用于大规模MIMO的模拟处理系统的制作方法

本发明一般涉及多输入多输出(MIMO)收发器领域。更具体地说，本发明涉及低复杂度、高性能MIMO收发器的划分和构造。

背景技术：

随着消费电子对高数据速率不断增加的需求，系统通常被推动高频率地利用例如大规模的多输入多输出(MIMO)系统。

使用多天线架构的一个主要限制是射频(RF)部分中硬件的复杂性和高成本，其通常随着天线数量的增加而增加。

典型的MIMO收发器的硬件被划分成单独的块，其中每个块通常被放在单独的芯片上。根据实例，数字基带(BB)功能被放置在一个芯片上，诸如混频器的RF组件被放置在第二芯片上，并且功率放大器被放置在第三芯片上，而天线可单独实现。

具有多个天线通常需要在至少一些硬件块之间具有多个信号路径，每个天线一个，这通常导致复杂和庞大的实现，尤其是对于射频信号。

在一些情况下，可使用单个信号路径来在天线阵列和硬件块之间传输多个信号，这通常会导致对于信号失真和分离的信号路径有严格的要求。

此外，系统的可扩展性受到限制，因为添加、移除或重新排列天线导致复杂且昂贵的添加、移除或重新排列硬件块的过程。

因此，需要能够利用包括多个天线的MIMO系统的硬件解决方案，同时保持具有尽可能低的电路印迹的实现而不影响性能。

技术实现要素：

应该强调的是，当在本说明书中使用术语“包括/包含”时，表示存在所陈述的特征、整体、步骤或组件，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、组件或其组合。

一些实施例的目的是消除至少一些上述缺点，并提供用于大规模MIMO的替代收发器实现。优选地，这种替代的收发器实现为大规模MIMO提供较不复杂和/或较低成本的硬件解决方案。

一些实施例的目的还在于为具有一个或多个以下优点的大规模MIMO提供替代的收发器实现：高可扩展性、低能耗和宽频率范围的容量。

根据第一方面，这通过模拟处理子系统来实现，其包括至少一个天线、双工器、至少一个功率放大器、至少一个混频器和可连接到基带处理子系统的接口。

至少一个混频器适用于对接收到的模拟射频信号进行下变频并同相/正交IQ解调，以提供接收到的模拟基带信号，接收到的模拟射频信号由至少一个天线接收。至少一个混频器还适于对发送模拟基带信号进行IQ调制和上变频，以提供发送模拟射频信号，发送模拟基带信号由至少一个天线发送。

该混频器进一步包括至少一个输入端子和至少一个输出端子，至少一个输入端子连接到接口的输入端子，用于获取发送模拟基带信号，以及至少一个输出端子连接到接口的输出端子，用于提供接收到的模拟基带信号。

在一些实施例中，至少一个天线直接连接到双工器，双工器直接连接到至少一个功率放大器，至少一个功率放大器直接连接到至少一个混频器，并且至少一个混频器直接连接到接口。

因此，具有根据第一方面的系统的MIMO收发器将由几个模拟处理子系统组成。在一些实施例中，每个天线将具有其自己的子系统。这简化了实现和可扩展性，因为这只是移除或添加整个子系统的问题。由于整个子系统可商业化批量生产，所以它也具有成本效益。

在一些实施例中，子系统仅由一个天线组成。

在一些实施例中，混频器与功率放大器工艺集成。

在一些实施例中，功率放大器工艺是以下工艺至少其中之一：砷化镓假晶高电子迁移率晶体管的PHEMT-GaAs工艺、砷化镓异质结双极晶体管GaAs-HBT工艺、硅锗双极互补金属工艺氧化物半导体SiGe Bi-CMOS工艺、绝缘体上硅SOI工艺、完全耗尽的SOI-FDSOI工艺以及Si-CMOS工艺。

