MIMO 안테나 설계 및 PCB 레이아웃 팁

다중 입력 다중 출력(MIMO)은 5G가 더 많이 알려지면서 더 인기 있는 용어가 되었지만, 이 용어와 기술은 이미 오래전부터 있었습니다. MIMO는 1970년대의 연구 논문까지 거슬러 올라갈 수 있으며, 기술이 상용화되기 전에 상당한 개발이 필요했습니다. 최근에는 MIMO 덕분에 소비자와 사무실로 직접 제공되는 무선 서비스가 급격히 증가했습니다.

통신 또는 네트워킹 인프라를 지원하는 RF 제품을 설계하고 있다면, 제품이 MIMO를 지원하도록 설계할 필요가 있을 수 있습니다. 이는 기저대역 변환기/변환 IC 세트를 선택해야 하는 구성 요소 선택 작업의 일부입니다. 또한 MIMO에 필요한 다중 안테나를 지원하기 위한 레이아웃 작업도 포함됩니다.

MIMO란 무엇인가?

다중 입력 다중 출력(MIMO)은 전송 장치와 수신 장치 사이에 여러 데이터 스트림이 전송될 수 있도록 지원합니다. 두 MIMO 지원 장치가 연결되면, 같은 채널 내에서 병렬로 여러 데이터 스트림이 동시에 전송될 수 있습니다. 이는 추가적인 주파수 대역을 사용하지 않고도 처리량을 효과적으로 증가시킵니다.

대부분의 MIMO 기반 시스템(스마트폰 포함)은 여러 채널에 걸쳐 고도로 지향적인 방사를 제공하는 안테나 배열을 포함하고 있습니다. 예를 들어, 아래에 표시된 4x4 셀룰러 MIMO 배열(4개의 송수신 안테나)은 2018년 말 아이폰에서 사용되었습니다. 이 예에서, 4개의 채널이 데이터 송수신에 사용되고 있습니다. 후속 연구에서는 8개의 안테나를 가진 핸드셋에서 MIMO의 사용에 초점을 맞추었으며, 이는 광대역 작동을 가능하게 하는 여러 공진 주파수를 가질 수 있습니다. 아래에 두 가지 예시 기사를 찾을 수 있습니다:

아래 기사를 살펴보면 몇 가지 예시 MIMO 안테나 디자인을 볼 수 있습니다:

• Li, R., 등. "5G 모바일 터미널을 위한 저프로파일 및 고격리 MIMO 안테나." Micromachines 11, #4 (2020): 360.
• Ding, Z., 등. "5G 스마트폰 애플리케이션을 위한 8포트 이중 대역 안테나 배열." 2018 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference (CSQRWC)에서, pp. 1-2. IEEE, 2018.

플립 칩 트랜시버를 가진 예시 MIMO 배열

아래 이미지는 4x8 안테나 배열을 가진 MIMO 안테나 개념의 예를 보여줍니다. 이 배열은 보드 뒷면에 있는 일련의 송수신기 그룹으로 공급되며, 칩들은 2x2 송수신기 배열의 한 쌍을 형성합니다. 다시 말해, 각 칩은 단일 4x4 배열(4 Rx 및 4 Tx)을 커버합니다. 이 배열들은 적절히 구성된 경우, mmWave 신호를 부하에 전달할 수 있는 스루홀 비아를 통해 보드 뒷면으로 공급됩니다.

• 키바로글루, K., 외. "2x2 빔포머 플립칩 유닛 셀을 기반으로 한 5G 통신 링크를 위한 저비용 확장 가능한 32-요소 28-GHz 위상 배열 송수신기." IEEE 고체 회로 저널 53, #5 (2018): pp. 1260-1274.

