Antenna MIMO compuesta de alta ganancia de banda dual para aplicaciones 5G NR empleando unidad de radio de celda pequeña compartible

Por qué importa una conexión inalámbrica interior más rápida

Desde transmisiones de vídeo en 4K hasta visores de realidad virtual y dispositivos inteligentes en cada habitación, la mayor parte del tráfico de Internet actual proviene del interior de los edificios. Para mantener conectados todos estos aparatos, las redes están desplegando muchas estaciones base pequeñas y de baja potencia—denominadas celdas pequeñas—muy próximas entre sí en oficinas, centros comerciales, estadios y calles de la ciudad. Este artículo presenta un nuevo diseño de antena compacta que ayuda a una única celda pequeña 5G a servir a varios operadores y a funcionar de forma eficiente en ambas gamas principales de frecuencias 5G, aumentando la velocidad y la cobertura donde la gente usa más datos.

Dos carriles clave de 5G en un diseño compacto

Los sistemas 5G modernos dependen de dos porciones muy diferentes del espectro. Una se sitúa por debajo de 6 GHz y transmite señales con fiabilidad a través de paredes y a distancias moderadas; la otra reside en la banda de ondas milimétricas alrededor de 26 GHz y superiores, donde las tasas de datos son muy altas pero las señales se bloquean con más facilidad. Una unidad de radio que puedan compartir distintos operadores móviles debe funcionar en ambos “carriles” a la vez. Las antenas de banda dual existentes pueden hacerlo, pero a menudo padecen de ancho de banda utilizable estrecho, estructuras 3D voluminosas difíciles de fabricar o ganancia limitada, lo que reduce la cobertura. Los autores abordan este reto creando un único módulo de antena que es compacto y capaz de un rendimiento sólido en bandas de frecuencia ampliamente separadas.

Cómo se construye la nueva antena

El núcleo del trabajo es una antena MIMO de cuatro elementos (múltiple entrada-múltiple salida), es decir, cuatro antenas pequeñas que funcionan en conjunto para mejorar el caudal de datos y la fiabilidad. Cada elemento combina un patrón metálico plano y un bloque cuidadosamente conformado de material dieléctrico. En la placa de circuito impreso, una pista metálica en forma de U actúa como el radiador principal en la banda baja de 5G, y un pequeño parche metálico en forma de corbatín colocado entre sus brazos incrementa su tamaño efectivo y su ganancia. Directamente encima se sitúa un bloque dieléctrico de “barril perturbado”: una pieza que guía las ondas de radio sin conducir electricidad. Su forma se obtiene a partir de un cilindro al que se le realizan cortes y modificaciones para que soporte un modo de orden superior útil en frecuencias de onda milimétrica.

Una estructura, dos funciones

Un aspecto ingenioso del diseño es que las mismas piezas físicas se comportan de manera diferente a bajas y altas frecuencias. En la banda sub‑6 GHz, el bloque dieléctrico actúa principalmente como una cubierta pasiva que desplaza y ensancha ligeramente la respuesta de la antena en U, mientras que el parche en forma de corbatín mejora la ganancia. En las frecuencias de onda milimétrica, los papeles se invierten: el patrón metálico alimenta ahora principalmente al bloque dieléctrico, que se convierte en el radiador principal. Debido a su forma y material a medida, el bloque soporta un modo híbrido que emite energía en dirección end‑fire—es decir, a lo largo de la superficie de la celda pequeña—ideal para enlaces en línea de vista en interiores y puntos calientes urbanos densos. La cuidadosa elección de la permitividad del material equilibra una radiación fuerte con un ancho de banda suficientemente amplio.

Rendimiento medido en bandas 5G realistas

El equipo fabricó la antena usando etching estándar de circuitos y corte por chorro de agua para las piezas dieléctricas, y luego midió su rendimiento en laboratorio y en un banco de pruebas 5G en interiores real. En la banda baja, la antena cubre aproximadamente de 2,8 a 4,9 GHz con un ancho de banda fraccional alto de alrededor del 53%, abarcando con comodidad las bandas 5G n77 y n78 ampliamente usadas. Aquí entrega una ganancia pico de aproximadamente 8,2 dB con radiación en broadside adecuada para coberturas que llenan una habitación. En la banda de onda milimétrica, opera de 24 a 29,3 GHz, cubriendo bandas populares como n257 a n261, con cerca del 20% de ancho de banda fraccional y una ganancia pico en torno a 13,1 dB en dirección end‑fire. La disposición de cuatro elementos muestra un acoplamiento muy bajo entre elementos y métricas de diversidad favorables, que son importantes para un rendimiento MIMO robusto.

Qué significa esto para la conectividad cotidiana

En términos sencillos, los autores han diseñado un único módulo de antena compacto que puede manejar de forma eficiente tanto la banda de “alcance” como la de “velocidad” de 5G a la vez, manteniéndose compatible con arquitecturas de radio abiertas y compartibles como Open RAN. Su amplio ancho de banda, elevada ganancia y capacidad para soportar múltiples antenas en una huella reducida lo hacen bien adaptado a celdas pequeñas que varios operadores móviles pueden compartir en interiores muy concurridos o entornos urbanos densos. A medida que las redes continúen densificándose, diseños como este ofrecen un bloque práctico para servicios inalámbricos más rápidos y flexibles donde la gente realmente los usa: dentro de viviendas, oficinas, recintos y calles de la ciudad.

Cita: 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

Palabras clave: celdas pequeñas 5G, antena MIMO, ondas milimétricas, diseño de banda dual, Open RAN