在一些实施例中，模拟处理子系统包括在被单个模拟射频处理芯片上。

在一些实施例中，模拟射频处理芯片包括在芯片的至少一侧上的金属化层，并且金属化层包括至少一个天线的集成。

在一些实施例中，金属化层形成与键合线集成的天线结构。

在一些实施例中，天线结构被提供在模拟射频处理芯片的第一侧，其中，第一侧为模拟射频处理芯片的电路侧。

在一些实施例中，天线结构被提供在模拟射频处理芯片的第二侧，其中，第二侧与模拟射频处理芯片的电路侧相对。

在一些实施例中，天线结构适于将模拟处理系统与辐射隔离。

在一些实施例中，天线结构适于操作为到波导的连接器。

在一些实施例中，模拟处理子系统适合于被包括在多输入多输出MIMO收发器的多个模拟处理子系统中。收发器还适用于发送和接收MIMO信号。

在一些实施例中，模拟处理子系统适于处理MIMO信号的信号分量。

在一些实施例中，模拟处理子系统适于被包括在多输入多输出MIMO收发器的多个模拟处理子系统中。收发器还适用于发送和接收MIMO信号，并且模拟处理子系统适于处理MIMO信号的信号分量。

第二方面是包括多个根据第一方面的模拟处理子系统的装置，模拟处理子系统可操作地连接到至少一个基带处理子系统。基带处理子系统进一步包括至少一个模数转换器ADC，其被配置为将所接收到的模拟基带信号转换成接收到的数字信号。

在一些实施例中，基带处理子系统进一步包括至少一个数模转换器DAC，其被配置为将发送数字信号转换为发送模拟基带信号。基带处理子系统进一步被配置为将发送模拟基带信号提供给模拟处理芯片。

在一些实施例中，基带处理子系统被包括在基带处理芯片上。

在一些实施例中，该装置是多输入多输出MIMO收发器装置。

在一些实施例中，多个模拟处理子系统包括第一数量的模拟处理子系统。至少一个基带处理子系统可包括第二数量的基带处理子系统。第一数量超过第二数量。

第三方面是包括根据第一方面的模拟处理子系统或根据第二方面的装置的无线通信设备。

在一些实施例中，无线通信设备是移动通信设备。

在一些实施例中，第二和第三方面可另外具有与以上针对第一方面所解释的各种特征中的任一者相同或对应的特征。

一些实施例的优点是可使得具有高性能和低复杂度的大型MIMO收发器成为可能。例如，根据MIMO收发器的一些实现，通常存在用于每个天线的一个射频信号路径，并且来自几个天线的信号仅在基带处被组合成单个信号路径。

一些实施例的另一个优点是，所有组件的划分不要求天线和过滤器位于分离的单元上。这进一步降低了MIMO收发器的复杂性。

一些实施例的另一个优点是对组件的划分不需要单独的接收器(Rx)和发送器(Tx)，这进一步降低了MIMO收发器的复杂度。

一些实施例的另一个优点是实现了MIMO系统的成本有效的实现。

一些实施例的另一个优点是MIMO收发器的可扩展性被简化。因此，提供了一种构建MIMO收发器的灵活方式。

一些实施例的另一个优点是可将MIMO收发器的选定部分分开以便减少收发器的功耗和/或信号之间的干扰。

一些实施例的另一个优点是大规模MIMO可以以较低的功耗提供较高的数据速率。

一些实施例的另一个优点是每个信号路径中只有一个或几个天线，从而简化了MIMO收发器的实现。

一些实施例的另一个优点是天线结构和组件的划分可防止干扰的泄漏，从而产生更稳定、稳健和可靠的MIMO收发器。

一些实施例的另一个优点是，结合天线结构对组件的划分允许将整个模拟处理系统布置在波连接器内，从而与波连接器的常规使用相比减少了MIMO收发器中的能量损失，也提供较不复杂的装置。

附图说明

参考附图，进一步的目的、特征和优点将从以下对实施例的详细描述中出现，其中：

图1是示出根据现有技术的实例装置的示意图；

图2是示出根据一些实施例的实例装置的示意图；

图3是示出根据一些实施例的实例装置的示意图；和

图4是示出根据一些实施例的实例装置的示意图。

具体实施方式

在下文中，将描述提供了多输入多输出(MIMO)应用的低成本、低复杂性前端的实施例。

通过以本文所述的任何方式划分MIMO收发器的功能单元，可实现一个或多个优点，如以下将要解释的。

图1示出了根据现有技术的MIMO前端的实例装置100。装置100包括数字基带芯片(BB芯片)105、射频部件(RF)104、功率放大器芯片(PA芯片)103和天线阵列102。

