波5G MIMO通信系统的发射器/接收器模块技术方案

本文公开了用于毫米波5G MIMO通信系统的发射器/接收器模块。发射/接收模块包括被配置为在发射和接收模式中操作的集成控制电路。在发射模式中，集成控制电路将数字输入信号转换成多个相移RF发射信号。在接收模式中，集成控制电路将RF接收信号转换成数字输出信号。发射/接收模块还包括连接的多个发射/接收集成电路。每个发射/接收集成电路在发射模式期间使用功率放大器放大RF发射信号之一，并且在接收模式期间使用低噪声放大器放大RF接收信号之一。集成控制电路在发射模式中偏置功率放大器并且校准功率放大器的功率水平。集成控制电路在接收模式期间通过控制低噪声放大器来保护集成控制电路免于破坏。

Transmitter / receiver module for millimeter wave 5G MIMO communication system

A transmitter / receiver module for millimeter wave 5G MIMO communication system is disclosed in this paper. The transmit / receive module includes an integrated control circuit configured to operate in the transmit and receive mode. In the transmit mode, the integrated control circuit converts the digital input signal into a plurality of phase shifted RF transmitting signals. In the receiving mode, the integrated control circuit converts the RF received signal into the digital output signal. The transmit / receive module also includes a plurality of transmit / receive integrated circuits. Each transmit / receive integrated circuit uses a power amplifier to amplify one of the RF transmitting signals during the transmission mode, and uses a low noise amplifier to amplify one of the RF receiving signals during the reception mode. The integrated control circuit biased the power amplifier in the transmit mode and calibrated the power level of the power amplifier. The integrated control circuit protects the integrated control circuit from damage by controlling the low noise amplifier during reception mode.

