MIMO 天线设计和 PCB 布局技巧

• 什么是 MIMO？

• 带有倒装芯片收发器的示例 MIMO 阵列

• MIMO 是如何实现的

• PCB 中的 MIMO 天线设计

• 天线波束形成方法

随着 5G 的宣传越来越多，多输入多输出 (MIMO) 已成为一个更流行的术语，但这个术语和技术已经存在了一段时间。MIMO 的历史可以追溯到 70 年代的研究论文，在技术商业化之前需要进行重大开发。最近，直接面向消费者和办公室的无线服务急剧增加，这得益于 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您的产品以支持 MIMO。其中一部分是组件选择任务，因为您需要选择一组基带收发器/转换 IC 来支持 MIMO。另一部分是布局任务，以支持 MIMO 中所需的多个天线。

多输入多输出 (MIMO) 支持使用在传输设备和接收设备之间发送的多个数据流。当连接两个支持 MIMO 的设备时，可以在同一通道内在它们之间并行传输多个数据流。这有效地增加了吞吐量而不占用额外的频带。

大多数基于 MIMO 的系统（包括智能手机）都包含一个天线阵列，可在多个通道上提供高度定向****。例如，下图所示的 4x4 蜂窝 MIMO 阵列（4 个 Tx 和 Rx 天线）于 2018 年底在 iPhone 中使用。在此示例中，4 个通道用于传输和接收数据。后来的研究集中在具有 8 个天线的手机中使用 MIMO，这些天线可能具有多个谐振频率以实现宽带操作。可以在下面找到两篇示例文章：

查看下面的文章，了解一些示例 MIMO 天线设计：

• 李，R.，等。“一种用于5G移动终端的薄型高隔离MIMO天线。” 微型机械 11，#4 (2020)：360。

• 丁，Z.，等。“用于 5G 智能手机应用的八端口双频天线阵列。” 2018年海峡两岸四方无线电科学与无线技术会议 (CSQRWC)，第 1-2 页。IEEE，2018 年。

下图显示了带有 4x8 天线阵列的示例 MIMO 天线概念。该阵列由电路板背面的一组收发器馈送，其中芯片形成一对 2x2 收发器阵列。换句话说，每个芯片都覆盖一个 4x4 阵列（4 个 Rx 和 4 个 Tx）。这些阵列使用通孔通过电路板的背面馈电，如果构造正确，可以将毫米波信号传递到负载。

• Kibaroglu, K., 等人。“一种基于 2x2 波束形成器倒装芯片单元的低成本可扩展 32 元件 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。

使用支持 28 GHz 无线通信的 2x2 天线收发器馈送的 4x8 MIMO 天线阵列示例 [来源：IEEE ]

有不同类型的 MIMO，它基本上是指从 MIMO ****机接收数据的用户数量。单用户 MIMO (SU-MIMO) 和多用户 MIMO (MU-MIMO) 顾名思义，单个或多个用户利用可用的 MIMO 资源来接收数据。5G 将 MIMO 提升到一个新的水平，****采用大规模 MIMO 为大量用户和智能设备提供服务。当前的塔根本无法满足支持大规模 MIMO 所需的天线数量，这是 5G 网络的塔数预计将达到约 1000 万个的原因之一。

• 详细了解支持 MIMO 的天线阵列类型

MIMO 是如何在这些阵列中实现的？答案在于三大类多路复用方法：

• 空间多路复用：这包括在子阵列中使用波束成形的许多方法，使得天线的子组仅在一个方向上****/接收，即在信道的另一端只有一个设备。另一种可能性是多个流

• 时分复用 (TDM)：这种较旧的方法涉及在不同的时间窗口中向不同的频道广播。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，但这会降低吞吐量，因为除非在空间上多路复用到不同的阵列中，否则不会同时广播频道。