天线阵列102通过双工器102a可操作地连接到PA船103。双工器102a通过将接收到的信号和用于发送例如时域或频域的信号分离，促进从天线阵列102发送和数据传输之间的转化。

信号通常可由天线阵列102接收，然后接收到的信号通过双工器102a被发送，在双工器102a中被分离，以便遵循装置100上的接收路径(RX-路径)。然后接收到的信号被发送到PA芯片103，在那里它可通过一个低噪声放大器(LNA)。

PA芯片103可包括多个功率放大器(PA)和LNA。

PA芯片103可操作地连接到RF部分104。所接收到的信号通常可以是低功率和低电压，并且LNA通常可在将所接收到的信号发送到RF部分104之前将其放大。

RF部分104可包括不同的RF组件，诸如阻抗匹配电路(未示出)、过滤器(未示出)、RF放大器(未示出)、同相/正交(IQ)调制器(未示出)、本地振荡器和混频器。

接收到的信号可由IQ解调器解调。接收信号的频率一般较高，然后由混频器转换成较低的频率。

RF部分104可操作地连接到包括至少一个模数转换器、ADC 106和至少一个数模转换器DAC 107的BB芯片105。BB芯片被配置为数字化所接收到的模拟信号。BB芯片也被配置为将数字信号转换成模拟信号以进行发送。

用于发送的信号通常遵循从BB芯片到RF部分的发送路径，其中发送信号的典型低频被混频器上变频。在发送信号被传输到PA芯片103之前，也可通过IQ调制器来调制发送信号，在那里它被功率放大器放大。然后发送信号通过双工器102a，在双工器102a处被引导到天线阵列102。然后发送信号通过一个或多个天线被发送到接收设备。

如图1所示，数字基带通常在第一芯片中实现，RF通常在第二芯片中实现，功率放大器通常在第三芯片中实现，并且天线阵列通常以其自己的单元实现。PA芯片103和双工器102a有时可被称为前端模块(FEM)。

MIMO系统可包括几个天线，例如，16至100个天线。具有多个天线允许多路径接收和发送。为了使波束形成正常工作，每个天线路径通常需要独立的IQ调制器。

在现有系统中，对于大量天线中的每一个实现IQ路径是困难的，这导致天线阵列中的天线数量的限制。

由于实现多天线的MIMO技术还比较新，传统的实现MIMO系统的方式到目前为止已经足够。按照目前的标准来实现MIMO将导致庞大的实现，然而，旨在并入具有相对较小尺寸的设备(例如，手持式消费产品)的商业产品中的天线的数量并不太大，以至于实现变得太笨重。因此没有任何理由尝试和开发其他实现包含多个天线的MIMO系统的方式。

此外，收发器实现领域有悠久的传统来分别设计基带处理部分、天线部分和射频处理部分。这导致对于本领域技术人员，或者更确切地说，技术人员团队(分别为天线设计、射频处理设计和基带处理部分的技术人员)在设计MIMO收发器以分别设计MIMO天线阵列、用于MIMO的射频处理单元和用于MIMO的基带处理单元，然后将这些设计彼此连接以形成MIMO收发器是自然的。

发明人在有洞察力的推理之后已经意识到，通过以另一种方式划分MIMO收发器的现有架构的功能单元，可能使得包括高数量天线的收发器系统的不太复杂、更便宜和/或更灵活的实现。

代替将天线阵列经由双工器连接到放大器芯片经由混频器芯片连接到基带处理芯片，本文中所描述的实施例-在一个前端单元中实现，例如，芯片-构成MIMO收发器的天线阵列的天线大集合的每个天线(或小的天线集合)的放大器和混频器的单独集合。

然后可自由组合多个这样的前端单元来构成MIMO系统的前端部分，然后该前端部分可连接到基带处理单元。

提供了一种构造MIMO系统的非常灵活的方式，因为通过重新布置、增加、移除整个对应的前端单元，很容易实现天线的重新布置、增加、移除，并且不需要(或者需要很少的进一步的硬件调整)。因此，可扩展性得到改善。

