Dicas de Design de Antena MIMO e Layout de PCB

O termo múltiplas entradas, múltiplas saídas (MIMO) tornou-se mais popular agora que o 5G está se tornando mais divulgado, mas este termo e a tecnologia existem há algum tempo. O MIMO pode ser rastreado até trabalhos de pesquisa dos anos 1970, e um desenvolvimento significativo foi necessário antes que a tecnologia pudesse ser comercializada. Recentemente, o aumento drástico nos serviços sem fio diretos para consumidores e em escritórios foi possibilitado pelo MIMO.

Se você está projetando produtos de RF para suportar telecomunicações ou infraestrutura de rede, então há uma chance de você precisar projetar seu produto para suportar MIMO. Parte disso é uma tarefa de seleção de componentes, pois você precisa selecionar um conjunto de CI de transceptor/conversão de banda base para suportar MIMO. A outra parte disso é uma tarefa de layout para suportar múltiplas antenas requeridas em MIMO.

O que é MIMO?

Múltiplas entradas, múltiplas saídas (MIMO) suporta o uso de múltiplos fluxos de dados sendo enviados entre um dispositivo transmissor e um dispositivo receptor. Quando dois dispositivos compatíveis com MIMO estão conectados, múltiplos fluxos de dados podem ser transferidos entre eles em paralelo dentro do mesmo canal. Isso efetivamente aumenta a taxa de transferência sem ocupar bandas de frequência adicionais.

A maioria dos sistemas baseados em MIMO (incluindo smartphones) inclui um arranjo de antenas que proporciona emissão altamente direcional por múltiplos canais. Por exemplo, o arranjo MIMO celular 4x4 mostrado abaixo (4 antenas Tx e Rx) foi usado no iPhone no final de 2018. Neste exemplo, 4 canais estão sendo usados para transmitir e receber dados. Pesquisas posteriores focaram no uso de MIMO em aparelhos com 8 antenas, que podem ter múltiplas frequências ressonantes para possibilitar operação em banda larga. Dois artigos de exemplo podem ser encontrados abaixo:

Veja os artigos abaixo para alguns exemplos de designs de antenas MIMO:

• Li, R., et al. "Uma antena MIMO de baixo perfil e alta isolação para terminal móvel 5G." Micromachines 11, nº 4 (2020): 360.
• Ding, Z., et al. "Um arranjo de antena de oito portas e banda dupla para aplicações em smartphones 5G." Em 2018 Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference (CSQRWC), pp. 1-2. IEEE, 2018.

Exemplo de Arranjo MIMO Com Transceptores Flip Chip

A imagem abaixo mostra um exemplo de conceito de antena MIMO com arrays de antena 4x8. Este array é alimentado por um grupo de transceptores na parte de trás da placa, onde os chips formam um par de arrays de transceptores 2x2. Em outras palavras, cada chip cobre um único array 4x4 (4 Rx e 4 Tx). Estes arrays são alimentados através da parte de trás da placa usando vias passantes, que, se adequadamente construídas, podem transmitir sinais mmWave para uma carga.

• Kibaroglu, K., et al. "Um transceptor de array de 32 elementos de baixo custo e escalável de 28-GHz para links de comunicação 5G baseado em uma célula unitária flip-chip de formador de feixe 2x2." IEEE Journal of Solid-State Circuits 53, nº 5 (2018): pp. 1260-1274.

Existem diferentes variações de MIMO, que basicamente se referem ao número de usuários recebendo dados de um transmissor MIMO. MIMO de usuário único (SU-MIMO) e MIMO de múltiplos usuários (MU-MIMO) são, como seus nomes descrevem, onde um único ou múltiplos usuários aproveitam os recursos MIMO disponíveis para receber dados. 5G leva o MIMO a um novo nível, com estações base empregando MIMO massivo para atender um enorme número de assinantes e dispositivos inteligentes. As torres atuais simplesmente não podem acomodar o número necessário de antenas para suportar MIMO massivo, o que é uma razão pela qual estima-se que o número de torres para redes 5G alcançará cerca de 10 milhões.

• Aprenda mais sobre os tipos de arranjos de antenas que possibilitam o MIMO

Como o MIMO é Implementado

Como o MIMO é implementado nestes arranjos? A resposta está em três amplas classes de métodos de multiplexação:

• Multiplexação espacial: Isso engloba muitos métodos. A formação de feixes é utilizada dentro de subarranjos de modo que um subgrupo das antenas esteja transmitindo/recebendo apenas em uma direção, ou seja, com apenas um único dispositivo na outra extremidade do canal. A outra possibilidade é que múltiplos fluxos
• Multiplexação por divisão de tempo (TDM): Esse método mais antigo envolve a transmissão em diferentes canais em diferentes janelas de tempo. É muito simples de implementar, pois apenas requer o enfileiramento de diferentes fluxos de dados em janelas de tempo fixas, mas isso reduz a taxa de transferência porque os canais não estão sendo transmitidos simultaneamente, a menos que também sejam multiplexados espacialmente em diferentes arranjos.
• Multiplexação por divisão de frequência (FDM): Isso envolve a transmissão de diferentes fluxos de dados em diferentes frequências dentro de um canal. O exemplo mais comum de uso de FDM está nas transmissões de televisão e rádio, onde a frequência alvo é extraída do sinal recebido por demultiplexação e passando o sinal por um filtro.