MIMO에는 기본적으로 MIMO 송신기에서 데이터를 수신하는 사용자 수를 나타내는 여러 가지 유형이 있습니다. 단일 사용자 MIMO(SU-MIMO)와 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO)는 이름에서 알 수 있듯이 단일 또는 다수의 사용자가 사용 가능한 MIMO 자원을 활용하여 데이터를 수신합니다. 5G는 MIMO를 새로운 수준으로 끌어올립니다, 기지국이 대규모 MIMO를 사용하여 막대한 수의 구독자와 스마트 기기를 서비스합니다. 현재의 타워는 대규모 MIMO를 지원하기 위해 필요한 안테나 수를 감당할 수 없으며, 이는 5G 네트워크의 타워 수가 약 1000만 개에 이를 것으로 예상되는 이유 중 하나입니다.

• MIMO를 가능하게 하는 안테나 배열 유형에 대해 자세히 알아보기

MIMO 구현 방법

이러한 배열에서 MIMO는 어떻게 구현됩니까? 답은 세 가지 광범위한 멀티플렉싱 방법에 있습니다:

• 공간 다중화: 이것은 많은 방법들을 포함합니다. 빔포밍은 서브어레이 내에서 사용되어, 안테나의 하위 그룹이 채널의 다른 한쪽 끝에 있는 단일 장치와만 통신하는 한 방향으로만 송수신하도록 합니다. 다른 가능성은 여러 스트림이
• 시분할 다중화(TDM): 이 오래된 방법은 다른 시간 창에서 다른 채널로 방송하는 것을 포함합니다. 이는 다른 데이터 스트림을 고정된 시간 창에 대기시키기만 하면 되므로 구현하기 매우 간단하지만, 채널이 동시에 방송되지 않는 한 처리량이 감소합니다. 단, 다른 배열로 공간적으로 다중화되지 않는 한입니다.
• 주파수 분할 다중화(FDM): 이는 채널 내에서 다른 데이터 스트림을 다른 주파수로 방송하는 것을 포함합니다. FDM 사용의 가장 일반적인 예는 텔레비전과 라디오 방송에서, 대상 주파수가 수신 신호에서 다중 해제되어 필터를 통과하는 방식으로 추출됩니다.

오늘날 우리는 위상 배열에서 빔포밍과 함께 이러한 방법들을 결합하여 다중 데이터 스트림에서 데이터의 방향성 전송을 제공합니다. 5G에서는 빔포밍이 높은 주파수에서의 높은 손실을 극복하기 위해 사용되고 있지만, 공간 다중화와 직교 주파수 분할 다중화를 서브 배열로 결합하여 다른 채널을 다른 사용자에게 보내는 데 사용됩니다. 이 모든 것은 다른 시간 창으로 시간 다중화됩니다.

PCB에서의 MIMO 안테나 설계

MIMO 기능을 구현하는 장치는 점점 더 작아지고 있으며, 디지털 섹션은 RF 섹션과 동일한 보드나 어셈블리에 포장되고 있습니다. MIMO 안테나 배열이 있는 이러한 장치에서는 배열이 직접 디지털 섹션으로 방출되어 저수준 디지털 라인에서 눈에 띄는 간섭을 생성할 수 있습니다. 예상할 수 있는 노이즈의 양은 다음에 따라 달라집니다:

• 방송 빔의 방향
• 디지털 연결 근처에 안테나 배치
• 안테나 배열 주변에 구현된 어떤 격리

안테나 빔포밍 방법

MIMO 지원 시스템에서 사용되는 빔포밍 방법은 디지털, 아날로그, 혹은 하이브리드일 수 있습니다. 아날로그 빔포밍은 위상 배열 레이아웃과 위상 변환 트랜시버를 사용하는 전형적인 절차를 따릅니다. 반면, 디지털 빔포밍은 PCB 내 레이아웃과 라우팅의 복잡성을 일부 제거합니다. 하이브리드 빔포밍은 아날로그 방송과 디지털 프리코딩을 혼합하여 사용할 수 있으며, 이는 처리 부하를 줄이고 PCB 레이아웃을 다소 용이하게 만듭니다. 이러한 방법들은 수직 편파 방향에서도 구현될 수 있어, 장치의 데이터 처리량을 실질적으로 두 배로 늘릴 수 있습니다.

