Gennemgang af MIMO og antennedesign

Nøglepunkter i artiklen:

• MIMO-teknologi forbedrer datahastigheden, fordi det muliggør overførslen af flere datastrømme samtidigt. Et godt MIMO-antennedesign er afgørende for at optimere ydeevnen, uden det kræver yderligere spektrumressourcer.
• MIMO-antennedesign involverer forskellige aspekter herunder array-konfiguration, beamforming-teknikker, antenneplacering, polarisering, strålingsmønstre, diversity gain, isoleringsteknikker, bandwidth-support og simuleringer.
• Præcis antenneplacering er afgørende for at minimere uønsket interferens og crosstalk, samtidig med man maksimerer effektiviteten af antennesystemet.

I modsætning til SISO-systemer gør MIMO-systemer (Multiple-Input Multiple-Output) det muligt at sende flere datastrømme fra en transmitter/afsender til en receiver/modtager. Det er endda muligt at sende flere datastrømme inden for blot en enkelt frekvenskanal, hvilket øger datahastigheden uden behov for ekstra spektrumressourcer.

Når vi taler om implementeringsmetoder til MIMO, er der tre metoder vi gerne vil fremhæme: TMD, Spatial Multiplexing og FDM.

I TMD (Time-Division Multiplexing) udsender man data til forskellige kanaler i specifikke tidsintervaller. Den klare fordel ved den her metode, ligger i enkelheden af implementeringen og de faste tidsintervaller. Dog er der en risiko for nedsat datahastighed, hvis kanalerne ikke bliver udnyttet samtidigt.

For at forbedre ydeevnen kan man kombinere TMD med Spatial Multiplexing. I den her metode anvender man beamforming inden for under-arrays for at de pågældende antenner transmitterer eller modtager data i/fra specifikke retninger. Den bruges også til at transmittere flere datastrømme samtidigt.

Med Spatial Multiplexing får man en højere datahastighed og kontrol pga. den retningsbestemte kommunikation. Dog kan det være mere udfordrende på grund af kompleksiteten ved beamforming og behovet for flere antenner.

Til sidst har vi FDM (Frequency-Division-Multiplexing. Her udsender man flere datastrømme over forskellige frekvenser i en kanal. Dette gør metoden meget effektiv til at transmittere forskellige typer information. Dog kræves der demultipleksering og filtrering for signaludvinding.

Her er en illustration af, hvordan en antenne-array bruger beamforming til at betjene flere brugere: Encoderen transmitterer signaler gennem alle antennerne samtidigt, samt justerer fasen og amplituden for hver kanal individuelt. Det giver en retningsbestemt dataoverførsel til flere brugere, hvor hver af dem arbejder på forskellige frekvenser.

MIMO Antenna design

Det første trin i MIMO-design er at konfigurere antennerne. Her har du et par valgmuligheder: lineære, cirkulære og falde arrays. De kommer i to forskellige former: ensartede eller ikke-ensartede. Med et ensartet array er antennens elementer placeret på samme måde (ensartet), mens et ikke-ensartet array giver dig mulighed for at justere afstanden mellem elementerne for at finjustere, hvordan alt fungerer.

Lad os kigge nærmere på begreberne beamforming, antenneplacering og crosstalk.

Beamforming

Teknikker inden for beamforming varierer i forskellige tilgange. Herunder digital, analog eller hybrid.

Analog-beamforming holder sig til den velkendte opsætning med fase-array, som bruger faseforskydende transceivere til at manipulere signaler.

Digital-beamforming forenkler tingene ved at håndtere signalmanipulation digitalt, hvilket hjælper med at organisere layout og routing på dit PCB.

Endelig kombinerer den hybride tilgang det bedster fra den analoge og digitale verden. Det giver en blanding af analog broadcasting og digital pre-coding. Det reducerer ikke kun den beregningsmæssige belastning, men forenkler også PCB-layoutet.

Antenneplacering

Når det kommer til MIMO-antennedesign, er antenneplacering meget vigtig ting at have in mente. Den bedste placering afhænger af forskellige faktorer som PCB-stack-up, hvilke komponenter du bruger og deres placering, din grounding-strategi, og hvordan du router det hele.

