MIMOアンテナ設計とPCBレイアウトのヒント

| 投稿日 2022/12/22, 木曜日

5Gがより広く知られるようになるにつれて、多入力多出力（MIMO）という用語がより一般的になってきましたが、この用語と技術は以前から存在しています。MIMOは1970年代の研究論文まで遡ることができ、技術が商業化される前にはかなりの開発が必要でした。最近では、MIMOによって消費者向けの無線サービスやオフィスでの使用が大幅に増加しました。

もし、テレコムやネットワーキングインフラをサポートするRF製品を設計している場合、製品をMIMOをサポートするように設計する必要があるかもしれません。これには、MIMOをサポートするための基帯変換/変換ICのセットを選択するというコンポーネント選択のタスクが含まれます。また、MIMOで必要とされる複数のアンテナをサポートするためのレイアウトのタスクもあります。

MIMOとは何か？

多入力多出力（MIMO）は、送信デバイスと受信デバイスの間で複数のデータストリームを使用することをサポートします。2つのMIMO対応デバイスが接続されると、同じチャネル内で複数のデータストリームが並行して転送されることができます。これにより、追加の周波数帯を使用することなく、スループットが効果的に増加します。

ほとんどのMIMOベースのシステム（スマートフォンを含む）には、複数のチャネルで高度に指向性の放射を提供するアンテナアレイが含まれています。たとえば、以下に示す4x4セルラーMIMOアレイ（4つの送信および受信アンテナ）は、2018年後半にiPhoneで使用されました。この例では、4つのチャネルがデータの送受信に使用されています。後の研究では、8つのアンテナを持つハンドセットでのMIMOの使用に焦点を当てており、広帯域動作を可能にするために複数の共振周波数を持つことがあります。以下に例の記事を2つ紹介します：

以下の記事をご覧になって、MIMOアンテナ設計の例をいくつかご覧ください：

フリップチップトランシーバーを備えたMIMOアレイの例

下の画像は、4x8アンテナアレイを持つMIMOアンテナコンセプトの例を示しています。このアレイは、基板の裏側にある一群のトランシーバーで給電され、チップは2x2トランシーバーアレイのペアを形成します。言い換えると、各チップは単一の4x4アレイ（4 Rxおよび4 Tx）をカバーします。これらのアレイは、適切に構築された場合、スルーホールビアを通じて基板の裏側から給電され、mmWave信号を負荷に伝達することができます。

キバロール、K.ら「5G通信リンク用の2x2ビームフォーマーフリップチップユニットセルに基づく低コストでスケーラブルな32エレメント28-GHzフェーズドアレイトランシーバー。」IEEE固体回路ジャーナル 53、＃5 (2018): pp. 1260-1274。

GHz MIMO antenna design — *28 GHzの無線通信をサポートする2x2アンテナトランシーバーで供給される4x8 MIMOアンテナアレイの例 [出典：IEEE]*

MIMOにはさまざまな種類があり、基本的にはMIMO送信機からデータを受信するユーザーの数を指します。シングルユーザーMIMO（SU-MIMO）とマルチユーザーMIMO（MU-MIMO）は、その名前が示す通り、単一または複数のユーザーが利用可能なMIMOリソースを利用してデータを受信します。5GはMIMOを新たなレベルに引き上げます、基地局は大量のMIMOを使用して膨大な数の加入者とスマートデバイスにサービスを提供します。現在のタワーでは、大量のMIMOをサポートするために必要なアンテナの数を収容することはできません。これが、5Gネットワークのタワー数が約1000万に達すると予測される理由の一つです。

MIMOを可能にするアンテナアレイの種類についてもっと学ぶ

MIMOの実装方法

これらのアレイでMIMOはどのように実装されているのでしょうか？答えは、3つの広範なクラスの多重化方法にあります：

空間多重化：これには多くの方法が含まれます。ビームフォーミングは、アンテナのサブグループがチャネルの他端にある単一のデバイスに対してのみ、つまり一方向にのみ送受信するようにサブアレイ内で使用されます。もう一つの可能性は、複数のストリームが
時分割多重化（TDM）：この古い方法は、異なる時間窓で異なるチャネルにブロードキャストすることを含みます。これは、異なるデータストリームを固定された時間窓にキューイングするだけで実装が非常に簡単ですが、チャネルが同時にブロードキャストされない限り、スループットが低下します。空間的にも異なるアレイに多重化されない限り。
周波数分割多重化（FDM）：これは、チャネル内の異なる周波数で異なるデータストリームをブロードキャストすることを含みます。FDMの使用の最も一般的な例は、テレビやラジオの放送で、目的の周波数が受信信号からデマルチプレクシングによって抽出され、フィルタを通して信号が渡されます。

今日では、これらの方法をフェーズドアレイ内のビームフォーミングと組み合わせて使用し、複数のデータストリームにおいてデータの方向性のある伝送を提供しています。5Gでは、ビームフォーミングが高周波数での高い損失を克服するために使用されていますが、それは空間多重化と直交周波数分割多重化と組み合わせて、異なるチャネルを異なるユーザーに送信するために使用されています。これらすべてが異なる時間窓に時間多重化されます。

MIMO encoder — アンテナアレイを使用して複数のユーザーにビームフォーミングを行う例。エンコーダーはすべてのアンテナを通じて複数のチャネルでブロードキャストしますが、各チャネルで位相と振幅が混在しています。これにより、異なる周波数で複数のユーザーに向けた方向性のあるデータ送信が可能になります。

