Conseils pour la conception d'antennes MIMO et le routage de PCB

Zachariah Peterson
|  Créé: October 29, 2020  |  Mise à jour: April 26, 2022
Conception d'antennes WiFi MIMO longue portée

Avec l'avènement de la 5G, on entend de plus en plus parler de MIMO (entrées multiples, sorties multiples), mais ce terme et cette technologie existent en fait depuis longtemps. L'origine du terme MIMO remonte à des articles de recherche des années 1970, mais il a fallu effectuer un important travail de développement avant de pouvoir commercialiser cette technologie.

C'est la technologie MIMO qui a permis d'augmenter drastiquement les services sans fil directs auprès des consommateurs et des professionnels ces dernières années.

Si vous concevez des produits RF destinés à des infrastructures de télécommunications ou de réseaux, il y a de fortes chances que vous deviez intégrer la prise en charge de la technologie MIMO dans la conception de votre produit.

Il s'agit en partie d'un travail de sélection de composants, car vous devez sélectionner un ensemble de circuits imprimés d'émetteurs-récepteurs/conversion de bande de base pour prendre en charge la technologie MIMO. L'autre partie est un travail de routage visant à prendre en charge les différentes antennes MIMO.

Qu'est-ce que la technologie MIMO ?

La technologie MIMO (entrées multiples, sorties multiples) permet l'envoi de plusieurs flux de données entre un dispositif de transmission et un dispositif de réception. Lorsque deux dispositifs compatibles avec la technologie MIMO sont connectés, plusieurs flux de données peuvent être transférés entre eux en parallèle au sein d'un même canal. Cela augmente efficacement le débit sans occuper d'autres bandes de fréquence.

La plupart des smartphones prennent en charge la technologie cellulaire MIMO 4x4 (4 antennes d'émission et de réception à chaque extrémité de la liaison), ce qui signifie que 4 canaux peuvent être utilisés pour transmettre et recevoir des données.

Ces derniers mois, de nouvelles recherches ont examiné l'utilisation de la technologie MIMO dans des combinés à 8 antennes, qui peuvent avoir plusieurs fréquences résonnantes. Jetez un œil à cet article du MDPI (en anglais) qui présente une intéressante conception MIMO à large bande de 8x8 et cet article de l'IEEE (en anglais) qui présente une conception d'antenne MIMO à 4 canaux.

Conception d'antennes MIMO GHz
Exemple de réseau d'antennes 2x2 pour MIMO 28 GHz [Source : IEEE]

Il existe différents types de MIMO qui dépendent essentiellement du nombre d'utilisateurs recevant des données d'un émetteur MIMO. La MIMO à utilisateur unique (SU-MIMO) et la MIMO à utilisateurs multiples (MU-MIMO) sont, comme leur nom l'indique, des systèmes dans lesquels un ou plusieurs utilisateurs profitent des ressources MIMO disponibles pour recevoir des données.

Avec la 5G, la MIMO prend une nouvelle dimension, les stations de base utilisant la MIMO massive pour desservir un très grand nombre d'abonnés et de dispositifs intelligents. Les pylônes actuels ne peuvent tout simplement pas accueillir le nombre d'antennes requis pour prendre en charge la MIMO massive. C'est l'une des raisons pour lesquelles le nombre de pylônes pour les réseaux 5G devrait atteindre environ 10 millions.

Design d'antennes MIMO dans votre circuit imprimé

Concevoir un circuit imprimé capable de prendre en charge la MIMO consiste à intégrer plusieurs antennes sur la carte. Que vous conceviez un point d'accès Wi-Fi ou un nouveau smartphone, il y a quelques aspects fondamentaux à ne pas négliger lors de la conception d'un circuit imprimé intégrant plusieurs antennes. Ce sont :

Conception des antennes MIMO (MIMO antenna design)

Les antennes utilisées dans le dispositif doivent être conçues pour s'adapter à la fréquence et à la bande passante souhaitées. L'utilisation d'une antenne à fente ou d'une antenne-cadre permet d'obtenir une largeur de bande plus élevée et de ce fait d'avoir une conception compatible avec un ensemble de flux de données plus divers. Il est possible d'utiliser des antennes omnidirectionnelles et la formation de faisceaux peut toujours être réalisée si nécessaire en faisant fonctionner le tout sous forme de réseau à commande de phase.