【技术实现步骤摘要】
用于毫米波5GMIMO通信系统的发射器/接收器模块
本申请总体上涉及通信系统，并且更具体地涉及5G相控阵发射/接收模块。
技术介绍
第五代(5G)无线是指被设置为替代当前第四代(4G)电信标准的所提出的电信标准。5G旨在提供提高的网络能力，包括更快的下载速度、更大的带宽、频谱效率、更低的延迟等。5G标准将使用高频/短波长频谱，例如在20GHz到60GHz的范围内，其对应于在5mm到15mm的范围内的波长。这些短波长关于用于发射和接收RF信号的基站设备而言存在独特的设计挑战。相控天线阵列通常是指使用多个天线(两个或更多个)和相移来发射和接收RF信号的通信系统。相控天线阵列与单天线系统相比提供了许多优点，诸如高增益、方向可控性和同时通信。目前，没有市售的5GmmW(毫米波长)相控天线阵列系统。关于5GmmW相控天线阵列系统的一个显著的设计挑战是，天线元件之间的间隔必须与RF信号的波长相关，通常为波长的1/2。在5G系统的情况下，这表示天线必须在2mm到7mm的范围内彼此间隔开，这对空间效率是非常重要的。为此，优选的是可以在非常高的频率下操作并且提供小的占地面积的放大器器件。能够在非常高的频率下操作并且具有小的占地面积的一个放大器器件是III-V半导体器件，诸如GaN(砷化镓)基HEMT(高电子迁移率场效应晶体管)放大器器件。III-V半导体器件通常是常开器件。也就是说，这些器件具有在没有任何栅极偏置的情况下存在的自导通沟道。因此，这些常开器件必须由能够生成负电压以关断器件的电路来控制。在5GmmW(毫米波长)相控天线阵列系统的上下文中，GaN基HEMT器件虽然有前途但是引入了关于栅极偏置、动态漏极电流效应的补偿、功率回退等的独特的和目前尚未解决的挑战。
技术实现思路
公开了一种发射/接收模块。根据实施例，发射/接收模块包括被配置为在发射模式和接收模式中操作的集成控制电路。在发射模式中，集成控制电路被配置为将数字输入信号转换成与相控阵的辐射模式相对应的多个相移RF发射信号。在接收模式中，集成控制电路被配置为将从相控阵接收的RF接收信号转换成数字输出信号。发射/接收模块还包括连接到集成控制电路并且由其控制的多个发射/接收集成电路。每个发射/接收集成电路被配置为在发射模式期间使用功率放大器放大RF发射信号之一，并且在接收模式期间使用低噪声放大器放大RF接收信号之一。集成控制电路被配置为在发射模式中偏置至少一个发射/接收集成电路的功率放大器并且校准至少一个发射/接收放大器集成电路的功率放大器的功率水平。集成控制电路被配置为在接收模式期间通过控制至少一个发射/接收放大器集成电路的低噪声放大器来保护集成控制电路免于破坏。根据另一实施例，发射/接收模块包括集成控制电路。集成控制电路包括：RFIC输入端子；多对I/O端子，每对I/O端子包括TX输出端子和RX输入端子；具有连接到RFIC输入端子的输入的功率分配器/组合器；连接在功率分配器/组合器的输出与I/O端子之间的多个移相器、以及连接到每个I/O端子的功率传感器。发射/接收模块还包括连接到集成控制电路的多个发射/接收集成电路。每个发射/接收集成电路包括：连接到一对I/O端子的TX输出端子的TX输入端子、连接到来自一对I/O端子的RX输入端子的RX输出端子、天线接口端子、连接到TX输入端子的功率放大器、连接到RX输出端子的低噪声放大器、以及连接在功率放大器、低噪声放大器和天线接口端子之间的开关。发射/接收集成电路的每个功率放大器的最终级的栅极端子和漏极端子独立地连接到集成控制电路并且由集成控制电路可控制。公开了一种使用发射/接收模块跨相控阵发射和接收RF信号的方法。发射/接收模块包括集成控制电路和多个发射/接收集成电路，每个发射/接收集成电路包括功率放大器和低噪声放大器。根据实施例，该方法包括在发射模式中操作发射/接收模块。发射模式包括使用集成控制电路将数字输入信号转换成与相控阵的辐射模式相对应的多个相移RF发射信号，以及使用发射/接收集成电路中的功率放大器放大每个相移RF发射信号。放大每个相移RF发射信号包括使用集成控制电路来偏置每个发射/接收集成电路的功率放大器以及校准每个发射/接收放大器集成电路的功率放大器的功率水平。该方法还包括在接收模式中操作发射/接收模块。接收模式包括使用发射/接收集成电路中的低噪声放大器放大从相控阵接收的一个或多个RF接收信号，使用集成控制电路将RF接收信号转换成数字输出信号，以及通过使用集成控制电路偏置至少一个发射/接收集成电路中的低噪声放大器来保护集成控制电路免于破坏RF接收信号的功率水平。附图说明附图的元件不一定相对于彼此成比例。相同的附图标记表示相应的相似部分。各种所示实施例的特征可以被组合，除非它们彼此排斥。实施例在附图中示出，并且在下面的说明书中详述。图1示出了根据实施例的数字/模拟混合5GmmWRF前端。图2示出了根据实施例的RF发射/接收模块。图3示出了根据实施例的GaN基发射/接收集成电路的详细示意图。图4示出了根据实施例的GaN基功率放大器和到集成控制电路的连接的详细示意图。图5包括图5A和图5B并且示出了根据实施例的低噪声放大器的详细示意图。图6示出了根据实施例的用于GaN基发射/接收集成电路的发射/接收开关的详细示意图。图7包括图7A和图7B并且示出了根据实施例的用于GaN基发射/接收集成电路的双刀双掷开关拓扑和单刀双掷开关拓扑的详细示意图。图8示出了根据实施例的集成控制电路中的发射/接收电路的详细示意图。图9示出了根据实施例的在发射模式下操作发射/接收模块的方法。图10示出了根据实施例的GaN基功率放大器的静态漏极电流与时间的曲线。图11示出了根据实施例的GaN基功率放大器的输入功率与漏极电流的曲线。图12示出了根据实施例的在接收模式下操作发射/接收模块的方法。具体实施方式根据本文中描述的实施例，公开了用于5GmmW相控阵天线系统的发射/接收模块以及操作发射/接收模块的相应方法。发射/接收模块将SiGeBiCMOS集成控制电路与多个GaN基放大器发射/接收集成电路组合，其中GaN基发射/接收集成电路之一与相控阵的每个天线相关联。SiGeBiCMOS集成控制电路上发生信号分配、相移、信号放大、功率感测、功率校准、温度补偿、偏置控制和数字控制。GaN基发射/接收芯片上发生发射/接收切换、高功率信号放大和接收器保护。这种架构提供在常规设计中没有的以下三种益处：(1)使用SiGeBiCMOS控制芯片来偏置GaN功率放大器，(2)使用SiGeBiCMOS控制芯片来校准GaN功率放大器的输出功率的最佳效率和线性度，以及(3)通过控制GaN低噪声放大器来保护SiGeBiCMOS控制芯片上的接收电路。参考图1，根据实施例，描绘了用于5GmmW系统的RF前端100。这是多输入多输出(MIMO)系统，其中多个RF信号可以取决于数字地应用的权重而指向多个空间位置。RF前端具有混合数字/模拟架构，其使用N(N<<Nx×Nz)个RF链，每个RF链连接到具有模拟相位和幅度权重的Nx×Nz个天线102。这种拓扑将天线阵列分成N个子阵列，每个子阵列使用模拟波束成形。然后使用数字处理来组合N个子阵列并且实现MI本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种发射/接收模块，包括：集成控制电路，被配置为在发射模式和接收模式中操作，其中在所述发射模式中，所述集成控制电路被配置为将数字输入信号转换成与相控阵的辐射模式相对应的多个相移RF发射信号，并且其中在所述接收模式中，所述集成控制电路被配置为将从相控阵接收的RF接收信号转换成数字输出信号；以及多个发射/接收集成电路，连接到所述集成控制电路并且由所述集成控制电路控制，其中所述发射/接收集成电路中的每个发射/接收集成电路被配置为在所述发射模式期间使用功率放大器放大所述RF发射信号之一，并且在所述接收模式期间使用低噪声放大器放大所述RF接收信号之一，其中所述集成控制电路被配置为在所述发射模式中偏置每个发射/接收集成电路的所述功率放大器并且校准每个发射/接收放大器集成电路的所述功率放大器的功率水平，以及其中所述集成控制电路被配置为在所述接收模式中通过偏置每个发射/接收放大器集成电路的所述低噪声放大器来保护所述集成控制电路免于破坏所述RF接收信号的功率水平。