此外，如果MIMO结构当前不使用其天线阵列的全部天线，则相应的前端单元可容易地关闭或置于低功率模式，根据现有技术这通常是不可能的，或者至少是麻烦的。

图2示出了根据本发明的一些实施例的实例装置200。

实例装置200包括芯片201，芯片201依次包括天线202、功率放大器203a，203b以及也称为RF部分204a，204b的RF混频器和调制部分204a，204b。

在一些实施例中，可通过同相/正交(IQ)调制/解调来完成RF部分204a和204b的调制或解调。

在一些实施例中，天线202包括一个天线。在一些实施例中，天线202可包括多于一个的天线，而仍然不包括构成大型MIMO系统的所有天线。例如，天线202可包括两个、三个或四个天线。

在一些实施例中，至少一个天线仅由一个天线组成，这导致不太复杂的MIMO收发器和模拟处理子系统。

在一些实施例中，在仅由一个天线构成至少一个天线的情况下，天线可具有单个或多个(两个或多个)馈电点。

在一些实施例中，通过使用芯片的标准金属化层，即每个商业芯片所提供的金属化层，将天线集成在芯片201中。在一些实施例中，芯片201可提供有用于集成天线的定制金属化层。这种定制金属化层可例如提供在芯片201的第一侧(诸如电路侧或顶侧)或芯片的第二侧(诸如芯片的背侧)上，并与硅通孔连接。

由于在芯片201上提供天线，不需要传统的单独的天线单元，因此可实现较低复杂度的模拟处理子系统。

在一些实施例中，通过使用例如键合线(或任何其他合适的连接技术)来集成天线，其中金属化层形成天线结构。

在一些实施例中，天线结构可提供在芯片201的第二侧上。芯片201的第二侧可与芯片201的电路侧相对。

在一些实施例中，形成天线结构的金属化层也可适于将RF发送电路与辐射隔离。根据所述的一些实施例，天线结构可直接连接到模拟处理子系统，即模拟处理子系统的电路和接地点。相应地，天线结构可包括至少一个接地连接。因此，可防止干扰从模拟处理子系统泄漏，从而实现更稳健和更稳定的子系统。

在一些实施例中，由金属化形成的天线结构可适于操作为到波导的连接器。在这样的实施例中，天线结构和芯片201可适于布置在波连接器内部。芯片201可适合于通过至少一个紧固装置或保持结构、直接连接到波连接器本身或者连接到波连接器的中间紧固部件来布置在波连接器的内部。所述波连接器可以是管道，优选金属管道，诸如具有矩形或圆形横截面的金属管道。因此，来自整个芯片的无线电波传播将在至少一个维度上阻碍波传播发生在开放金属物体内，导致更少的能量损失以及更稳健、高效和可靠的系统。

天线202可包括或连接到双工器202a，双工器202a可在发送路径(TX路径)和接收路径(RX路径)之间切换或以其他方式分离。TX路径包括TX功率放大器203a和TX-RF部分204a。RX路径包括RX功率放大器203b和RX-RF部分204b。

在一些实施例中，RX功率放大器203b可以是LNA。

RF部分204a，204b的混频器包括至少一个连接到芯片201的输入端子201a的输入端子(in)和至少一个连接到芯片201的输出端子201b的输出端子(out)。

根据一些实施例，典型的情况是天线202正在接收的信号。双工器202a可将接收到的信号与发送信号分离，例如，通过对所接收到的信号进行定相或相移，或者以任何其他适当的方式，使得它被引导到RX路径。然后接收到的信号被传输到RX-功率放大器203b，其放大通常为低功率和低电压的接收信号，同时保持接收信号的噪声最小。接收到的信号可例如受到来自天线202的附加随机噪声的影响。

然后放大的接收信号通过芯片201的RX-RF部分204b。

在RX-RF部分204b中，接收信号由IQ解调器解调。接收到的信号通常是高频的，该频率由RX-RF部分204b中的混频器下变频。然后解调和下变频的接收信号被发送到连接到芯片201的输出端子201b的RX-RF部分204b的输出端子(out)。