PCB内のMIMOアンテナ設計

MIMO機能を実装するデバイスは小型化されており、デジタルセクションがRFセクションと同じボードやアセンブリに詰め込まれています。MIMOアンテナアレイを備えたこれらのデバイスでは、アレイが直接デジタルセクションに放射し、低レベルのデジタルラインに顕著な干渉を生じさせる結果となります。受信する可能性のあるノイズの量は次の要素に依存します：

放送ビームの方向
デジタル相互接続の近くにアンテナを配置すること
アンテナアレイの周りに実装された任意の隔離

アンテナビームフォーミング方法

MIMO対応システムで使用されるビームフォーミング方法には、デジタル、アナログ、またはハイブリッドがあります。アナログビームフォーミングは、位相配列レイアウトと位相シフトトランシーバーを用いた典型的な手順に従いますが、デジタルビームフォーミングはPCB内のレイアウトとルーティングの複雑さをいくつか排除します。ハイブリッドビームフォーミングは、アナログ放送とデジタルプリコーディングを組み合わせることができ、処理負荷を減らし、PCBレイアウトをやや容易にします。これらの方法は、直交偏波方向にも実装されることがあり、デバイスのデータスループットを実質的に倍増させることができます。

Beamforming in MIMO antenna design — *MIMOアンテナ設計におけるアナログおよびデジタルビームフォーミング方式。*

これらの方法のいずれか（またはハイブリッドビームフォーミング）により、放射がPCBのデジタルセクションに向けて放出され、そこで受信され、相互接続のクロストークとして見られる可能性があります。

アンテナ配置

アンテナの配置はPCBデザイナーの主要な領域であり、スタックアップ、コンポーネントの選択/配置、グラウンディング戦略、ルーティングなどに依存します。アンテナは通常、デジタルコンポーネントからできるだけ離れたボードの端に配置されるか、またはデジタルセクションの主要部分が別のボードに配置されます。配置によっては、下のビデオスニペットで概説されているように、アンテナが放送しているときにクロストークが発生する可能性もあります。

通常、私たちはデジタルクロストークがアナログチャネルに影響を与えることにのみ関心を持ちますが、その逆も起こり得ます。最もよく知られている例は、スイッチングレギュレータのノイズがデジタルチャネルに現れることです。下の画像では、5Gハンドセットのボードの端に沿って大きなフェーズドアレイが配置されています。ビーム角度がボードの表面に近づくにつれて、近くのデジタルチャネルで非常に明確なクロストークが見られます。アイダイアグラムで証明されています。その結果、立ち上がりエッジに沿ってより大きな変動（より多くのジッター）と各信号レベルでのより多くのノイズが生じ、ビットエラーレートが大きくなります。

AnsysのJuliano Mologniにこの優れたグラフィックを提供していただき、感謝します。

MIMO対応システムのアンテナは、互いにだけでなく他の回路ブロックからも隔離する必要があります。典型的な設計目標は、アンテナフィードライン間で少なくとも20 dBの隔離（2つのアンテナライン間の挿入損失として定義）です。ここでの主な要因はクロストークであり、特にこれらのアナログ信号が正確なビームフォーミングのために特定の位相関係を必要とするため、隣接するラインの信号によって1つのアンテナラインの信号が汚染されることは望ましくありません。

これを行う方法はいくつかあります。貧乏人の方法は、シールド缶を配置することです。一部のラジオベースバンドICは、デジタル回路や他のアナログコンポーネントからの放射ノイズを抑制するために、すでにある程度のシールディングの下に配置されています。ガードビア/トレースを超えるより洗練された方法は、電磁バンドギャップ構造の使用です。これは、高周波システムにとって望ましいものです。共面導波路やストリップラインのルーティングも好まれます。

以下の例は、標準の4要素アンテナシステムを実装する1つのオプションを示していますが、レーダーで通常行われるように共面導波路の代わりに基板統合導波路が使用されています。>300-400の仮想要素にスケールしたいレーダーシステムは、はるかに大きなアンテナ数を提供するこのタイプのアンテナアレイを採用し始めており、イメージングに適したより高い解像度を提供するでしょう。このタイプのアンテナについては、次の記事で読むことができます：

Zhai, G., Zhi, N. C., および Xianming Q. "マッシュルームを使用した隔離強化4要素MIMOアンテナシステム。" 2015 IEEE 第4回アジア太平洋アンテナおよび伝播会議(APCAP)、pp. 16-17. IEEE, 2015。

MIMO antenna design with substrate integrated waveguide — 用于高隔离的介质集成波导布线 *[Source: IEEE]*

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筆者について

Zachariah Petersonは、学界と産業界に広範な技術的経歴を持っています。PCB業界で働く前は、ポートランド州立大学で教鞭をとっていました。化学吸着ガスセンサーの研究で物理学修士号、ランダムレーザー理論と安定性に関する研究で応用物理学博士号を取得しました。科学研究の経歴は、ナノ粒子レーザー、電子および光電子半導体デバイス、環境システム、財務分析など多岐に渡っています。彼の研究成果は、いくつかの論文審査のある専門誌や会議議事録に掲載されています。また、さまざまな企業を対象に、PCB設計に関する技術系ブログ記事を何百も書いています。Zachariahは、PCB業界の他の企業と協力し、設計、および研究サービスを提供しています。IEEE Photonics Society、およびアメリカ物理学会の会員でもあります。

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