Les options de conception d'antennes MIMO expérimentales actuelles pour combinés/produits IoT sont très souvent imprimées directement sur le circuit imprimé. C'est par exemple le cas des antennes-cadre, des antennes à plaque, des antennes à plaques à alimentation centrale, des antennes en F inversé ou de toute autre conception offrant un rapport gain/rendement élevé. Pour les systèmes plus grands, plusieurs lignes de flux devront être envoyées dans un radôme externe pour se connecter les antennes.

Diversité d'antenne MIMO

Il faut choisir une méthode pour assurer la diversité d'antenne. Cette méthode peut être la formation de faisceaux, le codage de polarisation ou le multiplexage spatial. La formation de faisceaux suit la procédure typique consistant à utiliser un routage de réseau à commande de phase et un commutateur d'antenne RF (soit à l'intérieur de l'émetteur RF, soit sur son propre circuit imprimé).

Le codage de polarisation est une méthode robuste facile à implémenter puisqu'il faut simplement faire pivoter l'antenne. Enfin, le multiplexage spatial est comme une formation de faisceaux dopée aux stéroïdes ; il est plus complexe, mais permet de maximiser le débit de données pour un seul utilisateur.

Formation de faisceaux dans la conception d'antennes MIMO
Schémas de formation de faisceaux analogiques et numériques dans la conception d'antennes MIMO. Sinon, les déphaseurs peuvent être remplacés par un commutateur RF.

Placement des antennes Wifi MIMO

Les antennes doivent être correctement placées, routées, adaptées à l'impédance et mises à la masse. Il s'agit du travail principal du concepteur de circuits imprimés et ce placement dépend notamment de l'empilage, de la sélection/du placement des composants, de la stratégie de mise à la masse et du routage.

Les antennes sont normalement placées au bord de la carte afin de les tenir le plus loin possible des composants numériques. Leur placement déterminera également la stratégie de mise à la masse, qui doit être conçue de manière à ce que les chemins de retour numériques ne passent pas à proximité des composants analogiques.

Isolation des antennes MIMO

Les antennes d'un système MIMO doivent être isolées les unes des autres ainsi que des autres blocs du circuit. L'objectif typique de la conception est d'avoir au moins 20 dB d'isolation entre les lignes d'antenne (définie comme une perte d'insertion entre deux lignes d'antenne).

Il y a plusieurs façons de procéder. La méthode du pauvre consiste à utiliser des boîtiers de blindage ; certains circuits intégrés de bande de base radio sont déjà placés sous un blindage pour supprimer le bruit émis par les circuits numériques ou d'autres composants analogiques.

Une méthode plus sophistiquée que le blindage des vias/pistes consiste à utiliser des structures à bande interdite électromagnétique, ce qui est particulièrement indiqué pour les systèmes à haute fréquence. Un guide d'onde coplanaire ou un routage par ligne ruban sont également préférables.

Conception d'antennes MIMO avec guide d'ondes intégré au substrat
Exemple d'antenne MIMO à 4 éléments avec routage de guide d'ondes intégré au substrat pour une isolation élevée. [Source : IEEE]

La diaphonie est le principal facteur à prendre en compte ici, car vous ne voulez pas que le signal d'une ligne d'antenne soit corrompu par le signal d'une ligne voisine, notamment parce que ces signaux analogiques ne sont pas en phase. D'où la nécessité d'une isolation entre les lignes d'antenne dans votre circuit imprimé compatible MIMO.

Quel que soit l'objet de votre conception, le solveur de champ 3D intégré de Simberian d'Altium Designer® peut vous aider à déterminer l'impédance et le délai de propagation dans le routage de votre circuit imprimé pour la conception d'antennes MIMO. Des outils de simulation permettant d'estimer les effets de l'intégrité du signal dans votre carte sont également disponibles.

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A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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