MIMO 天線設(shè)計(jì)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(xiàn)的

• PCB 中的 MIMO 天線設(shè)計(jì)

• 天線波束形成方法

隨著 5G 的宣傳越來越多，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)行重大開發(fā)。最近，直接面向消費(fèi)者和辦公室的無(wú)線服務(wù)急劇增加，這得益于 MIMO。

如果您正在設(shè)計(jì) RF 產(chǎn)品以支持電信或網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，那么您可能需要設(shè)計(jì)您的產(chǎn)品以支持 MIMO。其中一部分是組件選擇任務(wù)，因?yàn)槟枰x擇一組基帶收發(fā)器/轉(zhuǎn)換 IC 來支持 MIMO。另一部分是布局任務(wù)，以支持 MIMO 中所需的多個(gè)天線。

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

大多數(shù)基于 MIMO 的系統(tǒng)（包括智能手機(jī)）都包含一個(gè)天線陣列，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）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(shù)據(jù)。后來的研究集中在具有 8 個(gè)天線的手機(jī)中使用 MIMO，這些天線可能具有多個(gè)諧振頻率以實(shí)現(xiàn)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 天線設(shè)計(jì)：

• 李，R.，等。“一種用于5G移動(dòng)終端的薄型高隔離MIMO天線。” 微型機(jī)械 11，#4 (2020)：360。

• 丁，Z.，等。“用于 5G 智能手機(jī)應(yīng)用的八端口雙頻天線陣列。” 2018年海峽兩岸四方無(wú)線電科學(xué)與無(wú)線技術(shù)會(huì)議 (CSQRWC)，第 1-2 頁(yè)。IEEE，2018 年。

下圖顯示了帶有 4x8 天線陣列的示例 MIMO 天線概念。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(duì) 2x2 收發(fā)器陣列。換句話說，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電路板的背面饋電，如果構(gòu)造正確，可以將毫米波信號(hào)傳遞到負(fù)載。

• Kibaroglu, K., 等人。“一種基于 2x2 波束形成器倒裝芯片單元的低成本可擴(kuò)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)線通信的 2x2 天線收發(fā)器饋送的 4x8 MIMO 天線陣列示例 [來源：IEEE ]

有不同類型的 MIMO，它基本上是指從 MIMO ****機(jī)接收數(shù)據(jù)的用戶數(shù)量。單用戶 MIMO (SU-MIMO) 和多用戶 MIMO (MU-MIMO) 顧名思義，單個(gè)或多個(gè)用戶利用可用的 MIMO 資源來接收數(shù)據(jù)。5G 將 MIMO 提升到一個(gè)新的水平，****采用大規(guī)模 MIMO 為大量用戶和智能設(shè)備提供服務(wù)。當(dāng)前的塔根本無(wú)法滿足支持大規(guī)模 MIMO 所需的天線數(shù)量，這是 5G 網(wǎng)絡(luò)的塔數(shù)預(yù)計(jì)將達(dá)到約 1000 萬(wàn)個(gè)的原因之一。

• 詳細(xì)了解支持 MIMO 的天線陣列類型

MIMO 是如何在這些陣列中實(shí)現(xiàn)的？答案在于三大類多路復(fù)用方法：

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

• 時(shí)分復(fù)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(xiàn)起來非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樗恍枰獙⒉煌臄?shù)據(jù)流排隊(duì)到固定的時(shí)間窗口中，但這會(huì)降低吞吐量，因?yàn)槌窃诳臻g上多路復(fù)用到不同的陣列中，否則不會(huì)同時(shí)廣播頻道。

• 頻分復(fù)用 (FDM)：這涉及在一個(gè)信道內(nèi)通過不同頻率廣播不同的數(shù)據(jù)流。FDM 使用的最常見示例是在電視和無(wú)線電廣播中，其中通過多路分解和使信號(hào)通過濾波器來從接收到的信號(hào)中提取目標(biāo)頻率。

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

使用天線陣列向多個(gè)用戶進(jìn)行波束成形的圖示。編碼器在所有天線的多個(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)用戶定向傳輸數(shù)據(jù)。

實(shí)現(xiàn) MIMO 功能的設(shè)備變得越來越小，數(shù)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 天線陣列的設(shè)備中，結(jié)果是陣列可以直接****到您的數(shù)字部分，并對(duì)低電平數(shù)字線路產(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

• 將天線放置在數(shù)字互連附近

• 天線陣列周圍實(shí)施的任何隔離

支持 MIMO 的系統(tǒng)中使用的波束形成方法可以是數(shù)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(shù)字波束成形消除了 PCB 中布局和布線的一些復(fù)雜性。混合波束成形可用于將模擬廣播與數(shù)字預(yù)編碼混合，從而減少處理負(fù)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(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐量翻倍。

MIMO 天線設(shè)計(jì)中的模擬和數(shù)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(dǎo)致輻射被****到 PCB 的數(shù)字部分，然后它可以被接收并被視為互連中的串?dāng)_。

其他組件周圍的天線放置是 PCB 設(shè)計(jì)人員的主要領(lǐng)域，它取決于疊層、組件選擇/放置、接地策略和布線等因素。天線通常放置在板的邊緣，以盡可能地將它們與數(shù)字組件分開，或者數(shù)字部分的主要部分將放置在不同的板上。當(dāng)天線廣播時(shí)，放置也可能導(dǎo)致串?dāng)_，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(shù)字串?dāng)_，但也可能發(fā)生相反的情況；最著名的例子是出現(xiàn)在數(shù)字通道上的開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲。在下圖中，一個(gè)大型相控陣沿著 5G 手機(jī)電路板的邊緣放置。隨著光束角傾斜更接近電路板表面，我們可以在附近的數(shù)字通道中看到非常清晰的串?dāng)_，如眼圖所示。結(jié)果是沿上升沿的方差更大（抖動(dòng)更大）并且每個(gè)信號(hào)電平的噪聲更多，從而導(dǎo)致更大的誤碼率。

支持 MIMO 的系統(tǒng)中的天線需要相互隔離，也需要與其他電路塊隔離。典型的設(shè)計(jì)目標(biāo)是天線饋線之間至少有 20 dB 的隔離度（定義為兩條天線線路之間的插入損耗）。串?dāng)_是這里的主要因素，因?yàn)槟幌Ｍ桓炀€線路中的信號(hào)被相鄰線路中的信號(hào)破壞，特別是因?yàn)檫@些模擬信號(hào)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)線電基帶 IC 已經(jīng)處于某種屏蔽之下，以抑制來自數(shù)字電路或其他模擬組件的輻射噪聲。除了防護(hù)過孔/跡線之外，一種更復(fù)雜的方法是使用電磁帶隙結(jié)構(gòu)，這對(duì)于更高頻率的系統(tǒng)是可取的。共面波導(dǎo)或帶狀線布線也是首選。

下面的示例顯示了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn) 4 元件天線系統(tǒng)的一種選擇，但使用基板集成波導(dǎo)而不是雷達(dá)中通常使用的共面波導(dǎo)。想要擴(kuò)展到 >300-400 個(gè)虛擬元件的雷達(dá)系統(tǒng)開始采用這種類型的天線陣列來提供更多的天線數(shù)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型的天線：

• Zhai, G., Zhi, NC 和 Xianming Q。“使用蘑菇的隔離增強(qiáng)型四元件 MIMO 天線系統(tǒng)”。2015年 IEEE 第四屆亞太天線與傳播會(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(dǎo)路由的4 元件 MIMO 天線示例。[來源：IEEE ]