MIMO天线设计与PCB布局技巧

随着5G技术的日益公开化，多输入多输出（MIMO）这一术语变得越来越流行，但这个术语和技术已经存在一段时间了。MIMO的研究可以追溯到1970年代的研究论文，而在这项技术能够商业化之前，需要进行大量的开发。最近，无线服务直接面向消费者和办公室的急剧增加得益于MIMO。

如果您正在设计RF产品以支持电信或网络基础设施，那么您可能需要设计产品以支持MIMO。其中一部分是组件选择任务，因为您需要选择一套基带收发器/转换IC来支持MIMO。另一部分是布局任务，以支持MIMO所需的多个天线。

MIMO是什么？

多输入多输出（MIMO）支持在发送设备和接收设备之间发送多个数据流。当两个支持MIMO的设备连接时，可以在同一频道内并行传输多个数据流。这有效地增加了吞吐量，而不需要占用额外的频段。

大多数基于MIMO的系统（包括智能手机）都包括一个天线阵列，该阵列能够在多个频道上提供高度定向的发射。例如，下面展示的4x4蜂窝MIMO阵列（4个发送和接收天线）在2018年末被用于iPhone。在这个例子中，4个频道被用来传输和接收数据。后来的研究集中在使用具有8个天线的MIMO在手机上，这些天线可能具有多个共振频率以实现宽带操作。下面可以找到两篇示例文章：

查看下面的文章了解一些MIMO天线设计的例子：

• Li, R., 等. "一种用于5G移动终端的低剖面和高隔离MIMO天线。" Micromachines 11, #4 (2020): 360。
• Ding, Z., 等. "一种用于5G智能手机应用的八端口双频天线阵列。" 在 2018 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference (CSQRWC), 页码 1-2. IEEE, 2018。

带有翻转芯片收发器的MIMO阵列示例

下图展示了一个具有4x8天线阵列的MIMO天线概念示例。这个阵列通过板子背面的一组收发器进行供电，其中芯片形成了一对2x2的收发器阵列。换句话说，每个芯片各自覆盖一个4x4的阵列（4个接收和4个发送）。这些阵列通过板子背面的通孔过孔供电，如果构造得当，可以传递毫米波信号到负载。

• 基巴罗格鲁，K.等。“基于2x2波束形成器翻转芯片单元的低成本可扩展的32元素28-GHz相控阵收发器，用于5G通信链路。”IEEE固态电路杂志 53，#5 (2018)：第1260-1274页。

MIMO有不同的类型，基本上指的是接收MIMO发射器数据的用户数量。单用户MIMO（SU-MIMO）和多用户MIMO（MU-MIMO）正如其名称所描述，单个或多个用户利用可用的MIMO资源接收数据。5G将MIMO提升到一个新的水平，基站采用大规模MIMO来服务大量的订阅者和智能设备。当前的塔无法安装所需数量的天线来支持大规模MIMO，这是5G网络的塔数量预计达到约1000万的原因之一。

• 了解更多关于支持MIMO的天线阵列类型

MIMO的实现方式

MIMO在这些阵列中是如何实现的？答案在于三大类复用方法：

• 空间复用：这包括许多方法。波束成形在子阵列中使用，使得天线的一个子组只在一个方向上进行传输/接收，即，只与信道另一端的单个设备通信。另一种可能是多个流
• 时分复用（TDM）：这种较旧的方法涉及在不同的时间窗口向不同的频道广播。它实现起来非常简单，因为它只需要将不同的数据流排队到固定的时间窗口中，但这降低了吞吐量，因为除非也在不同的阵列中进行空间复用，否则频道不会同时广播。
• 频分复用（FDM）：这涉及在一个信道内的不同频率上广播不同的数据流。FDM使用的最常见例子是在电视和广播中，目标频率通过解复用从接收到的信号中提取出来，并通过滤波器传递信号。

今天，我们结合使用这些方法和相控阵中的波束成形技术，以在多个数据流中提供方向性的数据传输。在5G中，波束成形被用来克服更高频率下的更高损耗，但它与空间复用结合在子阵列中，并且与正交频分复用技术结合，向不同的用户发送不同的频道。所有这些都被时间复用到不同的时间窗口中。

在您的PCB中进行MIMO天线设计

实现MIMO功能的设备变得更小，数字部分被打包进与射频部分相同的板或组件中。在这些带有MIMO天线阵列的设备中，结果是该阵列可能会直接向您的数字部分发射，并在低电平数字线上产生明显的干扰。您可能会收到的噪声量取决于：

• 广播波束的方向
• 天线靠近数字互连的放置位置
• 围绕天线阵列实施的任何隔离

天线波束成形方法

在MIMO能力系统中使用的波束成形方法可以是数字的、模拟的或混合的。模拟波束成形遵循典型的流程，采用相控阵列布局和相移变频器，而数字波束成形则消除了PCB布局和布线中的一些复杂性。混合波束成形可以用来将模拟广播与数字预编码混合，这减少了处理负载并使PCB布局相对更简单。这些方法也可能在垂直极化方向上实施，因此你实际上可以将设备的数据吞吐量翻倍。

这些方法中的任何一种（或混合波束成形）都可能导致辐射向PCB的数字部分发射，那里它可能被接收并被视为互连中的串扰。

天线放置

天线在其他组件周围的放置是PCB设计师的主要领域，它取决于诸如堆叠、组件选择/放置、接地策略和布线等因素。天线通常放置在板边缘，以尽可能将它们与数字组件分开，或者将数字部分的主要部分放置在不同的板上。如下面的视频片段所概述的，放置也可能在天线广播时导致串扰。

通常我们只关注数字信号对模拟通道的串扰，但反向串扰也是可能发生的；最著名的例子是开关调节器噪声出现在数字通道上。在下面的图片中，一个大型相控阵被放置在5G手机的板边缘。当波束角度更接近板面时，我们可以在附近的数字通道中看到非常清晰的串扰，如眼图所示。结果是上升沿的变异性增加（更多的抖动）和每个信号级别的噪声增加，导致更大的比特错误率。

感谢Ansys的Juliano Mologni提供这张出色的图形。

在MIMO能力系统中的天线需要彼此隔离，也需要与其他电路块隔离。典型的设计目标是天线馈线之间至少有20 dB的隔离（定义为两个天线线之间的插入损失）。串扰是这里的主要因素，因为你不希望一个天线线上的信号被邻近线上的信号干扰，特别是因为这些模拟信号需要特定的相位关系以实现准确的波束成形。

有许多方法可以做到这一点。较简单的方法是放置屏蔽罩；一些无线电基带IC已经位于某些屏蔽之下，以抑制来自数字电路或其他模拟组件的辐射噪声。一种更为复杂的方法，超出了保护通孔/走线的使用，是使用电磁带隙结构，这对于高频系统来说是可取的。共面波导或带状线路也是首选。

下面的示例展示了一种实现标准4元天线系统的选项，但使用了基片集成波导而不是通常在雷达中使用的共面波导。希望扩展到>300-400虚拟元素的雷达系统开始采用这种类型的天线阵列，以提供更高的天线数量，这将提供更高的分辨率，适用于成像。您可以在以下文章中阅读有关这种天线的信息：

• Zhai, G., Zhi, N. C., 和 Xianming Q. "使用蘑菇型结构增强隔离的四元MIMO天线系统。" 在2015 IEEE 第四届亚太天线与传播会议(APCAP)，第16-17页。IEEE，2015。

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