Una antena MIMO de cuatro puertos y doble banda con plano de tierra parcial para aplicaciones en las bandas n257/n260/n261

Por qué el acceso inalámbrico más rápido necesita antenas más inteligentes

La transmisión de vídeo en alta resolución, la realidad virtual inmersiva y enjambres de pequeños sensores dependen de las redes 5G de próxima generación, especialmente en las frecuencias de ondas milimétricas donde hay porciones de espectro muy amplias disponibles. Pero usar estas frecuencias muy altas de radio de forma fiable es complicado: las señales se atenúan rápidamente y las antenas deben ser compactas y capaces de gestionar múltiples flujos de datos simultáneamente. Este artículo presenta un nuevo diseño de antena que aborda esos retos, con el objetivo de permitir que futuros teléfonos, dispositivos y máquinas conectadas se comuniquen entre sí de forma más rápida y fiable.

Una antena pequeña construida para las grandes demandas del 5G

Los investigadores introducen un módulo de antena compacto, de solo 28 milímetros de lado y más delgado que una tarjeta de crédito, diseñado para las bandas de ondas milimétricas "FR2" del 5G alrededor de 28 y 38 gigahercios. Estas dos bandas —conocidas en la normativa como n257/n261 y n260— son especialmente atractivas porque ofrecen gran ancho de banda y pérdida atmosférica relativamente baja en comparación con canales de frecuencia aún mayor. En lugar de una única antena, el módulo contiene cuatro pequeños elementos radiantes que trabajan juntos como un sistema de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO). Esta disposición soporta varios flujos de datos independientes a la vez, aumentando la capacidad y la fiabilidad sin ampliar la huella del dispositivo.

Cómo funciona la antena básica

Cada uno de los cuatro elementos parte de un rectángulo metálico sencillo que irradia ondas de radio. Para hacer que esta pieza única funcione de forma eficiente en dos bandas de frecuencia distintas, los autores tallan ranuras específicas en ella: una con forma de "H" y otra en forma de "T" invertida, y la combinan con un conductor de tierra que cubre solo una parte de la cara posterior de la placa. El respaldo parcial cambia cómo fluyen las corrientes eléctricas, permitiendo que un camino domine en la banda inferior y otro en la banda superior, mientras que las ranuras afinan las dos resonancias. Mediante simulaciones por pasos, el equipo muestra cómo estas modificaciones desplazan y separan las frecuencias naturales de la antena hasta que opera limpiamente alrededor de 28 y 38 gigahercios.

Disponer cuatro elementos sin que interfieran entre sí

Para formar el módulo completo, los cuatro elementos de doble banda se giran para que apunten en distintas direcciones y se colocan alrededor del centro de la placa cuadrada. Esta disposición ortogonal ya ayuda a evitar que se interfieran, un requisito clave para los sistemas MIMO. Sin embargo, cuando un elemento transmite, las corrientes aún pueden filtrarse a través de la zona de tierra compartida y perturbar a los vecinos. Para contrarrestarlo, los diseñadores conectan las regiones de tierra parcial y extienden tiras metálicas delgadas hacia el interior desde cada lado, creando una estructura central en forma de cruz. Esta forma redirige y cancela algunas de las corrientes indeseadas, elevando la "barrera" eléctrica entre puertos mientras preserva la radiación deseada en el espacio libre.

Poner el diseño a prueba

Tras optimizar dimensiones en simulación, el equipo fabrica la antena sobre un material de circuito de microondas de baja pérdida y la mide con instrumentos de precisión y cámaras anecoicas. El prototipo cubre alrededor de 2,6 a 2,9 gigahercios de ancho de banda alrededor de 28 gigahercios y un rango similar alrededor de 38 gigahercios —más ancho que muchos diseños comparables— mientras mantiene la fuga de señal entre cualquier par de puertos típicamente mejor que 23 a 27 decibelios. Las pruebas de radiación muestran ganancias máximas de aproximadamente 6,4 y 8,5 decibelios en la banda baja y alta, con eficiencias superiores al 75 por ciento. Análisis adicionales de métricas clave de MIMO, como la independencia entre las señales de la antena y la pérdida de capacidad global, confirman que el módulo se comporta casi de forma ideal en ambas bandas.

Qué significa esto para la conectividad cotidiana

En términos sencillos, los autores han diseñado un módulo de antena muy pequeño y de doble banda que puede enviar y recibir varios flujos de datos de alta frecuencia a la vez sin que esos flujos se interfieran entre sí. Al dar forma de forma inteligente tanto al metal radiador como al respaldo compartido, en particular con la característica central en forma de cruz, logran un fuerte aislamiento, un ancho de banda útil amplio y buena eficiencia en dos bandas clave de 5G en ondas milimétricas. Este tipo de bloque constructivo compacto y de alto rendimiento es idóneo para futuros smartphones, vehículos y dispositivos IoT, ayudando a que las redes 5G entreguen las altas tasas de datos y las bajas latencias que exigen las aplicaciones avanzadas.

Cita: Gautam, P.K., Srivastava, G., Jhariya, D.K. et al. A dual-band four-port MIMO antenna with a partial ground plane for n257/n260/n261 band applications. Sci Rep 16, 13122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43355-5

Palabras clave: 5G en ondas milimétricas, antena MIMO, doble banda, aislamiento en ondas milimétricas, hardware de comunicaciones inalámbricas