在一些实施例中，芯片201可以是射频处理芯片。在一些实施例中，芯片201是RF子系统。

在一些实施例中，如果要从芯片201发送信号，则在芯片201的输入端子201a处接收发送信号。发送信号通过输入端子(in)被转发到TX-RF部分204a。

在TX-RF部分204a中，发送信号由IQ调制器调制，并且发送信号的频率由混频器上变频。

发送信号从混频器被传输到TX功率放大器203a，功率放大器203a放大发送信号。

然后发送信号由双工器202a从接收信号中分离出来，并由天线202发送。

虽然可能看起来在图2中，天线阵列202、功率放大器203a，203b和RF部分204a，204b都是分开的部分，应该注意的是，这只是为了清楚起见而示出的。不同的部分可全部集成到单个芯片201上。

至少一个天线202可直接连接到双工器202a，双工器202a可依次直接连接到至少一个功率放大器203a，203b。至少一个功率放大器可相应地直接连接到可连接到接口的至少一个混频器204a，204b。

利用上面提到的装置，能够将模拟处理系统集成到一个芯片201上。此外，与传统的模拟处理子系统相反，它不需要Tx和Rx的分离，这通常会增加传统系统的复杂性。

上面提到的结合天线一起被集成到芯片201上的组件的装置允许模拟处理子系统的所有功能集成到一个芯片201上。因此，组件的划分允许更多的模拟处理子系统由于降低了复杂性和增加了模块性，适于组合成大的MIMO收发器。

为了简化实施，功率放大器、RF组件和天线被集成到一个芯片或子系统中(这些术语在本公开中可互换使用)。RF部分的IQ调制器和解调器非常适合集成在相对高级的功率放大器工艺中。

这种先进的工艺有：砷化镓假晶高电子迁移率晶体管(PHEMT-GaAs)、砷化镓异质结双极晶体管GaAs HBT、专用硅工艺如硅锗双极互补金属氧化物半导体(SiGe Bi-CMOS)、绝缘体上硅(SOI)和完全耗尽的SOI(FDSOI)。

与硅CMOS工艺相比，这些工艺实现起来可能是昂贵的，并且还集成了诸如BB过滤器和电源管理功能等低性能功能。这些功能很大，并且需要较少的复杂工艺。

先进的工艺可能有利于用于更高的频率。

因此，与其中IQ调制器和解调器被集成到RF工艺中的现有技术系统相比，将IQ调制器和解调器集成在功率放大器工艺中是有益的。然而，要注意的是，如果收发器的性能很高，那么实现可作为替代方案进入标准CMOS工艺。

图3示出了根据一些实施例的实例装置300。实例装置300包括可操作地连接到数字基带(BB)芯片305的RF芯片301。

RF芯片301包括天线302、功率放大器303a，303b、混频器和调制(RF)部分304a，304b。在一些实施例中，RF芯片301及其组件可以是结合图2所描述的芯片201和/或组件。

BB芯片305包括至少一个ADC 306，以及至少一个DAC 307和至少一个BB处理单元(未示出)。

在一些实施例中，RF部分304a，304b包括至少一个IQ调制器和解调器以及至少一个混频器。

在一些实施例中，RF部分304a，304b的混频器包括至少一个连接到芯片301的输入端子301a的输入端子(in)以及至少一个连接到芯片201的输出端子301b的输出端子(out)。

在一些实施例中，天线302包括一个天线。在一些实施例中，天线302可包括多于一个，但是仍然是小数目-诸如两个天线。

天线302可包括或连接到可在发送路径(TX路径)和接收路径(RX路径)之间切换或分离的双工器302a。TX路径包括TX功率放大器303a和TX-RF部分304a，并且其中RX路径包括RX功率放大器303b和RX-RF部分304b。

根据一些实施例，典型的情况是天线302正在接收信号。双工器可通过例如对接收到的信号进行定相或相移将接收的信号与发送信号分离，以使其被导引至RX路径。然后接收到的信号被传输到RX功率放大器303b。RX功率放大器303b放大通常为低功率和低电压的接收信号，同时保持接收信号的噪声最小。接收到的信号可例如受到来自天线302的附加随机噪声的影响。

然后，放大的接收信号通过RF芯片301的RX-RF部分304b被发送。

在RX-RF部分304b中，接收信号由IQ解调器解调。接收到的信号通常是高频的，该频率由RX-RF部分304b中的混频器下变频。然后解调和下变频的接收信号被传输到RX-RF部分304b的输出端子(out)，该输出端子(out)连接到RF芯片301的输出端子301b。

