Consejos para el diseño de antenas MIMO y el diseño de PCB

Zachariah Peterson
|  Creado: October 29, 2020  |  Actualizado: September 14, 2022
Diseño de antena WiFi MIMO de largo alcance

Con la llegada de 5G, de cada vez más escuchamos el término MIMO (entrada múltiple, salida múltiple), pero este término y esta tecnología existen desde hace mucho tiempo. El origen del término MIMO se remonta a trabajos de investigación de la década de los 70, pero se requirió un importante trabajo de desarrollo antes de que la tecnología pudiera comercializarse. Recientemente, MIMO ha permitido el aumento drástico de los servicios inalámbricos directos a los consumidores y en las oficinas.

Si diseñas productos de RF para respaldar infraestructuras de telecomunicaciones o redes, es probable que tengas que concebirlos para que sean compatibles con MIMO. Parte de esto es una tarea de selección de componentes, ya que necesitas seleccionar un conjunto de circuitos integrados (CI) de transceptor/conversión de banda base para brindar compatibilidad con MIMO. La otra parte es una tarea de diseño para admitir las múltiples antenas necesarias en MIMO.

¿Qué es la tecnología MIMO?

La tecnología MIMO (múltiple entrada, múltiple salida) admite el uso de diversas transmisiones de datos que se envían entre un dispositivo transmisor y un dispositivo receptor. Cuando dos dispositivos compatibles con la tecnología MIMO están conectados, se pueden realizar múltiples transmisiones de datos entre ellos, en paralelo y dentro del mismo canal. De este modo, se incrementa el rendimiento sin ocupar bandas de frecuencia adicionales.

La mayoría de los smartphones admiten antenas MIMO móviles 4x4 (4 antenas Tx y 4 Rx en cada extremo del enlace), lo que significa que se pueden utilizar 4 canales para transmitir y recibir datos. Nuevas investigaciones en los últimos meses han estudiado el uso de MIMO en teléfonos con 8 antenas, que pueden tener múltiples frecuencias de resonancia. Echa un vistazo a este artículo de MDPI que presenta un diseño MIMO de banda ancha 8x8 interesante, y este artículo de IEEE que presenta un diseño de 4 antenas MIMO de banda dual.

Diseño de antena MIMO de GHz
Ejemplo de matriz de antena 2x2 para MIMO de 28 GHz [Fuente: IEEE]

Hay diferentes tipos de MIMO, que básicamente dependen de la cantidad de usuarios que reciben datos de un transmisor MIMO. MIMO de un solo usuario (SU-MIMO) y MIMO de múltiples usuarios (MU-MIMO) consisten en, como sus nombres indican, sistemas en los que uno o varios usuarios aprovechan los recursos MIMO disponibles para recibir datos.

Con la tecnología 5G, MIMO adquiere una nueva dimensión, con estaciones base que utilizan MIMO masivo para servir a un gran número de suscriptores y dispositivos inteligentes. Las torres actuales simplemente no pueden acomodar la cantidad de antenas requeridas para dar cobertura al MIMO masivo. Esta es una de las razones por las que se prevé que el número de torres para las redes 5G alcance los 10 millones.

Diseño de antenas MIMO en una PCB

Diseñar una PCB para que admita MIMO consiste en incorporar múltiples antenas en la placa. Tanto si estás diseñando un punto de acceso WiFi como un nuevo smartphone, hay algunas tareas básicas que debes tener en cuenta a la hora de diseñar múltiples antenas en tu PCB. Estas son:

El diseño de la antena

Las antenas utilizadas en el dispositivo deben estar diseñadas para adaptarse a la frecuencia y al ancho de banda deseados. Optar por una antena de ranura o de bucle puede proporcionar un mayor ancho de banda, permitiendo la compatibilidad con un conjunto más diverso de transmisiones de datos. Se pueden utilizar antenas omnidireccionales y, si es necesario, se puede lograr la formación de haces tratando el grupo como un conjunto en fase.

