一种波束赋形架构、方法和基站技术

本发明专利技术涉及无线领域，特别涉及一种波束赋形架构、方法和基站。根据本发明专利技术实施例提供的方案，PA可以采用化合物工艺实现以提升其输出功率，从而在改进后的波束赋形架构下，使用较少的PA数目，便可以达到设定的EIRP的要求，减少模拟通道数量，降低成本，同时波束赋形的自由度不会受到影响。且在相同的基站的重量、体积要求下，由于PA输出功率的提升，也可以有效提升EIRP上限。

【技术实现步骤摘要】
一种波束赋形架构、方法和基站
本专利技术涉及无线领域，特别涉及一种波束赋形架构、方法和基站。
技术介绍
与以往的第二代移动通信(2G)到第四代移动通信(4G)不同，第五代移动通信(5G)需要满足更加多样的业务类型与场景。为了满足国际电信联盟(ITU)定义的5G三大场景八项关键性能指标，5G系统需要逐渐面向高频段，高频段主要用于满足城市热点、郊区热点与室内场景极高的用户体验速率和峰值容量需求。2017年7月3日，工信部新增批复4.8-5GHz，24.75-27.5GHz和37-42.5GHz频段开展5G技术试验，明确释放5G面向高频段的信号。随着频率的增加，传播损耗显著增加。5G高频基站相比中、低频基站的传播损耗可以增加20～30dB。为了保证覆盖范围需要通过增加天线数目进行波束赋形的方式获得一定的赋形增益。5G高频基站采用的主流方案是大规模天线阵列，目前业界普遍认为5G高频基站模拟通道数至少在64通道以上。由于5G高频基站信号带宽将达到800MHz以上，数模转换模块(数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC))、数字处理芯片(如傅里叶变换(FFT/IFFT))、数字预失真(DPD)等)的处理容量会变得非常巨大。大规模天线阵列不宜采用纯数字波束赋形架构。基于上述原因，5G高频基站比较合适的架构是数模混合波束赋形架构，主流的数模混合波束赋形架构如图1所示。该数模混合波束赋形架构中，在基带处理芯片(在图1中简单标记为基带)之后，每一个数字通道中，DAC/ADC、本振、混频器、滤波器依次连接，每一个数字通道可以对应N个模拟通道，N个模拟通道中，N路功分器的每一路依次连接有移相器，功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)和开关，以及一组天线。数字通道(可以理解为DAC和ADC)与模拟通道(可以理解为PA和LNA)的数量比例为1：N，其中N一般远大于1。一组天线中天线阵子的数量为Y，Y一般不大于10。如图1所示的数模混合波束赋形架构中，通过基带处理芯片以及位于模拟高频部分的移相器实现相位控制，达到波束赋形的目的。其中，N路功分器、移相器、PA、LNA和开关通常是一个集成芯片实现，称为波束形成(Beamformer)芯片。该芯片采用硅基工艺(例如互补金属氧化物半导体(CMOS)、硅(Si),硅锗(SiGe))实现。一个芯片包括4路、8路、16路或者更多个通道(即可以理解为PA、LNA的数目)。如图1所示的数模混合波束赋形架构存在以下问题：由于PA采用硅基工艺实现,受工艺限制，PA的平均输出功率一般小于10分贝毫瓦(dBm)。由于PA的平均输出功率较低，为实现一定的有效全向辐射功率(EIRP)，需要使用多路PA，使得模拟通道规模异常巨大，例如EIRP为65dBm时，至少需要512路PA。由于使用的模拟通道数量较多，造成成本较高。且由于5G高频基站实际布放时的限制，对基站的重量、体积等都有一定的要求，波束赋形架构中模拟通道数量不能无上限的增加，造成EIRP到达一定值之后便很难提升(65dBm的EIRP已经到如图1所示的数模混合波束赋形架构的极限)。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种波束赋形架构、方法和基站，由于解决现有的波束赋形架构下，模拟通道数量较多、成本较高，且EIRP提升困难的问题。一种波束赋形架构，包括基带处理芯片、数字通道和模拟通道，所述基带处理芯片和所述数字通道连接：每一个数字通道，用于与L个模拟通道连接,其中，L为正整数；每一个模拟通道，包括功率放大器PA、低噪声放大器LNA、上下行切换器件，N路功分器、N个移相器和N组天线；每一个模拟通道,用于PA与一个数字通道中的数模转换器DAC所在支路连接，LNA与该数字通道中的模数转换器ADC所在支路连接，且PA和LNA通过上下行切换器件，与N路功分器、N个移相器和N组天线依次连接，其中，所述N为正整数；其中，所述PA采用化合物工艺实现，其平均输出功率大于设定值。一种波束赋形架构，包括基带处理芯片、数字通道和模拟通道，所述基带处理芯片和所述数字通道连接：每一个数字通道，用于与L个模拟通道连接,其中，L为正整数；每一个模拟通道，包括功率放大器PA、低噪声放大器LNA、上下行切换器件，N路开关、巴特勒Butler矩阵模块或者罗特曼Rottman透镜、以及N组天线；每一个模拟通道,用于PA与一个数字通道中的数模转换器DAC所在支路连接，LNA与该数字通道中的模数转换器ADC所在支路连接，且PA和LNA通过上下行切换器件，与N路开关、Butler矩阵模块或者Rottman透镜、以及N组天线依次连接，其中，所述N为正整数；其中，所述PA采用化合物工艺实现，其平均输出功率大于设定值。一种波束赋形方法，应用于包括N路功分器和移相器的改进后的波束赋形架构中，所述方法包括：每个移相器接收其连接的N路功分器发射的功率，该功率是该N路功分器将其连接的PA的功率均分为N份之后发射的；每个移相器根据接收到的功率，进行幅相调整实现模拟波束赋形。一种波束赋形方法，应用于包括N路开关、Butler矩阵模块或者Rottman透镜的改进后的波束赋形架构中，所述方法包括：巴特勒Butler矩阵模块或者罗特曼Rottman透镜接收N路开关发射的功率，该功率是该N路开关根据其连接的PA的功率，通过选择出的端口发射的；Butler矩阵模块或者Rottman透镜根据接收到的功率进行幅相调整，形成固定的波束，实现模拟波束赋形。一种基站，所述基站包括任一如上所述的波束赋形架构。为了在满足EIRP要求的同时，减少模拟通道数量，降低成本，并可以有效提升EIRP,本专利技术实施例考虑提升PA的输出功率。但是在现有的波束赋形架构下，即使提升了PA的输出功率，可以减少模拟通道数量，但是由于同时也会减少移相器的数量，由此会导致波束赋形的自由度受到影响。因此，本专利技术实施例采用化合物工艺以提升PA其输出功率的同时，对波束赋形架构进行改进。根据本专利技术实施例提供的方案，PA可以采用化合物工艺实现以提升其输出功率，从而在改进后的波束赋形架构下，使用较少的PA数目，便可以达到设定的EIRP的要求，减少模拟通道数量，降低成本，同时波束赋形的自由度不会受到影响。且在相同的基站的重量、体积要求下，由于PA输出功率的提升，也可以有效提升EIRP上限。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所介绍的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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他的附图。图1为现有技术提供的主流的数模混合波束赋形架构示意图；...