然后接收到的信号可继续从输出端子301b到BB芯片305和ADC 306的RX路径，其中接收到的信号被转换成数字信号。

TX路径可在BB芯片305中开始，其中DAC 307将数字信号转换为模拟发送信号，并且沿着TX路径通过RF芯片的输入端子301a将其转发，该输入端子301a连接到TX-RF部分304a的输入端子(in)。

在TX-RF部分304a中，发送信号由IQ调制器和混频器调制和上变频。

然后，发送信号在与双工器302a中的输入接收信号分离之前被传输到TX功率放大器303a并由TX功率放大器303a放大。然后发送信号由天线302发送。

通过将一个或多个RF芯片或子系统，诸如结合图2和图3所描述的芯片201或301，连接到一个或多个数字BB芯片，可实现具有高性能的大规模MIMO系统的复杂阵列。

在一些实施例中，多个处理子系统可形成可适于发送和接收MIMO信号的MIMO收发器的一部分。

在一些实施例中，子系统可进一步适于处理MIMO信号的信号分量。

图4示出了根据一些实施例的实例装置，其中包括在一个芯片401上的几个RF子系统可操作地连接到一个数字BB芯片405。

在一些实施例中，包括在各个芯片上的几个子系统，诸如图2和3的芯片201和301，可可操作地连接到单个系统中。

每个RF子系统可例如是结合图2和3所描述的芯片301或201。

数字BB芯片可例如是结合图3所描述的数字BB芯片305。

每个RF子系统包括在一些实施例中可连接到芯片401的联合输出端子401a的信号路径。

在一些实施例中，联合输出端子401a也可是输入端子。在一些实施例中，芯片401可包括至少一个输出端子401a和至少一个输入端子。

在一些实施例中，RF子系统的每个信号路径可连接到芯片401上包括的单独的输出和/或输入端子。

通常在现有技术中，功率放大器被设计为高性能工艺以最大化性能和功耗。RF部分通常采用中间CMOS工艺设计，而BB采用最新可用的CMOS工艺技术设计。实现这种划分通常是复杂且昂贵的。

RF子系统的架构因此也是成本有效的，因为类似的集成工艺，诸如集成功率放大器和IQ调制器，可在相同的集成工艺中执行。

具有根据一些实施例的具有单独信号路径的多个RF子系统也实现了相对于现有技术的改进的可扩展性。此外还增加了灵活性，因为芯片401的架构可通过添加或移除RF子系统而容易地改变。

在一些实施例中，RF子系统也可被布置成簇，或者它们可散布在芯片401上。

根据一些实施例，多个RF子系统可实现复杂的MIMO系统，因为可在单个芯片上实现几个收发器天线。RF子系统可被定位成使得不同信号之间的干扰可保持最小。

在一些实施例中，RF子系统中的一个或多个可被关闭或以其他方式断开，以便减少收发器的功耗和/或减轻信号之间的干扰。

此外，BB芯片405和芯片401之间的接口具有低频率，这是由于接收信号在进入BB芯片405之前被下变频，并且在离开BB芯片405之后发送信号被上变频。接口的低频率进一步使得能够使用多个天线接收或发送信号，因为信号需要较少的频率带宽。

实施例可出现在包括根据任何实施例的电路/逻辑的电子装置(诸如无线通信设备)内。例如，电子装置可以是便携式或手持式移动无线电通信设备、移动无线电终端、移动电话、基站、通信器、电子组织器、智能电话、计算机、笔记本或移动游戏设备。

在此已经参考了各种实施例。然而，本领域技术人员将认识到所描述的实施方式的多种变化，其仍然落入权利要求的范围内。

例如，应该注意的是，在实施例的描述中，功能块到特定单元的划分决不是限制性的。相反，这些分区仅仅是实例。本文描述为一个单元的功能块可被分成两个或更多个单元。以相同的方式，本文描述为被实现为两个或更多个单元的功能块可被实现为单个单元而不脱离权利要求的范围。

因此，应该理解的是，所描述的实施例的细节仅仅是为了说明的目的，决不是限制性的。相反，落入权利要求范围内的所有变化都被包含在其中。