• 什么是 MIMO？

• 帶有倒裝芯片收發(fā)器的示例 MIMO 陣列

• MIMO 是如何實現(xiàn)的

• PCB 中的 MIMO 天線設(shè)計

• 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) 已成為一個更流行的術(shù)語，但這個術(shù)語和技術(shù)已經(jīng)存在了一段時間。MIMO 的歷史可以追溯到 70 年代的研究論文，在技術(shù)商業(yè)化之前需要進行重大開發(fā)。最近，直接面向消費者和辦公室的無線服務(wù)急劇增加，這得益于 MIMO。

如果您正在設(shè)計 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(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)送的多個數(shù)據(jù)流。當(dāng)連接兩個支持 MIMO 的設(shè)備時，可以在同一通道內(nèi)在它們之間并行傳輸多個數(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）都包含一個天線陣列，可在多個通道上提供高度定向****。例如，下圖所示的 4x4 蜂窩 MIMO 陣列（4 個 Tx 和 Rx 天線）于 2018 年底在 iPhone 中使用。在此示例中，4 個通道用于傳輸和接收數(shù)據(jù)。后來的研究集中在具有 8 個天線的手機中使用 MIMO，這些天線可能具有多個諧振頻率以實現(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：

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

• 丁，Z.，等。“用于 5G 智能手機應(yīng)用的八端口雙頻天線陣列。” 2018年海峽兩岸四方無線電科學(xué)與無線技術(shù)會議 (CSQRWC)，第 1-2 頁。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 2x2 收發(fā)器陣列。換句話說，每個芯片都覆蓋一個 4x4 陣列（4 個 Rx 和 4 個 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。

使用支持 28 GHz 無線通信的 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，單個或多個用戶利用可用的 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)計將達到約 1000 萬個的原因之一。

• 詳細了解支持 MIMO 的天線陣列類型

MIMO 是如何在這些陣列中實現(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方向上****/接收，即在信道的另一端只有一個設(shè)備。另一種可能性是多個流

• 時分復(fù)用 (TDM)：這種較舊的方法涉及在不同的時間窗口中向不同的頻道廣播。實現(xiàn)起來非常簡單，因為它只需要將不同的數(shù)據(jù)流排隊到固定的時間窗口中，但這會降低吞吐量，因為除非在空間上多路復(fù)用到不同的陣列中，否則不會同時廣播頻道。

• 頻分復(fù)用 (FDM)：這涉及在一個信道內(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線電廣播中，其中通過多路分解和使信號通過濾波器來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(jié)合，以在多個數(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。所有這些都被時間復(fù)用到不同的時間窗口中。

使用天線陣列向多個用戶進行波束成形的圖示。編碼器在所有天線的多個通道中廣播，但每個通道的相位和振幅都是混合的。這允許以不同頻率向多個用戶定向傳輸數(shù)據(jù)。

實現(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?；旌喜ㄊ尚慰捎糜趯⒛M廣播與數(shù)字預(yù)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，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，一個大型相控陣沿著 5G 手機電路板的邊緣放置。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（抖動更大）并且每個信號電平的噪聲更多，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)計目標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，因為您不希望一根天線線路中的信號被相鄰線路中的信號破壞，特別是因為這些模擬信號需要特定的相位關(guān)系才能進行精確的波束成形。

有多種方法可以做到這一點。窮人的方法是放置屏蔽罐；一些無線電基帶 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現(xiàn)標準 4 元件天線系統(tǒng)的一種選擇，但使用基板集成波導(dǎo)而不是雷達中通常使用的共面波導(dǎo)。想要擴展到 >300-400 個虛擬元件的雷達系統(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?！笆褂媚⒐降母綦x增強型四元件 MIMO 天線系統(tǒng)”。2015年 IEEE 第四屆亞太天線與傳播會議 (APCAP)，第 16-17 頁。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 ]