이러한 방법들 중 하나(또는 하이브리드 빔포밍)은 PCB의 디지털 섹션 쪽으로 방사될 수 있으며, 이는 연결에서 크로스토크로 수신되고 인식될 수 있습니다.

안테나 배치

안테나의 배치는 PCB 디자이너의 주요 업무 영역이며, 스택업, 구성 요소 선택/배치, 접지 전략, 그리고 라우팅과 같은 요소에 따라 달라집니다. 안테나는 일반적으로 보드의 가장자리에 배치되어 가능한 한 디지털 구성 요소로부터 분리되거나, 디지털 섹션의 주요 부분이 다른 보드에 배치됩니다. 안테나가 방송 중일 때 크로스토크가 발생할 수도 있는데, 아래 비디오 스니펫에서 설명한 바와 같습니다.

보통 우리는 디지털 크로스토크가 아날로그 채널로 유입되는 것만 신경 쓰지만, 반대의 경우도 발생할 수 있습니다. 가장 잘 알려진 예는 스위칭 레귤레이터의 노이즈가 디지털 채널에 나타나는 것입니다. 아래 이미지에서, 대형 위상 배열이 5G 핸드셋의 보드 가장자리에 배치되어 있습니다. 빔 각도가 보드 표면에 가까워질수록, 인근 디지털 채널에서 매우 명확한 크로스토크를 볼 수 있으며, 이는 아이 다이어그램에서 증명됩니다. 결과적으로 상승 에지에서의 변동성이 커지고(더 많은 지터) 각 신호 레벨에서 노이즈가 증가하여 비트 오류율이 더 커집니다.

Ansys의 Juliano Mologni에게 이 훌륭한 그래픽에 대해 감사드립니다.

MIMO 지원 시스템의 안테나는 서로뿐만 아니라 다른 회로 블록과도 격리되어야 합니다. 일반적인 설계 목표는 안테나 급전선 사이에 최소 20 dB의 격리(두 안테나 라인 사이의 삽입 손실로 정의됨)입니다. 크로스토크가 여기서 주요 요소인데, 특히 이러한 아날로그 신호들이 정확한 빔포밍을 위해 특정 위상 관계를 요구하기 때문에 한 안테나 라인의 신호가 인접한 라인의 신호에 의해 손상되는 것을 원하지 않습니다.

이를 수행하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 가난한 사람의 방법은 차폐 캔을 배치하는 것입니다; 일부 라디오 베이스밴드 IC는 디지털 회로나 다른 아날로그 구성 요소로부터 방사되는 노이즈를 억제하기 위해 이미 일부 차폐 아래에 있습니다. 가드 비아/트레이스를 넘어서는 더 정교한 방법은 전자기 대역 간격 구조의 사용입니다, 이는 더 높은 주파수 시스템에 바람직합니다. 공평평파 도파관이나 스트립라인 라우팅도 선호됩니다.

아래 예시는 표준 4-요소 안테나 시스템을 구현하는 한 가지 옵션을 보여주지만, 레이더에서 일반적으로 수행되는 것처럼 공평평파 도파관 대신 기판 통합 도파관을 사용합니다. >300-400 가상 요소로 확장하려는 레이더 시스템은 이미징에 적합한 더 높은 해상도를 제공할 수 있는 훨씬 더 큰 안테나 수를 제공하기 위해 이러한 유형의 안테나 어레이를 채택하기 시작했습니다. 다음 기사에서 이 유형의 안테나에 대해 읽을 수 있습니다:

• Zhai, G., Zhi, N. C., 그리고 Xianming Q. "버섯을 사용한 격리 강화된 4-요소 MIMO 안테나 시스템." 2015 IEEE 제4회 아시아 태평양 안테나 및 전파 컨퍼런스(APCAP)에서, pp. 16-17. IEEE, 2015.

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