אנטנת MIMO קומפוזיט דו‑פסית בעלת רווח גבוה עבור יישומי 5G NR המשתמשת ביחידת רדיו של תא קטן ניתנת לשיתוף

מדוע מהירות אלחוטית פנימית חשובה יותר

מצפיות וידאו ב‑4K ועד למשקפי מציאות מדומה ומכשירים חכמים בכל חדר — רוב תנועת האינטרנט של היום באמת נוצרת מתוך מבנים. כדי לשמור על חיבור לכל הגאדג’טים הללו, רשתות מוסיפות תחנות בסיס קטנות וחסכוניות באנרגיה — המכונות תאי קטנים — במרווחים צפופים במשרדים, מרכזי קניות, אצטדיונים ובכבישי עיר. מאמר זה מציג עיצוב אנטנה קומפקטי חדש שעוזר לתא קטן בודד של 5G לשרת מספר מפעילים ולעבוד ביעילות בשתי טווחי התדר העיקריים של 5G, מה שמגביר מהירות וכיסוי בדיוק במקום שבו אנשים משתמשים בנתונים ביותר.

שני נתיבי 5G מרכזיים בעיצוב קומפקטי אחד

מערכות 5G מודרניות נשענות על שני חתכי תדר שונים לחלוטין. אחד נמצא מתחת ל‑6 גיגההרץ ונושא אותות באמינות דרך קירות למרחקים מתונים; השני פועל בטווחי הגל המילימטרי סביב 26 גיגההרץ ומעלה, שם קצבי הנתונים גבוהים מאוד אך האותות ניתנים לחסימה בקלות יותר. יחידת רדיו שניתן לשתף בין מפעילים חייבת לפעול בשני "נתיבים" אלה בו‑זמנית. אנטנות דו‑פסיות קיימות יכולות לעשות זאת, אך לעתים קרובות סובלות מרוחב פס שימושי צר, מבנים תלת‑ממדיים נפחיים שקשים לייצור או מרווח הגבר מוגבל, מה שמפחית כיסוי. הכותבים מתמודדים עם האתגר על‑ידי יצירת מודול אנטנה בודד שהוא גם קומפקטי וגם בעל יכולת פעולה חזקה בתדרים מרוחקים זה מזה.

כיצד האנטנה החדשה בנויה

הליבה של העבודה היא אנטנת MIMO בעלת ארבעה אלמנטים, כלומר ארבע אנטנות קטנות שעובדות יחד כדי לשפר רוחב הפס והאמינות. כל אלמנט משלב דפוס מתכתי שטוח וגוש מבודד מעוצב בקפידה. על לוח המעגל המודפס, עקבה מתכתית בצורת U פועלת כמקרין העיקרי בפס התחתון של ה‑5G, ולצידה מוצב פatch מתכתי בצורת פרפר שמגדיל את הגודל היעיל ואת ההגבר. ישירות מעליו נמצא גוש דיאלקטרי "חבית מופרעת" — חתיכת חומר שמנחה גל רדיו ללא הולכה חשמלית. צורתו מגולפת מצילינדר ואז נחתכת ומותאמת כך שיתמוך במוד מסדר גבוה שימושי בתדרי גל‑מילימטר.

מבנה אחד, שתי תפקידים

אספקט חכם בעיצוב הוא שהחלקים הפיזיים עצמם מתנהגים אחרת בתדרים נמוכים וגבוהים. בפס התחתון מתחת ל‑6 גיגההרץ, הגוש הדיאלקטרי פועל בעיקר ככיסוי פסיבי שמזיז ומרחיב במעט את תגובת אנטנת ה‑U בעוד שבכתם הפרפר משפר את ההגבר. בתדרי גל‑המילימטר התפקידים מתהפכים: דפוס המתכת מזין כעת בעיקר אנרגיה אל הגוש הדיאלקטרי, שהופך למקרין העיקרי. בגלל צורתו ומאפייני החומר שהותאמו, הגוש תומך במוד היברידי ששולח אנרגיה בכיוון end‑fire — כלומר לאורך משטח התא הקטן — אידיאלי לקישורי קו‑ראייה פנימיים ולמוקדי חום עירוניים צפופים. בחירת פרמטרי הפרמיטיביות של החומר בתשומת לב מאוזנת מאפשרת קרינה חזקה לצד רוחב פס מספיק רחב.

ביצועים מדידים בפסי 5G ריאליסטיים

הצוות ייצר את האנטנה באמצעות חריטת מעגל סטנדרטית וגזירת המוצרים הדיאלקטריים בזרם מים, ואז מדד את ביצועיה במעבדה ובמצב בדיקה פנימי אמיתי של 5G. בפס התחתון, האנטנה מכסה בערך 2.8 עד 4.9 גיגההרץ עם רוחב פס חלקי גבוה של כ‑53%, ומכסה בנוחות את פסי ה‑5G הנפוצים n77 ו‑n78. כאן היא מספקת הגבר שיא סביב 8.2 dB עם קרינה בכיוון broadside המתאימה לכיסוי ממלא חדר. בפס הגל‑מילימטרי היא פועלת מ‑24 עד 29.3 גיגההרץ, מכסה פסי פופולריים כגון n257 עד n261, עם כ‑20% רוחב פס חלקי והגבר שיא של כ‑13.1 dB בכיוון end‑fire. הסידור הארבע‑אלמנטי מציג צימוד נמוך מאוד בין האלמנטים ומדדי גיוון מועדפים, החשובים לביצועי MIMO אמינים.

מה זה אומר לחיבוריות היומיומית

במילים פשוטות, הכותבים תכננו מודול אנטנה יחיד, קומפקטי, היכול לטפל ביעילות גם בפס ה"טווח" וגם בפס ה"מהירות" של 5G בו‑זמנית, תוך שמירה על תאימות לארכיטקטורות רדיו פתוחות וניתנות לשיתוף כמו Open RAN. רוחב הפס הרחב, ההגבר החזק והיכולת לתמוך במספר אנטנות במעטפת קטנה עושים אותו מתאים במיוחד לתאי קטנים שמספר מפעילים יכולים לשתף בסביבות פנימיות עמוסות או אזורים עירוניים צפופים. ככל שהרשתות צפופות יותר, עיצובים כאלו מציעים בלוק בניין פרקטי לשירות אלחוטי מהיר וגמיש במקום שבו אנשים אכן משתמשים בו: בתוך בתים, משרדים, אולמות וכבישי עיר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: תאי 5G קטנים, אנטנת MIMO, גל מילימטרי, עיצוב דו‑פסי, Open RAN