Hoje, utilizamos uma combinação desses métodos com formação de feixe em arranjos de fase para fornecer transmissão direcional de dados em múltiplos fluxos de dados. Em 5G, a formação de feixe está sendo usada para superar as maiores perdas em frequências mais altas, mas é combinada com multiplexação espacial em sub-arranjos e multiplexação por divisão de frequência ortogonal para enviar diferentes canais a diferentes usuários. Tudo isso é multiplexado no tempo em diferentes janelas de tempo.

Design de Antena MIMO em Sua PCB

Dispositivos que implementam funcionalidade MIMO estão ficando menores, e a seção digital está sendo compactada na mesma placa ou montagem que a seção RF. Nestes dispositivos com um arranjo de antenas MIMO, o resultado é que o arranjo poderia emitir diretamente para sua seção digital e criar interferência notável em linhas digitais de baixo nível. A quantidade de ruído que você poderia esperar receber depende de:

• Direção do feixe de transmissão
• Colocação da antena perto de interconexões digitais
• Qualquer isolamento implementado ao redor do arranjo de antenas

Método de Formação de Feixe da Antena

O método de formação de feixe utilizado em um sistema compatível com MIMO pode ser digital, analógico ou híbrido. A formação de feixe analógica segue o procedimento típico com layout de arranjo em fase e um transceptor de deslocamento de fase, enquanto a formação de feixe digital elimina algumas das complexidades no layout e roteamento na PCB. A formação de feixe híbrida pode ser usada para misturar transmissão analógica com pré-codificação digital, o que reduz a carga de processamento e torna o layout da PCB um pouco mais fácil. Esses métodos também podem ser implementados em direções de polarização perpendiculares, de modo que você efetivamente dobre a taxa de transferência de dados do dispositivo.

Qualquer um desses métodos (ou formação de feixe híbrida) pode resultar em radiação sendo emitida em direção a uma seção digital da PCB, onde poderia então ser recebida e vista como diafonia em uma interconexão.

Posicionamento da Antena

O posicionamento da antena em relação a outros componentes é o domínio principal do projetista de PCB e depende de fatores como empilhamento, seleção/posicionamento de componentes, estratégia de aterramento e roteamento. Normalmente, as antenas são colocadas na borda da placa para separá-las o máximo possível dos componentes digitais, ou as principais partes da seção digital serão colocadas em uma placa diferente. O posicionamento também pode resultar em diafonia quando a antena está transmitindo, conforme delineado no trecho de vídeo abaixo.

Normalmente, nos preocupamos apenas com o crosstalk digital em canais analógicos, mas o inverso também pode acontecer; o exemplo mais conhecido é o ruído do regulador chaveado aparecendo em canais digitais. Na imagem abaixo, um grande arranjo em fase é colocado ao longo da borda de uma placa em um aparelho 5G. À medida que o ângulo do feixe se inclina mais próximo à superfície da placa, podemos ver um crosstalk muito claro nos canais digitais próximos, como evidenciado no diagrama de olho. O resultado é uma maior variação ao longo da borda de subida (mais jitter) e mais ruído em cada nível de sinal, resultando em taxas de erro de bit maiores.

Graças a Juliano Mologni da Ansys por este excelente gráfico.

Antenas em um sistema capaz de MIMO precisam ser isoladas umas das outras, bem como de outros blocos de circuito. O objetivo de design típico é de pelo menos 20 dB de isolamento entre as linhas de alimentação da antena (definido como perda de inserção entre duas linhas de antena). O crosstalk é o fator principal aqui, pois você não quer que o sinal em uma linha de antena seja corrompido por um sinal em uma linha vizinha, especialmente porque esses sinais analógicos requerem uma relação de fase específica para uma formação de feixe precisa.

Existem várias maneiras de fazer isso. O método mais simples é colocar blindagens; alguns circuitos integrados de baseband de rádio já estão sob alguma blindagem para suprimir ruídos irradiados de circuitos digitais ou outros componentes analógicos. Um método mais sofisticado além das vias/trilhas de proteção é o uso de estruturas de banda proibida eletromagnética, que são desejáveis para sistemas de frequência mais alta. Rotas de guia de onda coplanar ou de linha de transmissão também são preferidas.

O exemplo abaixo mostra uma opção para implementar um sistema de antena de 4 elementos padrão, mas com guias de onda integrados ao substrato usados em vez de guias de onda coplanares, como seria tipicamente feito em radar. Sistemas de radar que desejam escalar para >300-400 elementos virtuais estão começando a adotar esse tipo de arranjo de antena para fornecer contagens de antena muito maiores, o que proporcionaria uma resolução mais alta adequada para imagem. Você pode ler sobre este tipo de antena no seguinte artigo:

• Zhai, G., Zhi, N. C., e Xianming Q. "Sistema de antena MIMO de quatro elementos com isolamento aprimorado usando cogumelo." Em 2015 IEEE 4ª Conferência Ásia-Pacífico sobre Antenas e Propagação (APCAP), pp. 16-17. IEEE, 2015.

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