【技术特征摘要】
2016.11.23 US 15/359,6851.一种发射/接收模块，包括：集成控制电路，被配置为在发射模式和接收模式中操作，其中在所述发射模式中，所述集成控制电路被配置为将数字输入信号转换成与相控阵的辐射模式相对应的多个相移RF发射信号，并且其中在所述接收模式中，所述集成控制电路被配置为将从相控阵接收的RF接收信号转换成数字输出信号；以及多个发射/接收集成电路，连接到所述集成控制电路并且由所述集成控制电路控制，其中所述发射/接收集成电路中的每个发射/接收集成电路被配置为在所述发射模式期间使用功率放大器放大所述RF发射信号之一，并且在所述接收模式期间使用低噪声放大器放大所述RF接收信号之一，其中所述集成控制电路被配置为在所述发射模式中偏置每个发射/接收集成电路的所述功率放大器并且校准每个发射/接收放大器集成电路的所述功率放大器的功率水平，以及其中所述集成控制电路被配置为在所述接收模式中通过偏置每个发射/接收放大器集成电路的所述低噪声放大器来保护所述集成控制电路免于破坏所述RF接收信号的功率水平。2.根据权利要求1所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路包括多对I/O端子，每对I/O端子包括TX输出端子和RX输入端子，其中所述集成控制电路被配置为向所述TX输出端子施加所述多个相移RF发射信号，并且其中所述集成控制电路被配置为在所述RX输入端子处接收所述RF接收信号。3.根据权利要求2所述的发射/接收模块，其中每个发射/接收集成电路包括TX输入端子、RX输出端子、天线接口端子和开关，其中所述功率放大器连接到所述TX输入端子，其中所述低噪声放大器连接到所述RX输出端子，其中每个发射/接收集成电路的所述TX输入端子连接到所述集成控制电路的所述TX输出端子之一，其中每个发射/接收集成电路的所述RX输出端子连接到所述集成控制电路的所述RX输入端子之一，其中所述开关被配置为在所述发射模式期间将所述功率放大器的输出连接到所述天线接口端子并且将所述低噪声放大器与所述天线接口端子断开，并且其中所述开关被配置为在所述接收模式期间将所述天线接口端子连接到所述低噪声放大器的输入并且将所述功率放大器与所述天线接口端子断开。4.根据权利要求3所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路包括连接到每个TX输出端子的TX功率传感器，并且其中所述集成控制电路包括连接到每个RX输入端子的RX功率传感器。5.根据权利要求4所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路被配置为通过使用所述RX功率传感器监测每个RX输出端子处的所述RF接收信号的功率水平以及通过减小与超过预定义的功率水平的RF接收信号相关联的所述低噪声放大器功率的输入偏置来保护所述集成控制电路免于破坏所述RF接收信号的功率水平。6.根据权利要求5所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路被配置为在所述RF接收信号超过所述预定义的功率水平的情况下关断与所述RF接收信号相关联的所述低噪声放大器功率。7.根据权利要求3所述的发射/接收模块，其中每个发射/接收集成电路的所述功率放大器的最终输出级包括栅极端子和漏极端子，并且其中每个栅极端子和漏极端子独立地连接到所述集成控制电路。8.根据权利要求7所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路被配置为通过将所述RF发射信号的测量的功率值和所述功率放大器的所述最终输出级的观察的漏极电流与内部地存储在所述集成控制电路中的功率对电流的曲线相比较来在所述发射模式中校准每个发射/接收放大器集成电路的所述功率放大器的功率水平。9.根据权利要求8所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路被配置为通过使用存储的所述曲线在1dB压缩点处操作所述功率放大器来校准所述功率放大器的功率水平。10.根据权利要求5所述的发射/接收模块，其中所述集成控制电路被配置为通过基于每个发射/接收集成电路的所述功率放大器的所述最终输出级的漏极电流的测量而控制每个发射/接收集成电路的所述功率放大器的所述最终输出级的栅极偏置来偏置每个发射/接收集成电路的所述功率放大器。11.一种发射/接收模块，包括：集成控制电路，包括：RFIC输入端子；多对I/O端子，每对I/O端子包...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·马戈麦诺斯，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE