MIMO 天線(xiàn)設計和 PCB 布局技巧

• 什么是 MIMO？

• 帶有倒裝芯片收發(fā)器的示例 MIMO 陣列

• MIMO 是如何實(shí)現的

• PCB 中的 MIMO 天線(xiàn)設計

• 天線(xiàn)波束形成方法

隨著(zhù) 5G 的宣傳越來(lái)越多，多輸入多輸出 (MIMO) 已成為一個(gè)更流行的術(shù)語(yǔ)，但這個(gè)術(shù)語(yǔ)和技術(shù)已經(jīng)存在了一段時(shí)間。MIMO 的歷史可以追溯到 70 年代的研究論文，在技術(shù)商業(yè)化之前需要進(jìn)行重大開(kāi)發(fā)。最近，直接面向消費者和辦公室的無(wú)線(xiàn)服務(wù)急劇增加，這得益于 MIMO。

如果您正在設計 RF 產(chǎn)品以支持電信或網(wǎng)絡(luò )基礎設施，那么您可能需要設計您的產(chǎn)品以支持 MIMO。其中一部分是組件選擇任務(wù)，因為您需要選擇一組基帶收發(fā)器/轉換 IC 來(lái)支持 MIMO。另一部分是布局任務(wù)，以支持 MIMO 中所需的多個(gè)天線(xiàn)。

多輸入多輸出 (MIMO) 支持使用在傳輸設備和接收設備之間發(fā)送的多個(gè)數據流。當連接兩個(gè)支持 MIMO 的設備時(shí)，可以在同一通道內在它們之間并行傳輸多個(gè)數據流。這有效地增加了吞吐量而不占用額外的頻帶。

大多數基于 MIMO 的系統（包括智能手機）都包含一個(gè)天線(xiàn)陣列，可在多個(gè)通道上提供高度定向****。例如，下圖所示的 4x4 蜂窩 MIMO 陣列（4 個(gè) Tx 和 Rx 天線(xiàn)）于 2018 年底在 iPhone 中使用。在此示例中，4 個(gè)通道用于傳輸和接收數據。后來(lái)的研究集中在具有 8 個(gè)天線(xiàn)的手機中使用 MIMO，這些天線(xiàn)可能具有多個(gè)諧振頻率以實(shí)現寬帶操作?？梢栽谙旅嬲业絻善纠恼拢?/p>

查看下面的文章，了解一些示例 MIMO 天線(xiàn)設計：

• 李，R.，等?！耙环N用于5G移動(dòng)終端的薄型高隔離MIMO天線(xiàn)?！?nbsp;微型機械 11，#4 (2020)：360。

• 丁，Z.，等?！坝糜?5G 智能手機應用的八端口雙頻天線(xiàn)陣列?！?2018年海峽兩岸四方無(wú)線(xiàn)電科學(xué)與無(wú)線(xiàn)技術(shù)會(huì )議 (CSQRWC)，第 1-2 頁(yè)。IEEE，2018 年。

下圖顯示了帶有 4x8 天線(xiàn)陣列的示例 MIMO 天線(xiàn)概念。該陣列由電路板背面的一組收發(fā)器饋送，其中芯片形成一對 2x2 收發(fā)器陣列。換句話(huà)說(shuō)，每個(gè)芯片都覆蓋一個(gè) 4x4 陣列（4 個(gè) Rx 和 4 個(gè) Tx）。這些陣列使用通孔通過(guò)電路板的背面饋電，如果構造正確，可以將毫米波信號傳遞到負載。

• Kibaroglu, K., 等人?！耙环N基于 2x2 波束形成器倒裝芯片單元的低成本可擴展 32 元件 28 GHz 相控陣收發(fā)器，用于 5G 通信鏈路?！?nbsp;IEEE 固態(tài)電路雜志 53，#5 (2018)：第 1260-1274 頁(yè)。

使用支持 28 GHz 無(wú)線(xiàn)通信的 2x2 天線(xiàn)收發(fā)器饋送的 4x8 MIMO 天線(xiàn)陣列示例 [來(lái)源：IEEE ]

有不同類(lèi)型的 MIMO，它基本上是指從 MIMO ****機接收數據的用戶(hù)數量。單用戶(hù) MIMO (SU-MIMO) 和多用戶(hù) MIMO (MU-MIMO) 顧名思義，單個(gè)或多個(gè)用戶(hù)利用可用的 MIMO 資源來(lái)接收數據。5G 將 MIMO 提升到一個(gè)新的水平，****采用大規模 MIMO 為大量用戶(hù)和智能設備提供服務(wù)。當前的塔根本無(wú)法滿(mǎn)足支持大規模 MIMO 所需的天線(xiàn)數量，這是 5G 網(wǎng)絡(luò )的塔數預計將達到約 1000 萬(wàn)個(gè)的原因之一。

• 詳細了解支持 MIMO 的天線(xiàn)陣列類(lèi)型

MIMO 是如何在這些陣列中實(shí)現的？答案在于三大類(lèi)多路復用方法：

• 空間多路復用：這包括在子陣列中使用波束成形的許多方法，使得天線(xiàn)的子組僅在一個(gè)方向上****/接收，即在信道的另一端只有一個(gè)設備。另一種可能性是多個(gè)流

• 時(shí)分復用 (TDM)：這種較舊的方法涉及在不同的時(shí)間窗口中向不同的頻道廣播。實(shí)現起來(lái)非常簡(jiǎn)單，因為它只需要將不同的數據流排隊到固定的時(shí)間窗口中，但這會(huì )降低吞吐量，因為除非在空間上多路復用到不同的陣列中，否則不會(huì )同時(shí)廣播頻道。

• 頻分復用 (FDM)：這涉及在一個(gè)信道內通過(guò)不同頻率廣播不同的數據流。FDM 使用的最常見(jiàn)示例是在電視和無(wú)線(xiàn)電廣播中，其中通過(guò)多路分解和使信號通過(guò)濾波器來(lái)從接收到的信號中提取目標頻率。

今天，我們將這些方法與相控陣中的 breamforming 相結合，以在多個(gè)數據流中提供數據的定向傳輸。在 5G 中，波束成形被用來(lái)克服更高頻率的更高損耗，但它與空間復用到子陣列和正交頻分復用相結合，以將不同的信道發(fā)送到不同的用戶(hù)。所有這些都被時(shí)間復用到不同的時(shí)間窗口中。

使用天線(xiàn)陣列向多個(gè)用戶(hù)進(jìn)行波束成形的圖示。編碼器在所有天線(xiàn)的多個(gè)通道中廣播，但每個(gè)通道的相位和振幅都是混合的。這允許以不同頻率向多個(gè)用戶(hù)定向傳輸數據。

實(shí)現 MIMO 功能的設備變得越來(lái)越小，數字部分被封裝到與射頻部分相同的電路板或組件中。在這些帶有 MIMO 天線(xiàn)陣列的設備中，結果是陣列可以直接****到您的數字部分，并對低電平數字線(xiàn)路產(chǎn)生明顯的干擾。您可能接收到的噪音量取決于：

• 廣播波束的方向

• 將天線(xiàn)放置在數字互連附近

• 天線(xiàn)陣列周?chē)鷮?shí)施的任何隔離

支持 MIMO 的系統中使用的波束形成方法可以是數字的、模擬的或混合的。模擬波束成形遵循相控陣布局和相移收發(fā)器的典型程序，而數字波束成形消除了 PCB 中布局和布線(xiàn)的一些復雜性?；旌喜ㄊ尚慰捎糜趯⒛M廣播與數字預編碼混合，從而減少處理負荷并使 PCB 布局更容易。這些方法也可以在垂直偏振方向上實(shí)施，因此您可以有效地使設備的數據吞吐量翻倍。

MIMO 天線(xiàn)設計中的模擬和數字波束成形方案。

這些方法（或混合波束成形）中的任何一種都可能導致輻射被****到 PCB 的數字部分，然后它可以被接收并被視為互連中的串擾。

其他組件周?chē)奶炀€(xiàn)放置是 PCB 設計人員的主要領(lǐng)域，它取決于疊層、組件選擇/放置、接地策略和布線(xiàn)等因素。天線(xiàn)通常放置在板的邊緣，以盡可能地將它們與數字組件分開(kāi)，或者數字部分的主要部分將放置在不同的板上。當天線(xiàn)廣播時(shí)，放置也可能導致串擾，如下面的視頻片段所述。

通常我們只關(guān)心模擬通道中的數字串擾，但也可能發(fā)生相反的情況；最著(zhù)名的例子是出現在數字通道上的開(kāi)關(guān)穩壓器噪聲。在下圖中，一個(gè)大型相控陣沿著(zhù) 5G 手機電路板的邊緣放置。隨著(zhù)光束角傾斜更接近電路板表面，我們可以在附近的數字通道中看到非常清晰的串擾，如眼圖所示。結果是沿上升沿的方差更大（抖動(dòng)更大）并且每個(gè)信號電平的噪聲更多，從而導致更大的誤碼率。

支持 MIMO 的系統中的天線(xiàn)需要相互隔離，也需要與其他電路塊隔離。典型的設計目標是天線(xiàn)饋線(xiàn)之間至少有 20 dB 的隔離度（定義為兩條天線(xiàn)線(xiàn)路之間的插入損耗）。串擾是這里的主要因素，因為您不希望一根天線(xiàn)線(xiàn)路中的信號被相鄰線(xiàn)路中的信號破壞，特別是因為這些模擬信號需要特定的相位關(guān)系才能進(jìn)行精確的波束成形。

有多種方法可以做到這一點(diǎn)。窮人的方法是放置屏蔽罐；一些無(wú)線(xiàn)電基帶 IC 已經(jīng)處于某種屏蔽之下，以抑制來(lái)自數字電路或其他模擬組件的輻射噪聲。除了防護過(guò)孔/跡線(xiàn)之外，一種更復雜的方法是使用電磁帶隙結構，這對于更高頻率的系統是可取的。共面波導或帶狀線(xiàn)布線(xiàn)也是首選。

下面的示例顯示了實(shí)現標準 4 元件天線(xiàn)系統的一種選擇，但使用基板集成波導而不是雷達中通常使用的共面波導。想要擴展到 >300-400 個(gè)虛擬元件的雷達系統開(kāi)始采用這種類(lèi)型的天線(xiàn)陣列來(lái)提供更多的天線(xiàn)數量，這將提供適合成像的更高分辨率。您可以在以下文章中了解這種類(lèi)型的天線(xiàn)：

• Zhai, G., Zhi, NC 和 Xianming Q?！笆褂媚⒐降母綦x增強型四元件 MIMO 天線(xiàn)系統”。2015年 IEEE 第四屆亞太天線(xiàn)與傳播會(huì )議 (APCAP)，第 16-17 頁(yè)。IEEE，2015 年。

具有用于高隔離度的基板集成波導路由的4 元件 MIMO 天線(xiàn)示例。[來(lái)源：IEEE ]