Dualband-Composite-Hochgewinn-MIMO-Antenne für 5G-NR-Anwendungen unter Verwendung einer teilbaren Small-Cell-Funkstelle

Warum schnellere drahtlose Verbindungen in Innenräumen wichtig sind

Von 4K-Videostreams über Virtual-Reality-Headsets bis hin zu vernetzten Geräten in jedem Raum stammt ein Großteil des heutigen Internetverkehrs aus dem Inneren von Gebäuden. Um all diese Geräte verbunden zu halten, setzen Netzbetreiber viele kleine, energiearme Basisstationen — sogenannte Small Cells — dicht in Büros, Einkaufszentren, Stadien und an Straßen ein. Diese Arbeit stellt ein neues kompaktes Antennendesign vor, das einer einzigen 5G-Small-Cell ermöglicht, mehrere Betreiber zu bedienen und über beide wichtigen 5G-Frequenzbereiche effizient zu arbeiten, wodurch die Geschwindigkeit und Abdeckung dort verbessert werden, wo Menschen die meiste Datenmenge verbrauchen.

Zwei wichtige 5G-Bahnen in einem kompakten Design

Moderne 5G-Systeme nutzen zwei sehr unterschiedliche Teile des Spektrums. Der eine liegt unter 6 GHz und transportiert Signale zuverlässig durch Wände über moderate Distanzen; der andere befindet sich im Millimeterwellenbereich um 26 GHz und darüber, wo die Datenraten sehr hoch, Signale aber leichter blockiert werden. Eine Funkstelle, die von verschiedenen Mobilfunkbetreibern geteilt werden kann, muss gleichzeitig über beide dieser „Bahnen“ arbeiten. Bestehende Dualband-Antennen schaffen das zwar, leiden jedoch oft unter enger Nutzbandbreite, sperrigen 3D-Strukturen, die schwer herzustellen sind, oder begrenztem Gewinn, was die Reichweite reduziert. Die Autoren begegnen dieser Herausforderung, indem sie ein einzelnes Antennenmodul entwickeln, das sowohl kompakt ist als auch in weit auseinanderliegenden Frequenzbändern starke Leistung liefert.

Wie die neue Antenne aufgebaut ist

Kern der Arbeit ist eine vier-Elemente-MIMO-Antenne (Multiple-Input Multiple-Output), das heißt vier kleine Antennenelemente, die zusammenarbeiten, um Durchsatz und Zuverlässigkeit zu verbessern. Jedes Element kombiniert ein flaches Metallmuster mit einem sorgfältig geformten Block aus dielektrischem Material. Auf der Leiterplatte fungiert eine U-förmige Metallspur als Hauptradiator im unteren 5G-Band, und ein kleines, zwischen ihren Armen platziertes, flügelförmiges Metallpatch (Bow-Tie) vergrößert seine effektive Größe und den Gewinn. Direkt darüber sitzt ein "perturbed barrel"-Dielektrikumblock — ein Stück Material, das Funkwellen leitet, ohne Strom zu leiten. Seine Form wird aus einem Zylinder herausgearbeitet und anschließend geschnitten und modifiziert, sodass er einen nützlichen höherordnenden Modus bei Millimeterwellenfrequenzen unterstützt.

Eine Struktur, zwei Rollen

Ein cleverer Aspekt des Designs ist, dass dieselben physischen Teile bei niedrigen und hohen Frequenzen unterschiedlich funktionieren. Im Sub-6-GHz-Band wirkt der Dielektrikblock hauptsächlich wie eine passive Abdeckung, die das Verhalten der U-förmigen Metallantenne leicht verschiebt und verbreitert, während das Bow-Tie-Patch den Gewinn erhöht. Bei Millimeterwellenfrequenzen kehren sich die Rollen um: Das Metallmuster speist nun vorrangig Energie in den Dielektrikblock ein, der zum Hauptradiator wird. Durch seine maßgeschneiderte Form und Materialeigenschaften unterstützt der Block einen hybriden Modus, der Energie bevorzugt in Endfire-Richtung abstrahlt — also entlang der Oberfläche der Small Cell, ideal für Sichtverbindungen in Innenräumen und dichte urbane Hotspots. Die sorgfältige Wahl der Permittivität des Materials balanciert kräftige Abstrahlung mit ausreichend breiter Bandbreite aus.

Gemessene Leistung in realistischen 5G-Bändern

Das Team fertigte die Antenne mit standardmäßiger Leiterplattenätzung und Wasserstrahlschneiden für die dielektrischen Teile an und prüfte ihre Leistung im Labor sowie in einem realen Indoor-5G-Testfeld. Im unteren Band deckt die Antenne etwa 2,8 bis 4,9 GHz mit einer hohen Fraktionsbandbreite von rund 53 % ab und umfasst damit komfortabel die weit verbreiteten 5G-Bänder n77 und n78. Dort liefert sie einen Spitzengewinn von etwa 8,2 dB mit Breitseitenabstrahlung, geeignet für raumfüllende Abdeckung. Im Millimeterwellenband arbeitet sie von 24 bis 29,3 GHz und deckt populäre Bänder wie n257 bis n261 ab, mit etwa 20 % Fraktionsbandbreite und einem Spitzengewinn von rund 13,1 dB in Endfire-Richtung. Die Vier-Element-Anordnung zeigt sehr geringe Kopplung zwischen den Elementen und günstige Diversity-Kennwerte, die für robuste MIMO-Leistung wichtig sind.

Was das für die alltägliche Konnektivität bedeutet

Einfach ausgedrückt haben die Autoren ein einzelnes, kompaktes Antennenmodul entwickelt, das sowohl das "Reichweiten"- als auch das "Geschwindigkeits"-Band von 5G effizient gleichzeitig bedienen kann und dabei mit offenen, teilbaren Funkarchitekturen wie Open RAN kompatibel bleibt. Seine breite Bandbreite, der starke Gewinn und die Fähigkeit, mehrere Antennen auf kleinem Raum zu unterstützen, machen es gut geeignet für Small Cells, die mehrere Mobilfunkanbieter in belebten Innenräumen oder dicht bebauten urbanen Gebieten gemeinsam nutzen können. Mit zunehmender Verdichtung der Netze bieten solche Designs einen praktischen Baustein für schnellere, flexiblere drahtlose Dienste dort, wo Menschen sie tatsächlich nutzen: in Wohnungen, Büros, Arenen und auf Straßen.»

Zitation: Asadullah, Shoaib, N., Khan, M.U. et al. Dual-band composite high gain MIMO antenna for 5G NR applications employing shareable small cell radio unit. Sci Rep 16, 11008 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39955-w

Schlüsselwörter: 5G-Small-Cells, MIMO-Antenne, Millimeterwellen, Dualband-Design, Open RAN