Normalt vil du placere antennerne i kanten af ​​printet for at maksimere afstanden fra digitale komponenter. Afstanden hjælper nemlig med at minimere interferens og crosstalk mellem antennerne og komponenterne. I komplekse designs giver den nogle gange mening at placere noget af det digitale kredsløb på et separat bord for at holde det endnu mere isoleret fra antennerne.

Crosstalk

Dårlig antenneplacering kan give problemer med crosstalk. Det opstår, når antenner transmitterer signaler, der forstyrrer nærliggende digitale kanaler. Denne interferens kan ødelægge signalkvaliteten og forårsage problemer som f.eks. mere jitter og højere støjniveauer, hvilket ultimativt fører til flere fejl i dine data.

Normalt bekymrer vi os mest om digital crosstalk ind i analoge kanaler, men det modsatte kan også gøre sig gældende. F.eks. kan støj fra skiftende regulatorer snige sig ind i de digitale kanaler og forstyrre signalintegriteten.

Så når du designer dine MIMO-antenner, er det vigtigt, du har de her faktorer med i dine overvejelser, og at du har styr på din nøjagtige antenneplacering. Gør du det rigtigt, får du den bedste ydeevne samt mindre uønsket interferens og crosstalk.

Antennepolarisering i MIMO-systemer

Brugen af forskellige polariseringer (lodret, vandret, skrå, osv.) kan gøre underværker for at reducere interferens mellem dine antenner. Dobbelt-polariserede antenner kan effektivt fordoble antallet af kanaler i et givet rum, hvilket øger systemets kapacitet.

Cirkulær polarisering

CP (Circular Polarized) MIMO-antenner bruges i trådløse systemer – lige fra satellit- og mobilkommunikation til global navigation. I modsætning til deres lineært polariserede modparter er CP-antenner mindre modtagelige for tab pga. polariserings-mismatch, hvilket gør dem perfekte til langdistance- og satellitkommunikation, hvor signalernes kvalitet er altafgørende.

Forbedring af CP-mekanismer

”The secret sauce” til cirkulær polarisering ligger i justeringer af strømfordelinger og faseskift. F.eks. kan man ved at justere på strømretning og faserne, kan du skifte mellem LHCP (Left-Hand Circular Polarization) og RHCP (Right-Hand Circular Polarization). Denne dobbelte kapacitet giver antennen mulighed for effektivt at administrere polariseringsdiversiteten, hvilket er afgørende for stærke og stabile trådløse forbindelser.

Strålingsmønstre og diversity gain

Når det kommer til strålingsmønstre, bør antenner være i stand til at udsende i alle retninger eller fokusere deres signal afhængigt af, hvad de skal bruges til. For mobile enheder foretrækkes normalt omnidirektionelle mønstre for ensartet dækning. Og glem ikke at optimere for diversity gain. Det opnår du ved at have ukorreleret eller minimalt korrelerede signaler ved receiveren/modtageren.

Bredbånds- og isoleringsteknikker

For det første – så er der forskellige måder at imødekomme eventuelle behov for større båndbredde og minimere interferens. F.eks. kan man forkorte hjørnerne af patch-antenner eller udnytte DRA’s (Dielectric Resonator Antenna) med optimerede coupling-slots.

Afstand mellem elementer

Når det kommer til afstanden mellem antenneelementer, er det afgørende at opretholde en afstand på mindst halvdelen af bølgelængden (λ/2) af signalet for at reducere gensidig coupling og korrelation. Dog kan det være svært at opnå i kompakte enheder, hvorfor du som designer er nødt til at anvende decoupling og diverse tilpasningsteknikker.

Antenneisolering

For at mindske kanalkorrelation og forbedre ydeevnen er det nødvendigt at have tilstrækkelig isolering mellem antenneelementerne. Det kan du vha. EBG- (Electromagnetic Bandgap) strukturer, parasitiske elementer eller absorberende materialer.

Overvejelser vedr. båndbredde

Det er essentielt at dit MIMO-design imødekommer den nødvendige båndbredde for den gældende kommunikationsstandard. Det opnår du ved at designe wideband- eller multiband-antenner, som udnytter teknikker som f.eks. fractal shapes, inkorporering af reactive loading, eller ved at anvende justerbare materialer som tilpasser sig resonansfrekvensen.