【技术保护点】
1.一种波束赋形架构，包括基带处理芯片、数字通道和模拟通道，所述基带处理芯片和所述数字通道连接，其特征在于：/n每一个数字通道，用于与L个模拟通道连接,其中，L为正整数；/n每一个模拟通道，包括功率放大器PA、低噪声放大器LNA、上下行切换器件，N路功分器、N个移相器和N组天线；/n每一个模拟通道,用于PA与一个数字通道中的数模转换器DAC所在支路连接，LNA与该数字通道中的模数转换器ADC所在支路连接，且PA和LNA通过上下行切换器件，与N路功分器、N个移相器和N组天线依次连接，其中，所述N为正整数；/n其中，所述PA采用化合物工艺实现，其平均输出功率大于设定值。/n

【技术特征摘要】
1.一种波束赋形架构，包括基带处理芯片、数字通道和模拟通道，所述基带处理芯片和所述数字通道连接，其特征在于：
每一个数字通道，用于与L个模拟通道连接,其中，L为正整数；
每一个模拟通道，包括功率放大器PA、低噪声放大器LNA、上下行切换器件，N路功分器、N个移相器和N组天线；
每一个模拟通道,用于PA与一个数字通道中的数模转换器DAC所在支路连接，LNA与该数字通道中的模数转换器ADC所在支路连接，且PA和LNA通过上下行切换器件，与N路功分器、N个移相器和N组天线依次连接，其中，所述N为正整数；
其中，所述PA采用化合物工艺实现，其平均输出功率大于设定值。


2.如权利要求1所述的波束赋形架构，其特征在于，所述PA采用化合物工艺实现，包括：
当所述PA的平均输出功率小于20分贝毫瓦dBm时，采用砷化镓GaAs工艺实现，当所述PA的平均输出功率不小于20dBm时，采用氮化镓GaN工艺实现。


3.如权利要求1所述的波束赋形架构，其特征在于，所述上下行切换器件为开关或环形器。


4.如权利要求1～3中任一所述的波束赋形架构，其特征在于，所述波束赋形架构中数字通道的数量T为正整数，所述T根据流数的要求设定。


5.如权利要求1～3中任一所述的波束赋形架构，其特征在于，每一个模拟通道中，PA、LNA和上下行切换器件，集成在一个芯片中，或者是分离的器件。


6.如权利要求1～3中任一所述的波束赋形架构，其特征在于，所述N路功分器采用波导工艺实现。


7.如权利要求1～3中任一所述的波束赋形架构，其特征在于，所述移相器位数小于5位。

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【专利技术属性】
技术研发人员：付吉祥，王大鹏，
申请(专利权)人：中国移动通信有限公司研究院，中国移动通信集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11