• 频分复用 (FDM)：这涉及在一个信道内通过不同频率广播不同的数据流。FDM 使用的最常见示例是在电视和无线电广播中，其中通过多路分解和使信号通过滤波器来从接收到的信号中提取目标频率。

今天，我们将这些方法与相控阵中的 breamforming 相结合，以在多个数据流中提供数据的定向传输。在 5G 中，波束成形被用来克服更高频率的更高损耗，但它与空间复用到子阵列和正交频分复用相结合，以将不同的信道发送到不同的用户。所有这些都被时间复用到不同的时间窗口中。

使用天线阵列向多个用户进行波束成形的图示。编码器在所有天线的多个通道中广播，但每个通道的相位和振幅都是混合的。这允许以不同频率向多个用户定向传输数据。

实现 MIMO 功能的设备变得越来越小，数字部分被封装到与射频部分相同的电路板或组件中。在这些带有 MIMO 天线阵列的设备中，结果是阵列可以直接****到您的数字部分，并对低电平数字线路产生明显的干扰。您可能接收到的噪音量取决于：

• 广播波束的方向

• 将天线放置在数字互连附近

• 天线阵列周围实施的任何隔离

支持 MIMO 的系统中使用的波束形成方法可以是数字的、模拟的或混合的。模拟波束成形遵循相控阵布局和相移收发器的典型程序，而数字波束成形消除了 PCB 中布局和布线的一些复杂性。混合波束成形可用于将模拟广播与数字预编码混合，从而减少处理负荷并使 PCB 布局更容易。这些方法也可以在垂直偏振方向上实施，因此您可以有效地使设备的数据吞吐量翻倍。

MIMO 天线设计中的模拟和数字波束成形方案。

这些方法（或混合波束成形）中的任何一种都可能导致辐射被****到 PCB 的数字部分，然后它可以被接收并被视为互连中的串扰。

其他组件周围的天线放置是 PCB 设计人员的主要领域，它取决于叠层、组件选择/放置、接地策略和布线等因素。天线通常放置在板的边缘，以尽可能地将它们与数字组件分开，或者数字部分的主要部分将放置在不同的板上。当天线广播时，放置也可能导致串扰，如下面的视频片段所述。

通常我们只关心模拟通道中的数字串扰，但也可能发生相反的情况；最著名的例子是出现在数字通道上的开关稳压器噪声。在下图中，一个大型相控阵沿着 5G 手机电路板的边缘放置。随着光束角倾斜更接近电路板表面，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。结果是沿上升沿的方差更大（抖动更大）并且每个信号电平的噪声更多，从而导致更大的误码率。

支持 MIMO 的系统中的天线需要相互隔离，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 的隔离度（定义为两条天线线路之间的插入损耗）。串扰是这里的主要因素，因为您不希望一根天线线路中的信号被相邻线路中的信号破坏，特别是因为这些模拟信号需要特定的相位关系才能进行精确的波束成形。

有多种方法可以做到这一点。穷人的方法是放置屏蔽罐；一些无线电基带 IC 已经处于某种屏蔽之下，以抑制来自数字电路或其他模拟组件的辐射噪声。除了防护过孔/迹线之外，一种更复杂的方法是使用电磁带隙结构，这对于更高频率的系统是可取的。共面波导或带状线布线也是首选。

下面的示例显示了实现标准 4 元件天线系统的一种选择，但使用基板集成波导而不是雷达中通常使用的共面波导。想要扩展到 >300-400 个虚拟元件的雷达系统开始采用这种类型的天线阵列来提供更多的天线数量，这将提供适合成像的更高分辨率。您可以在以下文章中了解这种类型的天线：

• Zhai, G., Zhi, NC 和 Xianming Q。“使用蘑菇的隔离增强型四元件 MIMO 天线系统”。2015年 IEEE 第四届亚太天线与传播会议 (APCAP)，第 16-17 页。IEEE，2015 年。

具有用于高隔离度的基板集成波导路由的4 元件 MIMO 天线示例。[来源：IEEE ]