Suggerimenti per la progettazione di antenne MIMO e sul layout PCB

Zachariah Peterson
|  Creato: October 29, 2020  |  Aggiornato: September 20, 2022
Progettazione di antenne MIMO WiFi a lungo raggio

Con l'avvento del 5G, si sente sempre più parlare di tecnologia MIMO (Multiple-input multiple-output), anche se questo termine e questa tecnologia esistono in realtà da molto tempo. L'origine del termine MIMO può essere riscontrata in documenti di ricerca degli anni '70, tuttavia, prima che la tecnologia potesse essere commercializzata è stato necessario un notevole lavoro di sviluppo. Di recente, l'enorme crescita dei servizi wireless rivolti ai consumatori ed aziende è stata resa possibile grazie alla tecnologia MIMO.

Se stai progettando prodotti RF per supportare le telecomunicazioni o le infrastrutture di rete, probabilmente dovrai incorporare nei progetti il supporto per la tecnologia MIMO. Parte di questo adattamento richiede un'attività di selezione dei componenti, poiché per supportare la MIMO è necessario selezionare una serie di CI di conversione/ricetrasmettitore a banda base. L'altra parte è un'attività di layout al fine di supportare le diverse antenne richieste in MIMO.

Cos'è la tecnologia MIMO?

La tecnologia MIMO (multiple-input, multiple-output) consente di inviare flussi di dati multipli tra un dispositivo trasmittente e un dispositivo ricevente. Quando due dispositivi compatibili con MIMO sono collegati, è possibile trasferire più flussi di dati in parallelo all'interno dello stesso canale. Ciò aumenta efficacemente la capacità di trasmissione senza occupare bande di frequenza aggiuntive.

La maggior parte degli smartphone supporta la tecnologia cellulare 4x4 MIMO (4 antenne Tx e Rx a ciascuna estremità del collegamento), quindi è possibile utilizzare 4 canali per inviare e ricevere dati. Negli ultimi mesi, una nuova ricerca ha esaminato l'uso della tecnologia MIMO nei telefoni cellulari con 8 antenne, i quali possono avere più frequenze di risonanza. Dai un'occhiata a questo articolo di MDPI che presenta un interessante progettazione MIMO 8x8 a banda larga, e a questo articolo di IEEE che presenta la progettazione di 4 antenne MIMO dual-band.

Progettazione di antenne MIMO 2x2
Esempio di array di antenne 2x2 per MIMO a 28 GHz [Fonte: IEEE]

Esistono diversi tipi di sistemi MIMO, questi dipendono fondamentalmente dal numero di utenti che ricevono dati da un trasmettitore MIMO. La MIMO a utente singolo (SU-MIMO) e la MIMO multiutente (MU-MIMO) sono, come suggerisce il nome, sistemi in cui uno o più utenti sfruttano le risorse MIMO disponibili per ricevere i dati. Il 5G porta la MIMO a un nuovo livello, tramite stazioni base che utilizzano un enorme MIMO per servire un numero elevatissimo di abbonati e dispositivi intelligenti. Le torri attuali semplicemente non possono contenere il numero richiesto di antenne per supportare un sistema MIMO enorme, motivo per cui il numero di torri per le reti 5G dovrebbe raggiungere circa 10 milioni.

Progettazione di antenne MIMO nel tuo PCB

Progettare un PCB in grado di supportare la tecnologia MIMO significa integrare un numero maggiore di antenne nella scheda. Che tu stia progettando un punto di accesso WiFi o un nuovo smartphone, ci sono alcuni aspetti fondamentali da tenere a mente quando si progetta un PCB che incorpori più antenne. Questi sono:

Progettazione delle antenne MIMO

Le antenne MIMO utilizzate nel dispositivo devono essere progettate per adattarsi alla frequenza e alla larghezza di banda desiderata. L'uso di uno slot o di un'antenna ad anello permette una maggiore larghezza di banda, consentendo potenzialmente la compatibilità con un numero maggiore di flussi di dati. È possibile utilizzare antenne omnidirezionali e, se necessario, è ancora possibile ottenere il beamforming facendo funzionare il gruppo come un phased array.

Molte delle attuali opzioni sperimentali di progettazione di antenne MIMO per telefoni cellulari/prodotti IoT vengono stampate direttamente sul PCB. Alcune esempi includono: antenne ad anello, antenne patch, antenne patch alimentate al centro, antenne a F invertita o qualsiasi altro design che offra un elevato rapporto guadagno/efficienza. Per i sistemi più grandi sarà necessario inviare più linee di alimentazione a un radome esterno per collegare le antenne.

Diversità dell'antenna

Per garantire la diversità delle antenne è necessario un metodo. Questi metodi includono beamforming, codifica di polarizzazione o multiplexing spaziale. Il beamforming segue la procedura tipica con il layout phased array e un interruttore dell'antenna RF (all'interno del ricetrasmettitore RF o sul proprio CI). La codifica di polarizzazione è un metodo efficace che si può implementare semplicemente ruotando l'antenna. Infine, il multiplexing spaziale è come un beamforming potenziato da steroidi: è più complesso, ma massimizza la capacità di trasmissione dei dati per un singolo utente.

Beamforming analogico e digitale nella progettazione di antenne MIMO
Schemi di beamforming analogico e digitale nella progettazione di antenne MIMO. In alternativa, gli sfasatori possono essere sostituiti con un interruttore RF.

Posizionamento delle antenne MIMO

Le antenne MIMO devono essere: posizionate, instradate, abbinate all'impedenza e collegate a terra correttamente. Questo è il lavoro principale del progettista PCB e dipende da aspetti quali: stack-up, selezione/sostituzione dei componenti, strategia di messa a terra e routing. Di norma le antenne vengono posizionate sul bordo della scheda per separarle il più possibile dai componenti digitali. Il posizionamento determinerà anche la strategia di messa a terra, che deve essere progettata in modo che i percorsi di ritorno digitali non passino vicino ai componenti analogici.

Isolamento delle antenne

Le antenne, in un sistema compatibile con MIMO, devono essere isolate l'una dall'altra così come dagli altri blocchi del circuito. L'obiettivo di progettazione tipico è un isolamento di almeno 20 dB tra le linee di antenne (definito come perdita di inserzione tra due linee di antenne).

Ci sono diversi modi per raggiungere questo obiettivo. Il metodo più semplice è posizionare delle schermature; alcuni circuiti integrati radio in banda base sono già schermati per sopprimere il rumore irradiato da circuiti digitali o da altri componenti analogici. Un metodo più avanzato rispetto alla schermatura di vie/tracce consiste nell'utilizzare strutture a bandgap elettromagnetiche, queste sono particolarmente adatte per i sistemi ad alta frequenza. È preferibile anche il routing con guida d'onda complanare o stripline.

Progettazione di antenne MIMO a 4 elementi
Esempio di antenna MIMO a 4 elementi con instradamento della guida d'onda integrato nel substrato per un isolamento elevato. [Fonte: IEEE]

La diafonia è il fattore più importante in questo caso, poiché il segnale in una linea dell'antenna non dovrebbe essere danneggiato dal segnale di una linea vicina, soprattutto perché questi segnali analogici non sono in fase. Da qui la necessità di isolamento tra le linee dell'antenna in un PCB compatibile con la tecnologia MIMO.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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