Muchas de las opciones de diseño de antena MIMO experimental actuales para teléfonos/productos IoT se imprimen directamente en la PCB. Algunos ejemplos son las antenas de bucle, las antenas de parche, las antenas de parche con alimentación central, las antenas en F invertida o cualquier otro diseño que proporcione una alta ganancia/eficiencia. Para sistemas más grandes, será necesario enviar múltiples líneas de alimentación a un radomo externo para conectarse a las antenas.

Diversidad de antenas

Se debe elegir un método para ofrecer diversidad de antenas. Estos métodos incluyen la formación de haces, la codificación de la polarización o la multiplexación espacial. La formación de haces sigue el procedimiento típico con diseño de conjunto en fase y un interruptor de antena de RF (ya sea dentro del transceptor de RF o como su propio circuito integrado). La codificación de la polarización es un método sólido y fácil de aplicar, solo hay que girar la antena. Por último, la multiplexación espacial es como si la formación de haces tomara esteroides; es más compleja, pero puede maximizar el rendimiento de los datos para un solo usuario.

Formación de haces en el diseño de antena MIMO
Esquemas de formación de haces analógicos y digitales en el diseño de antenas MIMO. Como alternativa, se podrían sustituir los desfasadores por un conmutador de RF.

Ubicación de la antena

Las antenas deben estar correctamente colocadas, enrutadas, tener acoplada la impedancia y estar conectadas a tierra. Este es el trabajo principal del diseñador de PCB y depende de cosas como el apilamiento, la selección/colocación de componentes, la estrategia de conexión a tierra o el enrutamiento. Las antenas se colocan normalmente en el borde de la placa para separarlas lo máximo posible de los componentes digitales. La ubicación también determinará la estrategia de conexión a tierra, que debe diseñarse de manera que las rutas de retorno digitales no pasen cerca de los componentes analógicos.

Aislamiento de las antenas

Las antenas de un sistema con capacidad MIMO deben estar aisladas entre sí y de otros bloques de circuitos. El objetivo de diseño típico es al menos 20 dB de aislamiento entre las líneas de antena (definidos como la pérdida de inserción entre dos líneas de antena).

Hay varias formas de hacer esto. El método sencillo consiste en colocar blindajes. Algunos circuitos integrados de banda base de radio ya se encuentran bajo algún tipo de blindaje para suprimir el ruido radiado de los circuitos digitales u otros componentes analógicos. Un método más sofisticado, más allá de las vías/pistas de guardia, es el uso de estructuras de bandas electromagnéticas, que son preferibles para sistemas de mayor frecuencia. También se recomienda el enrutamiento por guía de ondas coplanar o por línea de banda.

Diseño de antena MIMO con guía de onda integrada de sustrato
Ejemplo de antena MIMO de 4 elementos con enrutamiento de guía de onda integrada de sustrato para un aislamiento alto. [Fuente: IEEE]

La diafonía es el factor principal a considerar aquí, ya que no es deseable que la señal de una línea de antena corrompa la señal de una línea cercana, especialmente porque estas señales analógicas no están en fase. Esto resalta la necesidad de aislamiento entre las líneas de antena de una PCB compatible con MIMO.

Independientemente de lo que tengas que diseñar, la calculadora de campos 3D integrada de Simberian en Altium Designer® puede ayudarte a determinar la impedancia y el retraso de propagación en la disposición de tu PCB para el diseño de antena MIMO. También existen herramientas de simulación para tener en cuenta los efectos de la integridad de la señal en la placa.

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Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson tiene una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Actualmente brinda servicios de investigación, diseño y marketing a empresas de la industria electrónica. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland y realizó investigaciones sobre la teoría, los materiales y la estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas de láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sensores ambientales y estocástica. Su trabajo ha sido publicado en más de una docena de revistas revisadas por pares y actas de congresos, y ha escrito más de 1000 blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Es miembro de IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society y Printed Circuit Engineering Association (PCEA), y anteriormente se desempeñó en el Comité Asesor Técnico de Computación Cuántica de INCITS.

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