Was ist MIMO und wie designen Sie eine MIMO-Antenne auf Ihrer Leiterplatte?

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) ist mit der zunehmenden Bekanntheit von 5G zu einem immer beliebteren Begriff geworden. Ihn und die Technologie gibt es jedoch schon eine ganze Weile. MIMO hat seinen Ursprung in Forschungsarbeiten aus den 1970er Jahren. Es waren allerdings erhebliche Weiterentwicklungen erforderlich, bevor die Technologie vermarktet werden konnte. Die enorme Zunahme direkter Drahtlosdienste an Verbraucher und in Büros wurde erst durch MIMO ermöglicht.

Wenn Sie HF-Produkte zur Unterstützung von Telekommunikations- oder Netzwerkinfrastrukturen entwickeln, müssen Sie Ihr Produkt wahrscheinlich so designen, dass es MIMO unterstützt. Hierbei handelt es sich um eine Aufgabe der Komponentenauswahl, da Sie zur Unterstützung von MIMO einen Satz ICs für Basisband-Sender/Konversion auswählen müssen. Außerdem ist es Aufgabe des Layouts, die für MIMO erforderlichen Mehrfachantennen zu unterstützen.

Was ist MIMO?

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) unterstützt die Verwendung mehrerer Datenströme, die zwischen einem Sender- und einem Empfängergerät gesendet werden. Wenn zwei MIMO-fähige Geräte miteinander verbunden sind, können mehrere Datenströme parallel auf demselben Kanal übertragen werden. Dies erhöht effektiv den Durchsatz, ohne dass zusätzliche Frequenzbänder eingenommen werden.

Die meisten Smartphones unterstützen 4x4-Mobilfunk-MIMO (vier Tx- und Rx-Antennen an jedem Ende der Verbindung). Es können also vier Kanäle zum Senden und Empfangen von Daten verwendet werden. Neue Forschungsergebnisse in den letzten Monaten haben sich mit dem Einsatz von MIMO in Mobiltelefonen mit 8 Antennen befasst, die mehrere Resonanzfrequenzen haben können. In diesem MDPI-Artikel finden Sie ein interessantes 8x8-Breitband-MIMO-Design und in diesem IEEE-Artikel ein 4-Dualband-MIMO-Antennendesign.

Es gibt verschiedene Arten von MIMO, die sich im Grunde auf die Anzahl der Benutzer beziehen, die Daten von einem MIMO-Sender erhalten. Bei Single-User-MIMO (SU-MIMO) und Multi-User-MIMO (MU-MIMO) nutzen, gemäß den Bezeichnungen, ein einzelner bzw. mehrere Benutzer die verfügbaren MIMO-Ressourcen für den Datenempfang. 5G hebt MIMO auf ein neues Level. Hier nutzen die Basisstationen massenhaft MIMO, um eine große Anzahl von Teilnehmern und intelligenten Geräten zu bedienen. Aktuell können die Türme jedoch nicht genug Antennen tragen, um massenhaft MIMO zu unterstützen. Das ist ein Grund, warum für 5G-Netzwerke voraussichtlich ca. 10 Millionen Türme benötigt werden.

MIMO-Antennen auf Ihrer Leiterplatte designen

Beim Design Ihrer Leiterplatte zur Unterstützung von MIMO geht es darum, mehrere MIMO-Antennen in Ihre Leiterplatte zu integrieren. Unabhängig davon, ob Sie einen MIMO für einen WLAN-Hotspot oder ein neues Smartphone entwerfen – es gibt einige grundlegende Aufgaben, die beim Design mehrerer Antennen auf Ihrer Leiterplatte berücksichtigt werden müssen. Diese sind:

Design der MIMO-Antenne

Die im Gerät verwendeten Antennen müssen für die gewünschte Frequenz und Bandbreite ausgelegt sein. Die Entscheidung für eine Schlitz- oder Schleifenantenne kann eine höhere Bandbreite bieten, was möglicherweise die Kompatibilität mit einer größeren Anzahl von Datenströmen ermöglicht. Es können Rundstrahlantennen verwendet werden, und bei Bedarf kann durch den Betrieb der Gruppe als Phased-Array-Antenne immer noch Beamforming vorgenommen werden.

Viele der aktuellen experimentellen MIMO-Antennendesigns für Mobiltelefone/IoT-Produkte werden direkt auf die Leiterplatte gedruckt. Dazu gehören zum Beispiel Schleifenantennen, Patchantennen, zentral gespeiste Patchantennen, invertierte F-Antennen oder andere Designs, die eine hohe Verstärkung/Effizienz bieten. Bei größeren Systemen müssen mehrere Versorgungsleitungen an ein externes Radom gesendet werden, um eine Verbindung mit den Antennen herzustellen.

Antennendiversität

Es wird eine Methode benötigt, um die Antennendiversität zu gewährleisten. Zu diesen Methoden gehören Beamforming, Polarisationscodierung oder das Raummultiplexverfahren. Beamforming entspricht dem typischen Verfahren mit Phased-Array-Anordnung und einem HF-Antennenschalter (entweder innerhalb des HF-Transceivers oder als eigene IC). Die Polarisationscodierung ist eine robuste Methode, die durch einfaches Drehen der Antenne leicht zu implementieren ist. Das Raummultiplexverfahren ist schließlich wie noch stärkeres Beamforming; es ist komplexer, aber es kann den Datendurchsatz für einen einzelnen Benutzer maximieren.

Antennenplatzierung

Die Antennen müssen richtig platziert, verlegt, widerstandsangepasst und geerdet sein. Das ist die primäre Aufgabe des Leiterplattendesigners, und sie hängt von Faktoren wie Lagenaufbau, Komponentenauswahl/-platzierung, Erdungsstrategie und Routing ab. Antennen werden normalerweise am Rand der Platine platziert, um sie möglichst weit entfernt von den digitalen Komponenten anzuordnen. Die Platzierung bestimmt auch die Erdungsstrategie, die so angelegt sein sollte, dass digitale Rückwege nicht in der Nähe analoger Komponenten verlaufen.

Antennenisolierung

Die Antennen in einem MIMO-fähigen System müssen sowohl voneinander als auch von anderen Schaltungsblöcken isoliert werden. Das typische Designziel ist eine Isolierung von mindestens 20 dB zwischen den Antennenleitungen (definiert als Einfügeverlust zwischen zwei Antennenleitungen).

Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten. Die einfachere Methode ist die Platzierung von Abschirmdosen; einige Funk-Basisband-ICs sind bereits zu einem gewissen Grad abgeschirmt, um das von digitalen Schaltungen oder anderen analogen Komponenten abgestrahlte Rauschen zu unterdrücken. Eine fortschrittlichere Methode, die über Schutzvias/-leiterbahnen hinausgeht, ist die Verwendung von elektromagnetischen Bangap-Strukturen. Diese werden für Systeme mit höherer Frequenz empfohlen. Bevorzugt werden auch koplanare Wellenleiter- oder Streifenleitungsroutings.

Crosstalk ist hier der wichtigste Faktor, da das Signal in einer Antennenleitung nicht durch ein Signal in einer benachbarten Leitung verfälscht werden soll, insbesondere da diese analogen Signale nicht phasengleich sind. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer Isolierung zwischen den Antennenleitungen in Ihrer MIMO-fähigen Leiterplatte.

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